本发明专利技术公开一种多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法，即在制造物联环境中部署Mesh路由器，除要考虑网络带宽需求外，还需要考实现更健壮的网络覆盖、更少的传感器节点能量消耗、Mesh路由器的负载均衡等特殊需要，而这导致Mesh路由器的部署成为一个多目标优化的问题。针对该问题，本发明专利技术的制作物联网中多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法在保障接入节点覆盖与网络整体连通性的前提下，以尽可能小的部署成本，在网络传输吞吐量、传感器能耗以及Mesh路由器负载均衡方面达到尽可能好的性能，进而提供尽可能好的网络性能，并提出了相应的无线Mesh路由器部署多目标优化模型与寻优求解算法。
【技术实现步骤摘要】
一种多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法
本专利技术涉及制造物联网领域，更具体地，涉及一种制造物联网中多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法。
技术介绍
制造物联网环境中大规模分布着各类无线感知节点，而如何对大规模分布式无线感知节点进行有效组织，构建高性能的制造物联网络拓扑结构，直接关系到整个网络性能，是实现稳定、快捷、低能耗的感知数据获取的重要基础。考虑传统的有线网络解决方案和基于无线AP(AccessPoint)的网络解决方案由于受到诸如车间场地限制、制造资源移动性强和通讯盲点等问题，并不适用于在复杂车间环境中动态制造信息的传输，为此，可构建具备垂直分层拓扑结构的制造物联传输网络。骨干传输网络由高性能无线Mesh路由器构建的高速多跳传输网状网络构成。下层为cluster层，Mesh路由器负责本地cluster范围内无线节点的管理以及上下行数据的转发。为构建该分层网络，需解决的基本问题即是：给定下层接入节点集合及其地理位置，如何在合适位置部署无线Mesh路由器，以尽可能低的部署成本保障接入节点的网络覆盖与网络整体连通性，在此基础上进一步优化网络负载能力、能耗、实时性、吞吐量、可靠性等各个方面的性能。现有针对该问题的相关技术成果较少，论文“无线Mesh网中费用最小且QoS约束的网关部署算法研究”公开了一种满足QoS约束且费用最小的无线Mesh网网关优化部署方法，把该问题归结为图的最小权有限支配集的问题进行求解。论文“无线Mesh网络中满足带宽需求的路由器部署方法”公开了一种基于网络流的MR部署贪心算法NFGreedy，该算法以迭代的方式从MR候选位置集中选择权重最大的节点进行相应的节点部署。尽管上述研究成果提出了不同的部署优化目标，但其优化目标还比较片面，不能涵盖制造物联网中Mesh路由器部署所需考虑的优化目标。事实上，在制造物联环境中部署Mesh路由器时，除要考虑网络带宽需求外，还需要考虑实现更健壮的网络覆盖、更少的传感器节点能量消耗、Mesh路由器的负载均衡等特殊需要，而这导致Mesh路由器的部署成为一个多目标优化的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的问题，本专利技术提出一种制作物联网中多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法，在保障接入节点覆盖与网络整体连通性的前提下，以尽可能小的部署成本，在网络传输吞吐量、传感器能耗以及Mesh路由器负载均衡方面达到尽可能好的性能。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：根据图1所描述拓扑结构，首先做如下定义：定义S＝{CL1,...,CLm}表示可部署Mesh路由器的位置(CL)集合，T＝{T1,...,Tn}表示制造物联网中分布的无线终端(T)集合。无线路由器部署在位置CLj的成本为cj，在该位置部署无线Mesh网关的额外成本为pj，则在位置CLj部署无线Mesh网关的总成本为cj+pj.定义di为终端Ti产生的数据流量，ujl为位置CLj与CLl之间无线链路的流量容量(如果两部署位置之间能通过一条无线链路双向连通)。如位置CLj部署有路由器，假定其无线接口访问容量为vj.M代表无线Mesh网关能承载的上限流量。定义aij＝1表示无线终端Ti与位置CLj之间可通过一条无线链路双向连通；bjl代表位置集合中各个候选部署位置的无线连接参数，若位置CLj与CLl可通过一条无线链路双向连通，则bjl＝1；oik代表各个无线终端间的连接参数，若oik＝1，则表示无线终端Ti与Tk间可通过一条无线链路双向连通。考虑部分无线终端需通过多跳连接到Mesh路由器或网关，假定其s_pathij为终端Ti与部署于位置CLj的Mesh路由器/网关之间的最短路径(假如存在，最短路径需不包含任何其他Mesh路由器/网关)，则定义Lij＝hop(s_pathij)，否则Lij＝0，Lij为最短路径s_pathij的跳数。若相邻Mesh路由器/网关部署位置分别为CLj，CLl，则从CLj到CLl数据流量表示为fjl，Fj表示由部署在位置CLj的Mesh网关到互联网的数据流量。基于以上参数定义，那么求解Mesh路由器/网关部署问题，即为求解以下决策变量：1)分簇决策变量xij，当无线终端Ti被分配到位置CLj时，xij＝1，否则为0；2)Mesh路由器/网关部署决策变量rj，当位置CLj部署有一个Mesh路由器/网关，rj＝1，否则为0；3)Mesh网关部署决策变量ej，当位置CLj部署有一个Mesh网关时，ej＝1，否则为0；4)无线Mesh路由器/网关连接决策变量yjl，当位置CLj、CLl部署有Mesh路由器/网关，且bjl＝1时，则yjl＝1，否则为0。根据本专利技术Mesh路由器/网关部署的原则：保障接入节点覆盖与网络整体连通性的前提下，以尽可能小的部署成本，在网络传输吞吐量、传感器能耗以及Mesh路由器负载均衡方面达到尽可能好的性能。建立各项优化目标数学描述模型：1)部署成本模型subjectto2)网络传输吞吐量模型3)传感器能耗模型4)Mesh路由器/网关负载均衡模型结合上述模型，Mesh路由器部署问题转变为一个多目标寻优的求解问题：f(x)＝F(minf1(x),maxf2(x),,minf3(x),maxf4(x))(14)将max函数可以转化为min函数，因此，用加权法求得综合寻优函数为其中wi为相应优化目标的权值。该多目标优化问题是NP难问题，本专利技术采用多目标粒子群优化算法进行求解，寻找最优近似解，算法具体流程如下：LetP为PSO粒子群规模l为Mesh路由器/网关总数量pi(t)＝(pi1(t),pi2(t),…,pid(t),…,pil(t)),vi(t)＝(vi1(t),vi2(t),…,vid(t),…,vil(t))pi(t)，vi(t)分别为在第t次迭代过程的位置与速度fitness(pi)粒子pi适应函数，公式(15)gbest(t)第t次迭代时全局最优位置pbesti(t)第t次迭代时粒子pi个体最优位置K迭代次数Step1:参数初始化初始化P，K，粒子群初始位置与速度，计算初始fitness值，全局最优位置，各粒子最优位置Step2:迭代寻优fort＝1:Kstep2.1：对每个粒子pi,每次迭代更新其位置与速度pid(t+1)＝pid(t)+vid(t+1)step2.2：根据极值扰动策略，满足如下条件时对t0,tg进行重置：ift0>T0thent0＝0endififtg>Tgthentg＝0endifstep2.3:每次迭代，根据下式计算w(t)w(t+1)＝w(t)*(1+Δw)step2.4：对每个粒子pi,更新其个体最优位置：pbesti(t+1)＝pbesti(t)iffitness(pi(t+1))≤fitness(pbesti(t+1))thenpbesti(t+1)＝pi(t+1)endifstep2.5：对每次迭代，更新全局最优位置：step2.6：对每个粒子pi：计算t0andtg，其值为个体与全局陷入进化停滞的迭代次数endforStep3:output本专利技术提出一种制造物联网中多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法，确定了制作物联网中多目标关注的无线Mesh路由器部署优化模型与粒子群寻优求本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法，其部署原则是：保障接入节点覆盖与网络整体连通性的前提下，以小的部署成本，在网络覆盖健壮性、网络传输吞吐量、传感器能耗以及Mesh路由器负载均衡方面达到好的性能；其特征在于，令网络内可部署Mesh路由器位置CL的集合为S＝{1,...,m}，制造物联网中分布的无线终端T的集合为T＝{1,...,n}，无线路由器部署在位置CLj的成本为cj，在该位置部署无线Mesh网关的额外成本为pj，则在位置CLj部署无线Mesh网关的总成本为cj+pj；无线终端Ti产生的数据流量为di，当位置CLj与CLl之间能通过一条无线链路双向连通，则两部署位置之间无线链路的流量容量为ujl，位置CLj部署有路由器，其无线接口访问容量为vj，M代表无线Mesh网关能承载的上限流量；aij＝1表示无线终端Ti与位置CLj之间通过一条无线链路双向连通；bjl代表位置集合中各个候选部署位置的无线连接参数，当位置CLj与CLl间能够通过一条无线链路双向连通，则bjl＝1；oik代表各个无线终端间的连接参数，若oik＝1，则表示无线终端Ti与Tk间能够通过一条无线链路双向连通；考虑部分无线终端需通过多跳连接到Mesh路由器或网关，无线终端Ti与部署于位置CLj的Mesh路由器/网关之间的最短路径为s_pathij，当存在最短路径，则定义Lij＝hop(s_pathij)，否则Lij＝0；若相邻Mesh路由器/网关部署位置分别为CLj，CLl，则从CLj到CLl数据流量表示为fjl，Fj表示由部署在位置CLj的Mesh网关到互联网的数据流量；基于以上参数定义，那么求解Mesh路由器/网关部署问题，即为求解以下决策变量：1)分簇决策变量xij，当无线终端Ti被分配到位置CLj时，xij＝1，否则为0；2)Mesh路由器/网关部署决策变量rj，当位置CLj部署有一个Mesh路由器/网关，rj＝1，否则为0；3)Mesh网关部署决策变量ej，当位置CLj部署有一个Mesh网关时，ej＝1，否则为0；4)无线Mesh路由器/网关连接决策变量yjl，当位置CLj、CLl部署有Mesh路由器/网关，且bjl＝1时，则yjl＝1，否则为0；建立各项优化目标数学描述模型为：1)部署成本模型f1(x)=minΣj∈Scjrj+pjej]]>subject to：Σj∈Sxij=1∀i∈T,]]>Σi∈Tdixij+Σl∈S(flj-fjl)-Fj=0∀j∈S,]]>Σi∈Tdixij≤vj∀j∈S,]]>flj+fjl≤ujlyjl∀j,l∈S,]]>Fj≤Mej∀j∈S,]]>yjl≤rj,yjl≤rl,yjl≤bjl∀j,l∈S,]]>xij,rj,yjl,ej∈{0,1}∀i∈T,∀j,l∈S,]]>2)网络覆盖健壮性模型f2(x)＝subject to：Σj∈Srjaij≥1∀i∈T,]]>表示每个节点能连上至少一个以上MR/MG；k(j)≥1∀j∈S,rj=1,]]>表示每个MR/MG能连上至少一个以上MR/MG；3)网络传输吞吐量模型f3(x)=maxΣj∈SΣl∈Sfjlujl]]>4)传感器能耗模型f4(x)=minΣj∈SΣi∈Trj·dixij·Lij·(Etx+Erx)]]>5)Mesh路由器/网关负载均衡模型f5(x)=maxΣj∈SΣl∈S(fjl/ujl)2Σj∈SΣl∈Sfjl/ujl]]>结合上述模型，将Mesh路由器部署问题转变为一个多目标寻优的求解问题：f(x)＝F(minf1(x),maxf2(x),maxf3(x),minf4(x),maxf5(x))将max函数可以转化为min函数，用加权法求得综合寻优函数为：g(x)=minΣi=15wifi...
【技术特征摘要】
1.一种多目标关注的无线Mesh路由器部署优化方法，其部署原则是：保障接入节点覆盖与网络整体连通性的前提下，以小的部署成本，在网络覆盖健壮性、网络传输吞吐量、传感器能耗以及Mesh路由器负载均衡方面达到好的性能；其特征在于，令网络内可部署Mesh路由器位置CL的集合为S＝{CL1,...,CLm}，制造物联网中分布的无线终端T的集合为T＝{T1,...,Tn}，无线路由器部署在位置CLj的成本为cj，在该位置部署无线Mesh网关的额外成本为pj，则在位置CLj部署无线Mesh网关的总成本为cj+pj；无线终端Ti产生的数据流量为di，当位置CLj与CLl之间能通过一条无线链路双向连通，则两部署位置之间无线链路的流量容量为ujl，位置CLj部署有路由器，其无线接口访问容量为vj，M代表无线Mesh网关能承载的上限流量；aij＝1表示无线终端Ti与位置CLj之间通过一条无线链路双向连通；bjl代表位置集合中各个候选部署位置的无线连接参数，当位置CLj与CLl间能够通过一条无线链路双向连通，则bjl＝1；oik代表各个无线终端间的连接参数，若oik＝1，则表示无线终端Ti与Tk间能够通过一条无线链路双向连通；考虑部分无线终端需通过多跳连接到Mesh路由器或网关，无线终端Ti与部署于位置CLj的Mesh路由器/网关之间的最短路径为s_pathij，当存在最短路径，则定义Lij＝hop(s_pathij)，否则Lij＝0，Lij为最短路径s_pathij的跳数；若相邻Mesh路由器/网关部署位置分别为CLj，CLl，则从CLj到CLl数据流量表示为fjl，Fj表示由部署在位置CLj的Mesh网关到互联网的数据流量；基于以上参数定义，那么求解Mesh路由器/网关部署问题，即为求解以下决策变量：1)分簇决策变量xij，当无线终端Ti被分配到位置CLj时，xij＝1，否则为0；2)Mesh路由器/网关部署决策变量rj，当位置CLj部署有一个Mesh路由器/网关，rj＝1，否则为0；3)Mesh网关部署决策变量ej，当位置CLj部署有一个Mesh网关时，ej＝1，否则为0；4)无线Mesh路由器/网关连接决策变量yjl，当位置CLj、CLl部署有Mesh路由器/网关，且bjl＝1时，则yjl＝1，否则为0；建立各项优化目标数学描述模型为：1)部署成本模型subjectto：
【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，程良伦，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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