一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法技术

本发明专利技术提供了一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法，涉及通信技术领域，构建毫米波回传网络的无向多图，并将无向多图转化为有向多图，再将有向多图转化为有向简单图，基于有向简单图构建流网络图，并利用Push‑Relabel算法计算流网络图中的最小花费最大流，利用计算所得的最小花费最大流确定每个回传链路上的实际回传工作时隙数，从而在最大化网络回传数据量的基础上最小化全网回传能耗，解决了密集部署毫米波网络中吞吐量最大化的同时能量最小化的回传路径规划问题，节省了网络能耗，使得网络中的毫米波微基站能够将业务通过多条路径回传至多个网关，实现过程简单，能很好地适用于单网关和多网关的场景。

A return path planning method based on flow network in millimeter wave networks

The invention provides a millimeter wave network in return flow path planning method based on network, relates to the communication technology field, construction of millimeter wave backhaul network undirected multigraph, and undirected multigraph into a directed multigraph, then to map into a directed graph, based on the construction of network flow graph simple graph, and calculate the minimum cost maximum flow network diagram by using Push Relabel algorithm, using the calculated minimum cost maximum flow is determined for each of the actual return return link slot number, thus the whole network energy consumption minimization based on the maximum return return amount of data on the network, to solve the densely deployed return path planning the problem of energy minimization in the maximum throughput of millimeter wave network at the same time, saving the network energy consumption, making the network in millimeter wave micro base station can business by road The path is transmitted back to the gateway at most, and the implementation is simple and can be well applied to the scene of single gateway and multi gateway.

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法
本专利技术涉及通信
，尤其是一种回传路径规划方法。
技术介绍
在5G移动通信系统中，毫米波通信因具备大带宽、高定向等突出优势而成为5G网络回传以及用户接入的关键技术之一。在5G回传网络中，支持海量数据传输的路径规划并在此基础上降低回传网络的能耗，对于5G回传网络具有重要意义。一方面，随着用户数据量需求呈指数型增长，如何将大量用户的海量数据回传至核心网，或者将核心网的数据传输至网络用户，支持海量数据回传的路径规划问题变得非常重要；另一方面，在超密集部署的毫米波微小区网络中，毫米波微基站的个数大幅增加，网络能耗的相应提升使得网络在保证回传业务需求的基础上需要尽量的最小化回传网络能耗。与传统的无线自组织网络不同，毫米波微小区网络中各基站通常是部署在终端设备密集、业务需求巨大、安装环境较好的市区，从而保证毫米波基站的能源供应和修理维护。因此，毫米波微小区网络回传路径的设计与规划时，规划与设计支持回传业务最大化的路径是5G毫米波微小区网络建设中面临的首要挑战，在此基础上实现回传能耗最小化、提高网络能效也是5G毫米波微小区网络设计的目标之一。对5G毫米波网络回传技术的现有研究主要分为两种：(1)全光纤回传，该技术有传输速率高、可靠性好等显著优势，但由于其高部署成本在密集部署的毫米波微小区基站网络中是不适用的；(2)光纤与毫米波链路混合回传，部分毫米波微基站通过光纤与核心网连接(称连接光纤的毫米波微基站为网关节点)，其他未与光纤连接的毫米波微基站通过毫米波链路以多跳的方式将数据回传至网关；这种回传方式具有容易部署、低成本等优势。需要指出的是，为均衡网络负载、提高网络吞吐量，在光纤与毫米波链路混合回传技术中，通常部署多个网关节点以均衡网络负载，提升网络容量。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，在本专利技术技术方案中假设网关节点的个数为M，毫米波微基站的个数为N；网关节点在具备毫米波无线通信能力的同时，通过光纤连接的方式将回传数据传输至核心网络，而毫米波微基站仅仅具备毫米波无线通信能力而并没有光纤连接。此外，毫米波微基站通过波束成型技术，在相邻毫米波微基站之间、以及毫米波微基站与网关之间形成高定向性的多个波束。基于图论模型，可将网络中的毫米波微基站以及网关建模为网络图中的节点，将相邻毫米波微基站之间、以及毫米波微基站与网关之间的K条毫米波链路，建模为网络图中相邻节点之间的K条边，从而毫米波小区网络可被建模为一个无向多图。本专利技术主要包括四个部分：(1)构建毫米波回传网络的无向多图，并将无向多图转化为有向多图；(2)将有向多图转化为有向简单图；(3)基于有向简单图构建流网络图，并利用Push-Relabel算法计算流网络图中的最小花费最大流；(4)利用计算所得的最小花费最大流确定每个回传链路上的实际回传工作时隙数，从而在最大化网络回传数据量的基础上最小化全网回传能耗。下面分别介绍以上四个部分的内容：1、构建毫米波回传网络的无向多图，并将无向多图转化为有向多图。基于图论将毫米波回传网络构建为无向多图，之后对网络中的节点和边进行等效变换，将无向多图转化为有向多图。2、有向多图转化为有向简单图。在图中增加虚拟流入节点、虚拟流出节点及虚拟边将有向多图转化为有向简单图。3、基于有向简单图构建流网络图，并计算流网络图的最小花费最大流。增加虚拟源节点、虚拟目的节点及虚拟边，同时对图中各个边的容量、花费属性赋值。利用Push-Relabel方法计算求解流网络图的最大流值、最小花费值及各边边上的流值。4、确定回传路径及其上的回传时隙数、网络回传业务量及能耗。根据求得流网络图中各边上的流值确定毫米波网络中回传路径规划结果及各毫米波微基站与毫米波微基站之间或毫米波微基站与网关之间的毫米波链路上回传时隙数、全网的回传业务量和回传能耗。本专利技术中的各步骤既适用于代表网络中任意两个毫米波微基站的节点和也适用于代表网络中任意毫米波微基站与其相邻网关的节点si和gj，为简化描述，本专利技术中主要以和为例描述。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案的详细实施步骤如下：步骤1：构建毫米波回传网络的无向多图，并通过步骤1.1、1.2将无向多图转化为有向多图，之后转入步骤2；令表示毫米波回传网络，其中表示网络中的微基站和网关集合，表示网络中相邻微基站之间的边集合，步骤1.1和步骤1.2详细描述如下：步骤1.1：将无向多图中所有相连的两点分别变换为由入节点和出节点组成的节点集之后转入步骤1.2，令其中，是回传网络中基站的接收模块，是基站的发送模块，N为毫米波微基站的个数；步骤1.2：连接由入节点到出节点的有向边由入节点到出节点的有向边令删除原间的无向边同时连接由出节点到入节点的有向边由出节点到入节点的有向边即形成有向边边集之后转入步骤2，其中，对应于回传网络中基站各自的接收模块到发送模块的物理线路；步骤2：将有向多图转化为有向简单图首先按照步骤2.1为有向多图中的各节点添加虚拟流入节点和虚拟流出节点，并对应的连接虚拟流入节点到该节点的边和该节点到其虚拟流出节点的边，其次按照步骤2.2进行边的转化，之后转入步骤3，其具体变换步骤如下：步骤2.1：为有向多图中的节点添加k个虚拟流入节点令为节点分别添加k个虚拟流出节点之后转入步骤2.2；令其中，增加的k个分别对应于回传网络中形成k个波束的射频模块；步骤2.2：删除节点到节点的有向边同时连接由节点到节点的有向边由节点到节点的有向边和由节点到节点的有向边即组成的边集为删除节点到节点的有向边同时连接由节点到节点的有向边由节点到节点的有向边和节点到节点的有向边即组成的边集为之后转入步骤3；令：其中，的元素是回传网络中基站各自的发送模块到射频模块的部分，中的元素即代表回传网络中相邻两基站间的k条毫米波链路；步骤3：基于步骤2所得到的有向简单图构建流网络图，并计算流网络图的最小花费最大流；首先，根据步骤3.1增加虚拟源节点、虚拟目的节点及相应的虚拟边，其次根据步骤3.2和步骤3.3对各边的容量、费用属性赋值并计算流网络图的最小花费最大流，之后转入步骤4；基于有向简单图构建流网络图过程的具体步骤如下：步骤3.1：在有向简单图中增加虚拟源节点x和虚拟目的节点y，同时添加x到的边和网关节点gj的虚拟出节点到y的边之后转入步骤3.2；令：其中，M是网关节点个数；将虚拟源节点x看作是回传网络中所有用户合并而成的一个点，该点负责向各发送各自所产生回传负载；将y看作核心网，从而将中的元素认为是用户至各个基站的接入链路，将中的元素认为是网关到核心网的光纤链路，将转化后的有向简单图表示为其中：x、y表示网络的虚拟源节点和虚拟汇节点，表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的虚拟出节点集合，表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的虚拟入节点集合，表示网关节点gj(1≤j≤M)的虚拟出节点集合，表示网关节点gj(1≤j≤M)的虚拟入节点集合；表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点集合，表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点集合，表示网关节点gj(1≤j≤M)的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点集合，表示由网络虚拟源节点x到毫米波微基站的虚拟入节点的边集合，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：构建毫米波回传网络的无向多图，并通过步骤1.1、1.2将无向多图转化为有向多图，之后转入步骤2；令

【技术特征摘要】
1.一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：构建毫米波回传网络的无向多图，并通过步骤1.1、1.2将无向多图转化为有向多图，之后转入步骤2；令表示毫米波回传网络，其中表示网络中的微基站和网关集合，表示网络中相邻微基站之间的边集合，步骤1.1和步骤1.2详细描述如下：步骤1.1：将无向多图中所有相连的两点分别变换为由入节点和出节点组成的节点集之后转入步骤1.2，令其中，是回传网络中基站的接收模块，是基站的发送模块，N为毫米波微基站的个数；步骤1.2：连接由入节点到出节点的有向边由入节点到出节点的有向边令删除原间的无向边同时连接由出节点到入节点的有向边由出节点到入节点的有向边即形成有向边边集之后转入步骤2，其中，对应于回传网络中基站各自的接收模块到发送模块的物理线路；步骤2：将有向多图转化为有向简单图首先按照步骤2.1为有向多图中的各节点添加虚拟流入节点和虚拟流出节点，并对应的连接虚拟流入节点到该节点的边和该节点到其虚拟流出节点的边，其次按照步骤2.2进行边的转化，之后转入步骤3，其具体变换步骤如下：步骤2.1：为有向多图中的节点添加k个虚拟流入节点令为节点分别添加k个虚拟流出节点之后转入步骤2.2；令其中，增加的k个分别对应于回传网络中形成k个波束的射频模块；步骤2.2：删除节点到节点的有向边同时连接由节点到节点的有向边由节点到节点的有向边和由节点到节点的有向边即组成的边集为删除节点到节点的有向边同时连接由节点到节点的有向边由节点到节点的有向边和节点到节点的有向边即组成的边集为之后转入步骤3；令：其中，的元素是回传网络中基站各自的发送模块到射频模块的部分，中的元素即代表回传网络中相邻两基站间的k条毫米波链路；步骤3：基于步骤2所得到的有向简单图构建流网络图，并计算流网络图的最小花费最大流；首先，根据步骤3.1增加虚拟源节点、虚拟目的节点及相应的虚拟边，其次根据步骤3.2和步骤3.3对各边的容量、费用属性赋值并计算流网络图的最小花费最大流，之后转入步骤4；基于有向简单图构建流网络图过程的具体步骤如下：步骤3.1：在有向简单图中增加虚拟源节点x和虚拟目的节点y，同时添加x到的边和网关节点gj的虚拟出节点到y的边之后转入步骤3.2；令：其中，M是网关节点个数；将虚拟源节点x看作是回传网络中所有用户合并而成的一个点，该点负责向各发送各自所产生回传负载；将y看作核心网，从而将中的元素认为是用户至各个基站的接入链路，将中的元素认为是网关到核心网的光纤链路，将转化后的有向简单图表示为其中：x、y表示网络的虚拟源节点和虚拟汇节点，表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的虚拟出节点集合，表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的虚拟入节点集合，表示网关节点gj(1≤j≤M)的虚拟出节点集合，表示网关节点gj(1≤j≤M)的虚拟入节点集合；表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点集合，表示毫米波微基站si(1≤i≤N)的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点集合，表示网关节点gj(1≤j≤M)的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点集合，表示由网络虚拟源节点x到毫米波微基站的虚拟入节点的边集合，表示毫米波微基站虚拟入节点与虚拟出节点之间的边集合，表示由毫米波微基站的虚拟出节点到其第k条毫米波链路上的虚拟出节点的边集合，表示毫米波微基站的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点与虚拟流入节点的边集合，表示由毫米波微基站的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点到各自虚拟入节点的边集合，表示由毫米波微基站si的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点到网关节点gj的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点的边集合，表示由网关节点gj的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点到虚拟入节点的边集合，网关节点gj的虚拟入节点到虚拟出节点的边集合，表示有网关节点gj的虚拟出节点到网络虚拟汇聚节点y的边集合；步骤3.2：根据图中各点的位置及距离，计算网络中相邻节点之间的路径损耗Lloss、信噪比(SignalNoiseRatio，SNR)和传输能耗，之后转入步骤3.3；其中，相邻节点间毫米波链路的路径损耗Lloss计算方式为：式中，λ是毫米波波长，d是相邻毫米波微基站间的距离；节点信噪比SNR的计算方式为：其中，B为毫米波通信带宽，单位为赫兹Hz，R为相邻节点间的毫米波链路上的传输速率，根据传输损耗Lloss及SNR计算相邻节点间毫米波链路的传输功耗P的公式为：P＝SNR+Lloss+IL+Nth+NF-Gt-Gr...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫中江，马忠彧，李波，左晓亚，杨懋，杨博，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61