CN101699909B - 无线Ad Hoc网络资源动态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对无线Ad Hoc网络进行动态资源优化的调节方法，设置数据流源节点调节单元、干扰区域价格计算单元和目的节点反馈单元，执行获取干扰区域价格、获取链路动态调整价格、计算链路总体价格、计算链路净收益，最后寻求使净收益最高的发送速率，作为新的源节点发送速率。通过本发明，能够解决无线Ad Hoc网络动态不确定性问题，保证数据流业务都能得到最优的服务。本发明第一次提出在最优化的框架下考虑网络动态分配问题，使网络服务性能始终保持平滑过渡，最大限度减少了网络调节过程中的振荡，使控制效果具有更好的鲁棒性，从而使Ad Hoc网络服务质量性能得到提高。

Description

无线Ad Hoc网络资源动态调节方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及无线Ad Ho网络资源动态调节方法。

背景技术

无线Ad Hoc网络中端到端数据流量调节技术主要采用线性优化中的动态规划。这类技术延续有线网络Kelly优化网络资源的解决思想：在保证用户被服务公平性的基础上提高网络的整体效益。但是线性规划有两个假设条件：第一，假设被控的网络对象为简化的线性对象；第二，约束条件限制不足。

现有技术中的调节无线Ad Hoc网络资源的方法为静态资源优化法。无线Ad Hoc网络源端发送速率仅由发送包途径的链路拥塞状况决定。当数据包途径的链路拥挤，则增大相应链路的使用价格；源端根据目的端反馈回来的数据包，根据总链路的资源拥塞价格，调整源端发送速率。

这种方法的缺陷是：仅仅对稳定状态网络作容量限制，对调节过程中出现的超调量没有限制。这两个假设使网络条件发生变化时，调节优化的性能难以保证。因为无线Ad Hoc网络与有线网络相比，资源会多次分配，动态调整的时间也大大超过有线网络。发生的原因是：无限节点的移动，拓扑结构的改变，以及任务不断的加入和结束都使无线Ad Hoc网络具有更大的动态性。完善的动态调整技术可以使进入网络的容量保持在网络所能承受的范围之内，并且最大限度地提高网络的效率。反之，如果不考虑网络的动态过程，将使网络大幅震荡或者收敛速度缓慢。这样的网络控制方式，即使算法稳态时使网络运营效益很高，动态恶劣的服务效果也会使整体网络性能下降甚至不可以使用。通过考查国内国际的最新文献，可以发现无线Ad Hoc动态调节过程的研究并无相关的技术研究成果。本技术领域亟待能够客服现有技术缺陷的无线Ad Ho资源优化技术方案出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线Ad Hoc网络资源动态调节方法及系统，在无线网络资源动态调整中，用于提供平滑的调节效果和系统最优的资源调节方案。

本发明解决其技术问题，所提供的无线Ad Hoc网络资源动态调节方法采用以下的技术方案：发送探测包获得一个从发送端到接收端的双向数据链路，以及该链路途经的所有干扰区域；在作为发送端的源节点设置数据流源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域价格计算单元，在作为接收端的目的节点设置目的节点反馈单元；在该双向数据链路中，每一轮数据包传输包括从源节点向目的节点发出前向数据包、从目的节点向源节点发出反向数据包，每当进行一轮数据包传输时进行以下步骤，

当前向数据包进入某个干扰区域时，由该干扰区域的干扰区域价格计算单元进行以下处理，

步骤1.1，获得干扰区域内的各条端到端数据流的发送速率大小；

步骤1.2，确定干扰区域内的所有端到端数据流分别的子流个数；

步骤1.3，确定干扰区域支持的最大服务速率；

步骤1.4，根据当前干扰区域内所有子流与干扰区域支持的最大服务速率的关系，确定当前干扰区域在本轮中的干扰区域价格和超调量并加入前向数据包；

当前向数据包到达目的节点后，由目的节点反馈单元将前向数据包携带的其途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格和超调量放入反向数据包，并将反向数据包沿前向数据包的传输路径反向发回；

当反向数据包抵达源节点时，由数据流源节点调节单元进行以下处理；

步骤2.1，从反向数据包，获得前向数据包途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格和超调量；

步骤2.2，计算前向数据包途经所有干扰区域分别在本轮中的超调量之和，计算本轮中的超调量之和与上一轮所得超调量之和的差值；

步骤2.3，计算本轮的链路动态调整价格，确定依据为上一轮动态调整价格减去步骤2.2所得差值与调整步长的乘积；

步骤2.4，计算链路总体价格，链路总体价格＝前向数据包途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格之和+本轮的链路动态调整价格；

步骤2.5，计算链路净收益，链路净收益等于从数据流总效益中减去链路总体价格；

步骤2.6，寻求使链路净收益最高的发送速率，进行下一轮数据包传输时按照该发送速率发送前向数据包。

本发明有以下优点：

首先，本发明引入了动态价格。与现有技术相比，由于在价格因素中采用了动态价格，可以把每一次数据传输的调节效果都考虑进入下一轮，所以可以提高现有网络资源调整的准确性、提高调节过程的平滑性，实现网络资源的有效利用；

其次，由于本发明可以不依据任何其他控制单元，完全由源节点来确定下一轮发送速率，自动完成无线Ad Hoc网络的速率分配，弹性自适应各种大小的网络规模，对获得最优网络效益提供准确的依据；

最后，由于本发明实现过程不需要人员参与，所以可实现性强，提高了效率。

附图说明

图1为本发明实施例的干扰区域价格计算单元工作流程图；

图2为本发明实施例的原理图；

图3为本发明实施例的源节点调节单元工作流程图。

具体实施方式

本发明为了实现高性能的无线Ad Hoc网络资源规划，提供技术方案在调整无线网络资源时达到调整过程的动、静态优化。

本发明考虑到由于无线Ad Hoc网络由多跳节点自组织构成，每个源节点对网络资源允许的最优发送速率是根据目的节点反馈回来的数据包自适应调整的。发送速率的调整方案不同，产生的带宽需求不同，对网络服务质量的影响也不同。所以，应该制定一个可行的带宽分配方案，使调整过程平滑、快速地收敛到网络性能最优运行点，这样才能有效地利用网络资源。

因此本发明提出了解决思路：假设无线Ad Hoc网络中所有无线链路均为双向链路。源节点发送数据包在抵达目的节点的过程中，累计所需费用。目的节点通过反向数据包把价格信息反传给发送节点。在Ad Hoc网络中，各个无线发送节点对收到的链路反馈信息进行分析；把链路资源消耗情况和动态调节效果表达成非线性最优化问题；运用基于主-对偶的方法求解该优化问题。源节点调整的依据为：1)网络干扰区域资源利用状况；2)网络动态超调量。为此，本发明提出在发送探测包获得一个从发送端到接收端的双向数据链路，以及该链路途经的所有干扰区域；并在作为发送端的源节点设置数据流源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域价格计算单元，在作为接收端的目的节点设置目的节点反馈单元。在该双向数据链路中，每一轮数据包传输包括从源节点向目的节点发出前向数据包，以及从目的节点向源节点发出反向数据包。每当进行一轮数据包传输时，由干扰区域价格计算单元确定该干扰区域的价格和超调量，由目的节点反馈单元根据所有干扰区域价格计算单元生成结果产生反向数据包，最后由源节点调节单元根据接收到的反向数据包确定下一轮的发送速率，从而实现动态调节。

具体实施应用于无线Ad Hoc网络时，建议路由采用AODV协议实现，MAC层采用标准802.11实现，传输协议采用UDP实现。流源节点调节单元、一个干扰区域价格计算单元、目的节点反馈单元可以根据本发明技术方案，采用计算机软件技术实现。

以下结合附图和实施例说明本发明技术方案：

首先，为了表述准确方便理解，本发明实施例进行如下的定义。

定义：q为无线Ad Hoc网络内，某个物理区域上相互干扰的无线节点的集合，即干扰区域，并且这个干扰区域不完全属于任何其他的干扰区域。

定义：F为干扰区域q内所有端到端数据流组成的集合。

定义：f为干扰区域q内的一个端到端数据流，其速率大小表示为x_f，f∈F。

定义：

代表端到端数据流f在干扰区域q中的子流的个数，子流为端到端数据流f传输过程中某个单跳链路。

定义：μ_q(t)表示干扰区域q在本轮提供带宽服务的单位价格，即干扰区域价格。本轮用t时刻标记。

定义：R_f表示端到端数据流f的动态波动，为端到端数据流f中在干扰区域q中的所有子流的超调量之和。

定义：σ_q ²为干扰区域q的超调量。

参见图1，当前向数据包进入某个干扰区域时，由该干扰区域的干扰区域价格计算单元进行以下处理，

步骤1.1，当前干扰区域记为q，确定干扰区域q内的各条端到端数据流f的速率大小x_f。

具体实施时，端到端数据流的前向数据包在进入干扰区域时，前向数据包的协议格式中有一字段“源节点速率”指明了端到端数据流数值大小。因为无线数据包是以广播的形式发送的。所以干扰区域计算单元可以接收到干扰区域内前向数据包信息，获得每一条进入干扰区域的端到端数据流大小。x_f随前向数据包的到达数值大小会变化。干扰区域会把最新的数据记录下来。

步骤1.2，确定干扰区域q内的各条端到端数据流f分别的子流个数

具体实施时，每个子流的确定是在端到端数据流建立时，需要通过AODV协议探明路由路径。干扰区域计算单元传递该AODV协议时，就可以得到端到端数据流穿越的路径次数，也就是得到干扰区域内数据流子流个数

这个值在路由有效时一直不变，是个定值。干扰区域计算单元会自动保存下来。

步骤1.3，确定当前干扰区域q支持的最大服务速率C_q。

实施例中网络运行时，最大服务速率C_q由IEEE 802.11协议具体设定。是个定值，也可以在运行时再改变。

步骤1.4，根据当前干扰区域q内所有子流与干扰区域支持的最大服务速率的关系，确定当前干扰区域在本轮中的干扰区域价格和超调量，并加入前向数据包；

干扰区域价格确定方法为：根据各端到端数据流的子流个数R_qf与干扰区域支持的最大服务速率C_q，确定当前干扰区域在本轮中的干扰区域价格μ_q(t)。确定依据为干扰区域内子流总流量

与干扰区域支持的最大服务速率C_q之差，再用差值乘以调节步长β(t)，然后用当前干扰区域在上轮中的干扰区域价格μ_q(t-1)减去乘积。最后取结果和0之间较大者。因为价格不能为负，取值下限为0。用公式表示为：

其中，[a]⁺表示max{a，0}，β(t)是调节步长。β(t)是一个逐渐减少的值，即可保证调节收敛到系统全局最优值。推荐β(t)取值为本轮的轮数(或迭代计算次数)的倒数，设本轮为第t轮，即β(t)＝1/t。

干扰区域q超调量σ_q ²确定方法为，本轮的超调量

即干扰区域内子流总流量

与干扰区域支持的最大服务速率C_q之差，再取平方。

得到的干扰区域价格μ_q(t)和超调量σ_q ²(t)这两个参数放入前向数据包，可以按照UDP传输协议发送给干扰区域q内所有的端到端数据流。从而完成了一次干扰区域新的定价和信息传输。

当前向数据包途经双向数据链路上的各干扰区域到达目的节点后，由目的节点反馈单元将前向数据包携带的其途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格和超调量放入反向数据包，并将反向数据包沿前向数据包的传输路径反向发回。如附图2所示，实施例的前向数据包经过第一个干扰区域，由干扰区域价格计算单元1得到该干扰区域的干扰区域价格和超调量(μ₁(t)，σ₁ ²(t))，前向数据包携带(μ₁(t)，σ₁ ²(t))；经过第二个干扰区域，由干扰区域价格计算单元2得到该干扰区域的干扰区域价格和超调量(μ₂(t)，σ₂ ²(t))，前向数据包携带(μ₁(t)，σ₁ ²(t))和(μ₂(t)，σ₂ ²(t))…经过最后第n个干扰区域，由干扰区域价格计算单元n得到该干扰区域的干扰区域价格和超调量(μ_n(t)，σ_n ²(t))，前向数据包携带(μ₁(t)，σ₁ ²(t))和(μ₂(t)，σ₂ ²(t))…(μ_n(t)，σ_n ²(t))传送到目的节点反馈单元。目的节点反馈单元再将(μ₁(t)，σ₁ ²(t))、(μ₂(t)，σ₂ ²(t))…(μ_n(t)，σ_n ²(t))沿原路径反向传送给数据流源节点调节单元。

参见附图3，当反向数据包抵达源节点时，由数据流源节点调节单元进行以下处理；

步骤2.1，从反向数据包，获得前向数据包途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格μ_q(t)和超调量σ_q ²；

步骤2.2，计算前向数据包途经所有干扰区域分别在本轮中的超调量之和 $R_f\left(t\right)=\underset{q\∈Q\left(f\right)}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{\σ}}_q}^2.$ 这样一条完整端到端链路所有干扰区域的超调量之和，可以体现端到端数据流f动态波动程度。Q(f)：表示端到端数据流f穿越的干扰区域的集合。计算本轮中的超调量之和与上一轮所得超调量之和的差值，用公式可表示为：R_f(t)-R_f(t-1)。

步骤2.3，计算本轮的链路动态调整价格，确定依据为上一轮动态调整价格减去步骤2.2所得差值与调整步长的乘积。

用公式表示为：

λ_f(t)＝[λ_f(t-1)-β(t)(R_f(t)-R_f(t-1))]⁺

其中，[a]⁺表示max{a，0}，β(t)是调节步长，调节步长取值方法同步骤1.4。即确定依据为本轮中的超调量之和与上一轮所得超调量之和的差值，再乘以调节步长，然后从上一次动态价格减去该乘积，最后取结果和0之间较大者。因为价格不能为负，取值下限为0。

步骤2.4，计算链路总体价格，链路总体价格＝前向数据包途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格之和+本轮的链路动态调整价格。

步骤2.5，计算链路净收益，链路净收益等于从数据流总效益中减去链路总体价格。

由于每个干扰区域会对端到端数据流f按子流个数

收费，收费单价为那么，整条端到端链路单价就是各干扰区域价格之和，为

由网络效益函数U_f(x_f)减去本轮所求得链路的动态价格λ_f乘以本轮的发送速率x_f，再减去端到端链路干扰区域全部单价之和

与端到端的发送速率x_f的乘积。用公式表示为：

步骤2.6，寻求使链路净收益最高的发送速率，进行下一轮数据包传输时按照该发送速率发送前向数据包。

在源节点设备可以提供的x_f取值的范围之内，最优的发送速率为使φ_f取值最大的x_f。用公式表示为：

$x_f\left(t\right)=\underset{x_f\∈I_f}{\arg \max }\left\{{\mathrm{\φ}}_f\left(x_f\right)\right\}$

其中I_f表示端到端数据流f可以取值的发送速率范围。

为便于具体实施参考，以下提供了本发明实施例的信息传递方法：

起始阶段

由IEEE已有的标准路由协议ADOV发送探测包获得一个端到端双向数据链路，并获得链路途经的所有干扰区域及个数。

前向数据包传递阶段

(1)实施例的前向数据包结构如下表所示：

Packet header

源节点速率

1th(干扰区域价格，超调量)

…

nth(干扰区域价格，超调量)

Packet end

Packet header表示本发明有效数据包的起始；Packet end表示本发明有效数据包结束；

1th表示第一个干扰区域字段；nth表示第n个干扰区域字段。

(2)源节点调节单元采用起始阶段获得的数据链路，向目的节点发出一个前向数据包。在前向数据包中，源节点调节单元把上一轮数据计算后得到的新发送速率填入到字段“源节点速率”。

比较特殊的是：在初始阶段，源节点需要把理想的发送速率作为初始速率填入到数据包“源节点速率”字段中。其余字段填0。此时数据包形式如下表所示：

Packet header

xf(t)

(0，0)

…

(0，0)

Packet end

(3)前向数据包被传输出去后，沿路会经过数个干扰区域。当前向数据包进入某个干扰区域，该干扰区域价格计算单元会把得到的“干扰区域价格”和“超调量”告知给干扰区域内的所有无线节点。节点在转发数据包的时候，会把该干扰区域的“干扰区域价格”和“超调量”填入数据包对应字段中。例如：当数据包进入第一个干扰区域，数据包形式如下表所示：

Packet header

xf(t)

(μ1(t)，σ1 2(t))

…

(0，0)

Packet end

即是1th填入第一个干扰区域的“干扰区域价格”和“超调量”，其他2th…qth字段仍为0。

(4)前向数据包被传递的过程，也是字段陆续填入的过程。前向数据包在抵达目的节点之前，获得沿途所有干扰区域价格和超调量。前向数据包需要的信息全部获得，形式如下表所示：

Packet header

xf(t)

(μ1(t)，σ1 2(t))

…

(μn(t)，σn 2(t))

Packet end

反向数据包传递

(1)实施例的前向数据包结构如下表所示：

Packet header

1th(干扰区域价格，超调量)

…

nth(干扰区域价格，超调量)

Packet end

反向数据包与前向数据包的不同是没有“源节点速率”字段。

(2)目的节点反馈单元将所有沿途经过的“干扰区域价格”和“超调量”全部依次填入反向数据包，并将反向数据包沿原路径发送出去。然后反向数据包被沿路转发。直到反向数据包抵达源节点调节单元。源节点调节单元计算出最优的发送速率作为新的发送速率。这样完成一次完整的信息闭环反馈传递，达到资源优化动态自适应调节的目的。把新的发送速率x_f填入前向数据包中相应字段即可。每次确定下新的源端发送速率后，源节点调节单元就按照新的速率发送数据包。两轮数据包传输过程之间，前向数据包发送间隔时间与网络大小有关，可以根据网络大小，根据经验取值。由于Ad Hoc网络拓扑结构普遍较小，推荐采用的时间间隔为20ms。

此外，如果在调节过程中，无线Ad Hoc网路链路发生断裂，则重新探测可用路由，再从源节点调节单元采用新数据链路向目的节点发出一个前向数据包开始，继续循环。否则，可以设定自动调节一直运行下去。

以上实施例的说明只是用于帮助本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种无线Ad Hoc网络资源动态调节方法，其特征在于：发送探测包获得一个从发送端到接收端的双向数据链路，以及该链路途经的所有干扰区域；在作为发送端的源节点设置数据流源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域价格计算单元，在作为接收端的目的节点设置目的节点反馈单元；在该双向数据链路中，每一轮数据包传输包括从源节点向目的节点发出前向数据包、从目的节点向源节点发出反向数据包，每当进行一轮数据包传输时进行以下步骤，

当前向数据包进入某个干扰区域时，由该干扰区域的干扰区域价格计算单元进行以下处理，

步骤1.1，获得干扰区域内的各条端到端数据流的发送速率大小；

步骤1.2，确定干扰区域内的所有端到端数据流的子流个数；

步骤1.3，确定干扰区域支持的最大服务速率；

步骤1.4，根据当前干扰区域内所有子流与干扰区域支持的最大服务速率的关系，确定当前干扰区域在本轮中的干扰区域价格和超调量并加入前向数据包；

确定干扰区域价格具体方式为，干扰区域内子流总流量与干扰区域支持的最大服务速率之差，再用差值乘以调节步长得到乘积，然后用当前干扰区域在上轮中的干扰区域价格减去该乘积得到结果，最后取结果和0之间较大者；

确定超调量具体方式为，干扰区域内子流总流量与干扰区域支持的最大服务速率之差，再取平方；

当前向数据包到达目的节点后，由目的节点反馈单元将前向数据包携带的其途经所有干扰区域分别在本轮中的干扰区域价格和超调量放入反向数据包，并将反向数据包沿前向数据包的传输路径反向发回；

当反向数据包抵达源节点时，由数据流源节点调节单元进行以下处理；

步骤2.1，从反向数据包，获得前向数据包途经所有干扰区域在本轮中的干扰区域价格和超调量；

步骤2.2，计算前向数据包途经所有干扰区域在本轮中的超调量之和，计算本轮中的超调量之和与上一轮所得超调量之和的差值；

步骤2.3，计算本轮的链路动态调整价格，确定依据为上一轮链路动态调整价格减去步骤2.2所得差值与调整步长的乘积；

步骤2.4，计算链路总体价格，链路总体价格＝前向数据包途经所有干扰区域在本轮中的干扰区域价格之和+本轮的链路动态调整价格；

步骤2.5，计算链路净收益，链路净收益等于从数据流总效益中减去链路总体价格；

步骤2.6，寻求使链路净收益最高的发送速率，进行下一轮数据包传输时按照该发送速率发送前向数据包。