CN101969696B - 一种无线AdHoc网络多数据源资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种对无线AdHoc网络多数据源资源分配方法，设置数据源节点调节单元、干扰区域计算单元和任务目的节点反馈单元，根据任务质量确定任务待调整等级、确定任务内各数据流实际带宽与期望带宽的偏差、根据偏差动态调整资源效用函数，按单位资源效用分配数据流子流带宽，最后寻求网络支持的最优源节点发送速率。本发明的资源分配模型能够描述构成任务的各数据流之间的依赖关系，能够让接收端对实际带宽分配结果进行评价并把评价结果带入下一次分配，使分配手段有利于任务质量提高，克服原解决方案中独立数据流静态的资源效用函数没有体现联合协作下任务的质量信息的缺陷，最终提高网络利用率。并且，本发明具有自动弹性自适应各种大小网络规模的优势。

Description

一种无线AdHoc网络多数据源资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及无线Ad Hoc网络多数据源资源分配方法。

背景技术

进入二十一世纪，伴随着全球信息化和数字化进程的逐步深入，无线网络技术获得了迅猛发展，无线网络技术承载的各种多媒体业务类型已深入到社会生活的各个方面，扩展了传统的网络应用模式。高效的音视频压缩格式、价格低廉的高清网络摄像头和灵活组网的Ad Hoc网络，延展了人们可视、可听、可控场景，为现场新闻发布会、安防监控等新兴应用提供了必要的基础。因此，如何提高网络服务模式对新兴应用的支持越来越受到广泛重视。

Carnegie Mellon大学的研究者1999年，首次提出网络提供服务的源节点之间存在依赖关系，需要对各应用资源进行整体规划，提高网络利用效率。并指出存在一些复杂的网络应用依赖提供服务的多个源节点之间相互协作，但目前缺乏相应的网络服务模式。并定义任务是需要多个网络节点联合协作的复杂应用。例如：不同位置的网络摄像头依据空间相关性“拼接”合成一幅完整的监控画面对一个监控区域联合进行监控的场景，如图1所示。S1、S2、S3和S4都是提供服务的源节点，其中S1和S2是摄像头，S3是雷达，S4是麦克风。M1、M2和M3是不同需求的监控，通过Ad Hoc网络中的无线节点取得服务。多摄像头联合工作，克服单一摄像头取景空间局限性，扩展目标监控范围，提高监控任务质量。

视觉认知心理学研究发现，整体图像主观质量取决于画面质量最低的部分。图像整体质量与图像分块之间存在一定约束关系，因此，对存在多数据源联合协作工作的网络，需要具备相应的网络服务方式，保证任务完成的质量。

协作的概念受到越来越多的重视，协作的思想与网络朝着自组织、自调节、自动化、智能化的方向发展相吻合，越来越受到研究界的重视。

对多数据流联合协作关系的研究一直延续到二十一世纪初才有进一步的发展，原因主要有2个方面，第一，多数据协作优化是NP难问题；第二，网络设备及音视频采集处理单元仍比较昂贵。随着各种设备价格越来越低、体积越来越小，自组织无线Ad Hoc网络满足了需要灵活组网的多数据源联合协作的任务要求。对基于任务协作的Ad Hoc网络服务模式的研究引起了国内外多家研究机构的重视。

2008年，宾夕法尼亚州立大学和IBM研究院[3]首次给出基于任务协作无线Ad Hoc网络带宽资源分配模式。2009年至2010年针对多节点协作任务在应用过程一些特定场景，出现了一系列研究成果。但这些技术都没有进一步分析当各数据源与任务之间的存在依赖关系如何提高任务质量。但是，随着网络任务的复杂化，任务同时需要多个无线节点数据流协同工作，各数据源共同决定协作任务用户的感官质量。在现有网络控制机制下，各数据流带宽之间的平衡关系容易被外界打破，部分数据流带宽缺失造成整个任务质量下降或失败，成为制约网络服务质量提高的重要因素之一。

因此，优化多数据源联合协作的Ad Hoc网络控制机制的任务亟待进行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种面向多数据源联合协作的无线Ad Hoc网络最优资源分配技术，用于提高存在协作关系的多数据源任务质量，和提供系统最优的资源分配方案。

本发明要解决的技术问题是提供一种无线Ad Hoc网络多数据源资源分配方法，从作为发送端的多个源节点分别向同一个作为接收端的任务目的节点发送探测包，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；在每个源节点设置一个数据源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域计算单元，在任务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各个源节点分别向任务目的节点发出前向数据包、从任务目的节点向各个源节点分布发出反向数据包，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计算单元进行以下处理，

步骤1.1，获得干扰区域内的各前向数据包内的分级子流带宽大小和效用值；

步骤1.2，根据干扰区域支持的服务速率，按照单位资源效用从大到小的顺序给分级子流分配带宽资源，直至干扰区域内的资源分配完毕，所述单位资源效用通过步骤1.1所得分级子流带宽大小和效用值得到；

步骤1.3，统计所有源节点分别提供的数据流在干扰区域内分配得到的带宽资源等级，把其填入到前向数据包；

当前向数据包到达任务目的节点后，由任务目的节点反馈单元进行以下步骤，

步骤2.1，根据任务完成质量，选出带宽资源等级尚不满足但按目前网络条件最易达到的任务等级，作为本轮中待调整任务等级；

步骤2.2，确定待调整任务等级内各数据流实际带宽与期望带宽的偏差，把偏差调整方向和待调整任务等级的级数填入到反向数据包，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3.1，从反向数据包中，获得偏差调整方向和待调整任务等级的级数；根据偏差调整方向和对应的待调整任务等级执行动态调整资源效用函数，对资源效用函数的调整包括增加带宽、减少带宽和保持带宽；

步骤3.2，更新保存新的带宽资源和资源效用函数数值；

步骤3.3，把新的带宽资源和资源效用函数数值填入待发送的前向数据包，按照收到的反向数据包的任务等级确定本轮的发送速率。

本发明有以下优点：

首先，本发明引入了任务质量的评价参数，并纳入带无线Ad Hoc网络最优分配模型中，时能资源分配模型能够描述构成任务的各数据流之间的依赖关系。

其次，本发明特别适用于以多数据流相互协作构成的网络应用，可以提高网络资源有效利用率。

最后，本发明不依赖集中控制单元，网络优化的过程完全是分布式处理的，符合Ad Hoc网络的特性，具有自动弹性自适应各种大小网络规模的优势。

附图说明

图1为多数据源传输示意图；

图2为本发明实施例的系统结构原理图；

图3为本发明实施例的工作流程图。

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，针对多数源联合协作组成任务的网络应用，提供技术方案使带宽资源分配结果同时满足提高任务质量和网络利用率最优。

目前，资源分配的最新方法主要依靠资源-效用函数描述应用对资源分配的满意度，再通过求解非线性优化问题得到网络资源的分配结果。采用资源效用函数的原因是：资源效用函数描述的是数据流对所分配带宽的满意程度，不同类型应用的曲线形状已有西门子等大型研究机构专门进行研究。本发明沿用现有最新的研究成果，采用离散效用函数形式，把任务的资源效用分级，每一级内各数据流带宽与效用的关系一一对应。每条数据流把资源效用函数近似为轮廓凸的曲线，再分段线性化。

虽然现有的资源效用函数在优化网络负载效果明显，但仅适用于数据流独立竞争网络资源的场合。当多数据源联合协作完成任务时，网络链路长度、干扰区域拥塞程度等网络参数严重影响任务完成质量。因此，本发明提供了解决思路：根据任务完成质量动态修正独立的数据流静态资源效用函数，目的是让任务接收端对实际获得结果进行评价，然后把评价结果带入下一次分配的方式，使分配手段有利于任务质量提高，克服原解决方案中独立数据流的静态的资源效用函数没有体现联合协作下任务的质量信息的缺陷，最终提高网络利用率。

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。参见图1，实施例中多个数据源经Ad Hoc网络中的n个干扰区域向任务目的节点提供服务。干扰区域价格计算单元1、干扰区域价格计算单元2、干扰区域价格计算单元n-1、干扰区域价格计算单元n，以及多个数据源节点调节单元、任务目的节点反馈单元都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：u_m，s(j)表示数据任务m中数据源s的分级子流j的效用值。

定义：b_m，s(j)表示数据任务m中数据源s的分级子流j的带宽大小。

定义：avb_q表示干扰区域q支持的带宽资源。

定义：A_j，s表示任务质量表格内分级子流s的分层等级j的带宽是否满足任务需要。

起始阶段

1.无线节点拓扑结构。

根据被监控目标的大小和移动范围决定数据源无线节点的放置地点和分布密度。例如：监控一条走廊，可以根据单个摄像头的监控有效区域依次放置无线视频采集节点(数据源节点)，整个无线节点成链式分布；当监控一个会场，可以把无线视频采集源节点布置成环形分布。同时，根据音源方位和强弱决定音频采集无线节点的个数和密度。再根据无线节点的发送范围和任务目的节点方位合理布置中间传输节点。这样，多个数据源采集后数据流通过多跳无线节点汇聚到任务目标节点。

2.确定数据源节点、干扰区域计算节点和任务目的节点。

当整个无线网络构成之后，无线节点相互通信获得邻居节点空间分布信息，在探明网络结构之后，自动构成源节点、干扰区域计算节点和任务目的节点。

3.数据源节点确定分级子流等级。

根据数据源节点采集的数据类型(比如：音频流、视频流)建立带宽-效用分级离散表示数据。效用表示业务增加该级别带宽后用户的满意程度数值。分级的级数与音视频支持的编解码技术相关也与网络容量大小相关。一般来讲，分级级数越细，网络带宽分配粒度越小也更精确，但会带来大量的网络开销，4级的分级总数基本满足实际需要。

可以根据实际无线节点性能和编解码技术设定不同的分级数目，在本发明实施例中分级总数为4级。在本实例中用u_m，s(j)表示数据任务m中数据源s的分级子流j的效用值，u_m，s(1)表示基本级的效用值，u_m，s(4)表示最高级的效用值。b_m，s(j)表示数据任务m中数据源s的分级子流j的带宽大小，b_m，s(j)一般是固定值，取值依据采用不同的编码类型而不同，效用的数值一般通过实验取经验值，但必须满足

表示任务m中数据源s的分级子流j的单位带宽的效用值，在经济学中，单位资源效用说明了资源分配的效率，上面的不等式表示等级1的带宽利用效率最高，等级4的带宽利用效率最低。

执行阶段

实施例在执行阶段的流程参见图3：

步骤1.1，获得干扰区域内的各前向数据包内的分级子流带宽大小b_m，s(j)和效用值u_m，s(j)。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可以用字段“th子流带宽”和“th子流效用”表示数据流分级子流带宽及效用数值大小，例如“1th子流带宽”和“1th子流效用”、“2th子流带宽”和“2th子流效用”...“

th子流带宽”和“

th子流效用”，

等于分级子流的总数。类似的，前向数据包经过的干扰区域依次标识为“1th干扰区域”、“2th干扰区域”...“

th干扰区域”，

等于干扰区域的总数。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数据流分级子流带宽b_m，s(j)及效用数值大小u_m，s(j)。下面是实施例的前向数据包协议格式。

Packet head标识数据包的开始，Packet end标识数据包的结束。

步骤1.2，根据干扰区域支持的服务速率avb_q，按照单位资源效用从大到小的顺序给子流分配带宽资源，直至干扰区域内的资源分配完毕。

干扰区域支持的服务速率由IEEE 802.11协议具体决定，最大不超过链路容量。分配的原则是：按照流经干扰区域的分层子流对带宽利用率从高到低的原则分配带宽资源。

实施例中，首先统计进入干扰区域所有数据流，找出单位资源利用率最高的那个分层子流，表示方式为：确定对应的数据任务m数据源s的分级子流j。如果可分配带宽资源满足分层子流需要，即：avb_q≥max{b_m，s(j)}，则分配带宽给当前单位效用最大的数据流子流，即：avb_q＝avb_q-b_m，s(j)。把已分配数据流子流从待分配分配子集中去掉，再次选择剩余子流中带宽利用率最大的子流，直到所有干扰区域共享资源分配完毕。

步骤1.3，统计数据流在干扰区域内得到的带宽资源等级，把其填入到前向数据包。

实施例中，干扰区域计算单元把资源分配结果以广播的形式发送给附近的无线节点，无线节点收到更新的信息后，把本干扰区域分配所得的子流等级填入前向数据包“

th干扰区域可支持子流等级”数据段，作为带宽资源等级。从而完成了一次干扰区域新的资源分配和信息更新。具体实施时，根据步骤1.2给子流分配的带宽资源确定子流等级，可以采用现有技术，例如平均分配或者参照权威期刊提供的分级数据，目前主要分级依据是视频流的可分级编码。

当前向数据包途经双向数据链路上的各干扰区域到达任务目的节点后，由任务目的节点反馈单元将前向数据包中信息取出，并进行以下步骤：

步骤2.1，按照根据任务完成质量，按照最小逼近原则确定本轮中待调整的任务等级；

数据流接收端的作用是把所有源节点提供的数据流总汇成一个综合的任务。任务是由多个数据流相互联合协作完成的一个网络应用。任务的质量不是由单独的数据流质量决定，而是取决于任务内所有数据内的相互关系，所以任务目的端首先建立一张任务质量表格。假设数据任务m由5个数据源提供的5条数据流组成，数据流也可采用数据源同样的s标记，每条数据流按带宽不同分为4级，把收到数据流按获得带宽不同填入任务表格。

级别	Flow1	Flow2	Flwo3	Flow4	Flow5
						4	0	1	0	2	2
3	0	1	1	2	2
						2	1	2	2	2	2

1

2

2

2

2

2

任务等级主要是人对(画面、音质)的感官主观判断，实施前可以事先对网络提供带宽感官分级，或评判分级。现在网络上用所有数据流效用的累加进行任务分级。

实施例用A_j，s表示任务质量表格内各个元素。A_j，s有3种表示形式，用来指示收到的数据流情况。A_j，s＝0表示对于数据任务m数据流s不满足等级为j的要求；A_j，s＝1表示对于数据任务m数据流s刚好满足等级为j的任务需要；A_j，s＝2表示对于数据任务m的数据流s大于等级为j所需要的带宽。对于一个由5个数据流组成的数据任务m，任务质量表格中行向量指示任务可划分的等级。在本实施例中，j＝4，表示采用4种不同的任务等级；s＝5表示任务m是由5个数据流工作组成。

根据收到的数据流具体带宽资源，更新任务质量控制表格A_j，s。按照最小逼近原则找出需要调整的任务等级。最小逼近原则是在任务质量表格中按行搜索，选出行元素中“0”的个数最少的那一行，作为待调整任务等级。因为实际任务目的节点收到的各数据流并不是恰好满足任务某一等级，我们希望找到某一任务等级，该任务等级内的数据流虽然不满足任务需要，但差异最少。这样选择的好处是：被调节的数据流个数最少，对网络影响最小。

步骤2.2，确定任务等级内各数据流实际带宽与期望带宽的偏差，把偏差调整方向和任务等级数值填入到反向数据包，并将反向数据包沿前向数据包的传输路径反向发回。

实施例的反向数据包相应各字段表示如下：

Packet header

数据流s标志

待调整等级j

增减带宽信息

Packet end

在选定任务需要调整的任务等级为j情况下，反馈相应调整信息给数据源。实施例实现方式为：1)如果A_j，s＝2，则需减少带宽，在“增减带宽信息”数据段填入“10”；2)如果A_j，s＝0，则需要增加带宽，在“增减带宽信息”数据段填入“00”；3)如果A_j，s＝1，则仅需保持该带宽大小，在“增减带宽信息”数据段填入“01”。再由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，参见图3：

步骤3.1，从反向数据包，获得数据流偏差调整方向和任务等级信息。根据偏差调整方向和对应的任务等级执行动态调整资源效用函数。资源效用函数的调整主要有增加带宽、减少带宽和保持带宽3个不同的方法。

具体实施中，根据收到的数据包内数据段信息不同，进行不同的操作。

1)当“增减带宽信息”是“00”。设任务流m中数据源s的分级带宽需调节级别为j，需要增加带宽级别到j+1。则这两级效用之差为u^scale＝u_m，s(j+1)-u_m，s(j)，

其中，k为任务中效用级别的最大数。

调整方法为：(1)当l为需要调整的子流级别，且l比j等级低时，则新的效用值为原效用值减去j与l的之差与u^scale的乘积。用公式表示为：u_m，s(l)＝u_m，s(l)-(j-l)u^scale。(2)当l为需要调整的级别，且l比j等级高时，效用值不变。

2)当“增减带宽信息”是“10”。设任务m内数据源端s的带宽原始级别为j，需要减低带宽级别到j-1。则这两级效用之差为u^scale＝u_m，s(j)-u_m，s(j-1)，

其中，k为任务中效用级别的最大数。

调整方法为：(1)当l为需要调整的级别，且l比j等级低时，新的效用值为原效用值减去j与l的之差与u^scale的乘积。用公式表示为：u_m，s(l)＝u_m，s(l)-(j-l)u^scale。(2)当l为需要调整的级别，且l比j等级高时，效用值等于u_m，s(j)。

3)当“增减带宽信息”是“01”。需要稳定带宽，避免网络资源再分配失去已有带宽份额。设任务m中数据流源端s的带宽原始级别为j，j+1为相邻高一级带宽。设u^sacle＝u_m，s(j)-u_m，s(j+1)，

其中，k为任务中效用级别的最大数。

调整方法为：(1)当l为需要调整的级别，且l比j等级低时，新的效用值为原效用值减去j与l的之差与u^scale的乘积。用公式表示为：u_m，s(l)＝u_m，s(l)-(j-l)u^scale。(2)当l为需要调整的级别，且l比j等级高时，效用值等于u_m，s(j)。

步骤3.2，更新保存新的带宽资源和效用函数数值；

实施例把更新的结果填入调整过的u_m，s(j)和b_m，s(j)，并保存在数据源s的一张表格中，表格的格式表示如下。最左边一列表示数据流分级级数，右边两列表示对应的分层子流带宽大小和效用值。

步骤3.3，把新的带宽资源和效用函数值填入待发送的前向数据包。按照收到的反馈包的任务等级确定本轮的发送速率，并发送数据包。

实施例填入对应的调整过的b_m，s(j)和u_m，s(j)到前向数据包内。按反向数据包内携带的任务等级j确定数据源端发送速率，并发送前向数据包。

说明：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网络多数据源资源分配方法，其特征在于：从作为发送端的多个源节点分别向同一个作为接收端的任务目的节点发送探测包，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；在每个源节点设置一个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计算单元，在任务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各个源节点分别向任务目的节点发出前向数据包、从任务目的节点向各个源节点分布发出反向数据包，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计算单元进行以下处理，

步骤1.1，获得干扰区域内的各前向数据包内的分级子流带宽大小和效用值；

步骤1.2，根据干扰区域支持的服务速率，按照单位资源效用从大到小的顺序给分级子流分配带宽资源，直至干扰区域内的资源分配完毕，所述单位资源效用通过步骤1.1所得分级子流带宽大小和效用值得到；

步骤1.3，统计所有源节点分别提供的数据流在干扰区域内分配得到的带宽资源等级，把其填入到前向数据包；

当前向数据包到达任务目的节点后，由任务目的节点反馈单元进行以下步骤，

步骤2.1，根据任务完成质量，选出带宽资源等级尚不满足但按目前网络条件最易达到的任务等级，作为本轮中待调整任务等级；

步骤2.2，确定待调整任务等级内各数据流实际带宽与期望带宽的偏差，把偏差调整方向和待调整任务等级的级数填入到反向数据包，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3.1，从反向数据包中，获得偏差调整方向和待调整任务等级的级数；根据偏差调整方向和对应的待调整任务等级执行动态调整资源效用函数，对资源效用函数的调整包括增加带宽、减少带宽和保持带宽；

步骤3.2，更新保存新的带宽资源和资源效用函数数值；

步骤3.3，把新的带宽资源和资源效用函数数值填入待发送的前向数据包，按照收到的反向数据包的任务等级确定本轮的发送速率。

Images