CN101977157A - 一种AdHoc网络异构多播业务流最优资源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AdHoc网络异构多播业务流最优资源控制方法，在作为多播业务发送端的多播业务源节点设置多播业务源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域资源分配单元，在作为多播业务接收端的多播业务目的节点设置多播业务目的节点反馈单元。执行记录需要分配的子流数目、记录多播业务分级带宽干扰次数、计算每层多播子流产生的总价格、计算所有多播业务子流链路总长度、更新每条多播业务分层子流出价信息、更新干扰区域资源价格。通过本发明，能够实现无线AdHoc网络系统异构多播业务流在动态环境下最优资源分配。本发明提高存在差异带宽期望的异构多播业务流网络服务质量，具有弹性自适应各种大小网络规模的优势。

Description

一种AdHoc网络异构多播业务流最优资源控制方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及无线Ad Hoc网络异构多播业务流最优资源控制方法。

背景技术

进入二十世纪九十年代，网络业务呈现出业务类型多样化的特点，各种应用已深入到人们日常生活的各个方面，并在当前社会与经济生活中发挥日益重要的作用。无线多媒体的发展尤其迅猛，而传输无线多媒体一个重要的网络支持是无线多播。无线多播在这样的应用背景下，越来越受到人们的重视。虽然网络设备性能和网络传输速度不断提高，但带宽成本和可用性仍是控制实施的主要障碍。因此需要设计合理的无线网络控制措施，满足网络传输的需求。

多媒体流数据量庞大，容易引发网络拥塞，甚至崩溃，无线多播最优资源分配策略是无线Ad Hoc网络的核心问题，具有极其重要的应用价值。本发明可促进带宽资源合理分配，减缓网络拥塞，提高可靠通讯，有着实质的研究意义。

无线Ad Hoc网络多播传输技术是由有线网络多播传输技术发展而来的。1989年SteveDeering首次提出了IP多播技术。其中的一种多播传输技术是数据分层控制方法，即在发送端将待传输的数据分层，由一个基本层和多个增强层组成，基本层提供基本信息，增强层提供进一步的信息，增强层数越多，传递的信息越多。基本层和增强层具有独立的发送速率，并使用独立的多播组分别发送基本层和不同的增强层。接收端根据自己的实际情况加入/离开某个多播组，接收基本层和增强层。IP多播技术基强制网络在数据投递树的分叉处进行信息包复制，而不是发送端多次重复发送同样的信息包。有线多播技术已经比较成熟，主要通过构造最优多播树和调节多播路由器输出队列保持高效的多播网络传输质量。

无线Ad Hoc网络下的多播技术由有线网络的多播技术发展而来。但是，构造最优多播树是NP完全问题，需要获得全局信息，这与Ad Hoc网络分布式网络特性相矛盾；无论构造的是单路径多播树还是多路径多播树，网络带宽使用都远远低于最优利用率。

目前最新的无线Ad Hoc网络多播控制技术是2009年提出的在无线分支节点采用局部信息进行速率调节的方法。具体思路是：在无线链路节点的时间间隔I_CheckQu内，通过判断转发节点输出队列数据包N_QuPkt长度变化预测拥塞。分支节点根据瓶颈链路队列长度预测拥塞，通过提前增减多播业务流附加层，改变带宽分配，可以预防拥塞、优化带宽资源。该技术的优势是不需要目的节点和源节点之间相互通讯，完全根据局部信息判断网络拥塞与否，增减多播层数。然而，该技术所设置的上下限阈值仅以队列长度来决定是否发生拥塞并不适用AdHoc网络。Ad Hoc网络存在节点分布密度不均衡、发送范围相互干扰等特征，仅仅依靠孤立的节点内静态的队列阈值不能准确判断网络拥塞。Li在2009年也明确指出“无线网络可用带宽是变化的，与Ad Hoc网络节点分布的密度、发送范围、干扰范围相关。”“由于空间干扰存在，拥塞与否不能仅由节点物理能力和流经该节点的数据流决定，而与整个干扰区域内数据流相关。”

除了局部信息调节方式，其余的无线Ad Hoc现有无线Ad Hoc网络多播业务解决方案还存在以下缺陷1)收敛迭代次数过多，适应静态或低速网络，不适用高速移动Ad Hoc网络；2)业务流单一，未考虑不同业务类型对带宽需求差异，平均分配带宽反而造成带宽浪费，严重阻碍网络性能的提高。为解决以上问题，本发明期望针对不同类型多媒体应用获得计算简便、适应性强的解决方法，进一步提高Ad Hoc网络的服务质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种适应不同类型多播业务流的资源调节方法，用于实现无线Ad Hoc网络系统异构多播业务流在动态环境下最优资源分配。

本发明为解决其技术问题，所提供的Ad Hoc网络异构多播业务流最优资源控制方法采用以下的技术方案：首先，多播业务源节点以广播的形式发起多播路由请求，根据多播路由发现过程建立相应的多播转发结构并明确所有多播路径途经的干扰区域；在作为多播业务发送端的多播业务源节点设置多播业务源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域资源分配单元，在作为多播业务接收端的多播业务目的节点设置多播业务目的节点反馈单元；等待接入多播业务的多播业务目的节点向多播业务源节点发出多播业务接入请求，沿途无线转发节点都存储这个多播业务接入请求，并继续沿多播路径反向传送，直至多播业务源节点调节单元收到这个多播业务接入请求；一个多播业务源节点提供的多播业务存在多个多播业务接收端时，多播业务源节点与每个作为多播业务接收端的多播业务目的节点分别建立起双向通信链路，通过双向通信链路进行传输的数据包，包括由多播业务源节点发出的前向数据包、由多播业务目的节点发出的接收端反向数据包，及由链路途经的干扰区域发出的干扰区域反向数据包；

当多播业务目的节点发出的接收端反向数据包进入某个干扰区域时，由该干扰区域的干扰区域资源分配单元进行以下步骤，

步骤1.1，干扰区域资源分配单元记录多播业务的单个分层子流在干扰区域内干扰次数；

步骤1.2，把步骤1.1所得单个分层子流在干扰区域内干扰次数写入接收端反向数据包，继续向多播业务源节点发送；

当接收端反向数据包抵达多播业务源节点时，由多播业务源节点调节单元进行以下步骤，步骤2.1，根据步骤1.1所得单个分层子流在干扰区域内干扰次数，计算每个分层子流产生的总价格；

步骤2.2，根据步骤1.1所得单个分层子流在干扰区域内干扰次数，计算所有多播业务分层子流链路总长度；

步骤2.3，把步骤2.2所得多播业务分层子流链路总长度和步骤2.1所得每个分层子流的总价格填入前向数据包中，并向所有多播业务目的节点发送；

当前向数据包由多播业务流源节点发出，到达某个干扰区域后，由该干扰区域的干扰区域资源分配单元进行以下步骤；

步骤3.1，干扰区域资源分配单元自动提取前向数据包中信息，更新每条多播业务分层子流出价信息；

步骤3.2，根据步骤3.1所得每条多播业务分层子流出价高低分配干扰区域内的共享资源，得到带宽分配信息，并更新干扰区域资源价格；

步骤3.3，把步骤3.2所得带宽分配信息和干扰区域资源价格填入干扰区域反向数据包，发送给多播业务源节点；

当干扰区域反向数据包抵达多播业务源节点后，由多播业务源节点调节单元进行以下步骤；

步骤4.1，多播业务源节点调节单元提取干扰区域反向数据包中的信息，并存储在多播业务源节点中；

步骤4.2，当分配时刻来临，多播业务源节点调整发送速率。

本发明有以下多种优点：

首先，本发明把多媒体多播业务用不同类型资源效用函数表达，并引入到无线多播非线性模型中，克服原有多播资源最优分配模型过于粗糙的缺陷。

其次，本发明本对无线空间干扰用干扰图作空间划分，不再采用现有多播资源分配策略中普遍单一输出队列长度，符合Ad Hoc网络空间信道干扰的特性；

并且，采用网络竞价机制，提高存在差异带宽期望的异构多播业务流网络服务质量。

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，具有弹性自适应各种大小网络规模的优势。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的系统结构原理图。

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，对多不同类型的无线多播业务需求，提供技术方案使带宽资源分配结果同时满足多播业务质量和网络利用率最优。

系统结构如附图2所示，在作为多播业务发送端的多播业务源节点设置多播业务源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域资源分配单元，在作为多播业务接收端的多播业务目的节点设置多播业务目的节点反馈单元。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。系统中的一个多播业务源节点调节单元、多个干扰区域价格计算单元、多个多播业务目的节点反馈单元，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1和实施例说明本发明技术方案：

多播业务源节点可以提供各种不同类型多播业务，实施例提供3种不同类型多播业务，包括视频传输、音频传输和文件传输，具体实施时可以根据需要细分。因为是由多播业务目的节点提出多播业务接入请求，默认多播业务目的节点已知多播业务的类型。

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。

多播业务源节点可以提供多个多播业务，一个多播业务目的节点也可以接收多个多播业务。实施例将某个多播业务记为m，某个多播业务目的节点记为n，(m，n)表示多播业务m发送到多播业务目的节点n。不同类型多播业务分层大小都不一样，每个多播业务可以分层发送，以适应网络不同环境，多播子流分层等级记为k。可以令m从1，2，...取值，每个编号代表一个多播业务。在同一个网络中，这个编号是唯一的。在网络建成后，多播业务会广播自己的多播类型和多播内容和多播业务标号。多播业务目的节点得到这个广播信息，就会要求加入标号为m的多播组。m在全网是唯一的，因此多播业务目的节点接收时查看m的号数，就知道这个广播消息属于哪个多播任务，什么类型。

定义：表示多播业务m的分层子流k带宽大小。

定义：

表示多播业务m的分层子流k在干扰区域j的干扰次数。

定义：代表多播业务m发送分层子流k在所有路径上产生的路径代价。

定义：y_j表示干扰区域j内带宽资源的带宽单位价格，也称资源的影子价格(ShadowPrice)。表示带宽资源每增加一个单位系统的收益，也可以说是带宽资源减少一个单位，系统损失的收益。y_j根据干扰区域内通过数据流大小，不断改变，反映供需变化。

定义：s表示某种类型的多播业务分层总数，分层总数s的数值与具体实施时设备和编解码有关，与多播节点和方向无关。

定义：n_m表示多播业务m发送到的多播业务目的节点总数。

定义：p表示从多播业务m至n_m个多播业务目的节点整条链路消耗干扰区域总数。

多播业务的接收节点不是固定的，接收节点自愿加入多播业务组，即成为多播业务目的节点。当有多播业务目的节点发出的接收端反向数据包抵达干扰区域j，由该干扰区域j的干扰区域资源分配单元进行以下处理，

步骤1.1，干扰区域资源分配单元记录需要分配的子流数目

由于多播在无线网络是以广播的方式传输，所有下游节点同时收到上游节点发送的信息，因此，同一发送节点仅需一次数据传输。干扰区域j的资源分配单元自动统计多播业务数据流的分层子流k带宽

产生干扰的次数，即多播业务m中通过干扰区域j内第k个分层子流需要分配的子流数目，记为

需要注意的是：在干扰区域内的某个节点需要向多于1个的下游节点发送多播业务分层子流时，该链路上干扰子流个数仅计算一次。

步骤1.2，把干扰区域j内分层多播业务分层带宽干扰次数，即步骤1.1所得子流数目

写入接收端反向数据包，继续向多播业务流源节点发送。实施例中，接收端反向数据包格式如下：

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

当接收端反向数据包抵达多播业务流源节点，由多播业务源节点调节单元进行以下处理，

步骤2.1，计算每层多播子流产生的总价格，即多播业务m发送分层子流k在所有路径上产生的路径代价。

总价格的计算方式是：累加多播分层子流在所有干扰区域内子流花费的总和。实施例计算方法是：先把多播业务单个分层子流k在干扰区域j内干扰次数

乘上干扰区域j的资源价格y_j，再累加从多播业务m至n_m个多播业务目的节点整条链路消耗所有干扰区域(即j取1～p)的价格。计算公式表达为：

步骤2.2，计算所有多播业务分层子流链路总长度

的计算公式为多播业务流所有分层子流在干扰区域内产生干扰的数据链路总长度。计算方法是：先计算每个干扰区域内多播业务单个分层子流干扰次数；再累加从多播业务目的节点至多播业务源节点整条链路分层子流总的干扰次数，即通过j取1～p累加整条链路消耗的所有干扰区域的多播业务单个分层子流干扰次数。

计算公式为：

步骤2.3，把步骤2.2所得多播业务分层子流链路总长度和步骤2.1所得每个分层子流的总价格填入前向数据包中，向所有多播业务目的节点发送。实施例的前向数据包格式如下：

当多播业务流源节点发出的前向数据包到达某个干扰区域j后，该干扰区域的干扰区域资源分配单元进行以下处理，

步骤3.1，干扰区域资源分配单元自动提取前向数据包中信息(即步骤2.2所得多播业务子流链路总长度和步骤2.1所得每个分层子流的总价格)，更新每条多播业务分层子流出价信息。

干扰区域资源分配单元在从前向数据包中解析出新的系统信息和后，计算多播业务分层子流的出价。实施例计算方法是：首先把多播业务分层子流单位效用值

乘以接收多播业务目的节点的数目n_m得到该多播子流的总效用，再得到总效用减去整条多播业务链路子流花费路径代价

的差值；然后把得到的值除以整条链路分层子流总的干扰次数；再加上一轮本干扰区域资源价格y_j，得到该多播业务分层子流出价

公式表示为： ${\mathrm{bid}}_{(m,n),j}^k=y_j+(\underset{n=1}{\overset{n_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{(m,n)}^k-{\mathrm{pp}}_{(m,n)}^k)/{\mathrm{cc}}_{(m,n)}^k.$

步骤3.2，根据步骤3.1所得每条多播业务分层子流出价

高低分配干扰区域内的共享资源，得到带宽分配信息，并更新干扰区域资源价格y_j。

干扰区域资源分配单元分配原则是根据子流出价高低分配带宽资源，直至所有带宽资源分配完毕。实施例这时，把本轮中干扰区域资源价格制定为得到带宽资源的多播子流最低出价，用公式表达为：

其中，

表示分配带宽不为0的多播业务子流。

步骤3.3，把步骤3.2所得带宽分配信息和新的干扰区域资源价格反馈给多播业务源节点。

每个干扰区域在带宽分配完毕后，把价格信息(即更新后的干扰区域资源价格y_j)和子流带宽分配信息反馈给多播业务源节点。实施例中，干扰区域反向数据包的协议格式如下：

当干扰区域反向数据包抵达多播业务流源节点，则由多播业务源节点调节单元进行以下处理，

步骤4.1，提取干扰区域反向数据包中的信息(价格信息y_j和子流带宽分配信息)，并存储在多播业务源节点中。

步骤4.2，当分配时刻来临，多播业务源节点调整发送速率。

由于网络结构和规模的不同，分配周期也有所不同。分配周期选择2s比较适合中等规模的无线Ad Hoc。在分配周期时间到，选择整条链路所有干扰区域允许的最低分层等级k_min作为多播最大分层等级，通过各干扰区域反向数据包指定了这个最低分层等级。调整达到的新发送速率等于多播业务流基本层带宽加上各分层带宽，其中多播分层等级最高为k_min。

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多播业务的广播前向数据包开始，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AdHoc网络异构多播业务流最优资源控制方法，其特征在于：

首先，多播业务源节点以广播的形式发起多播路由请求，根据多播路由发现过程建立相应的多播转发结构并明确所有多播路径途经的干扰区域；在作为多播业务发送端的多播业务源节点设置多播业务源节点调节单元，在每个干扰区域设置一个干扰区域资源分配单元，在作为多播业务接收端的多播业务目的节点设置多播业务目的节点反馈单元；等待接入多播业务的多播业务目的节点向多播业务源节点发出多播业务接入请求，沿途无线转发节点都存储这个多播业务接入请求，并继续沿多播路径反向传送，直至多播业务源节点调节单元收到这个多播业务接入请求；一个多播业务源节点提供的多播业务存在多个多播业务接收端时，多播业务源节点与每个作为多播业务接收端的多播业务目的节点分别建立起双向通信链路，通过双向通信链路进行传输的数据包，包括由多播业务源节点发出的前向数据包、由多播业务目的节点发出的接收端反向数据包，及由链路途经的干扰区域发出的干扰区域反向数据包；

当多播业务目的节点发出的接收端反向数据包进入某个干扰区域时，由该干扰区域的干扰区域资源分配单元进行以下步骤，

步骤1.1，干扰区域资源分配单元记录多播业务的单个分层子流在干扰区域内干扰次数；

步骤1.2，把步骤1.1所得单个分层子流在干扰区域内干扰次数写入接收端反向数据包，继续向多播业务源节点发送；

当接收端反向数据包抵达多播业务源节点时，由多播业务源节点调节单元进行以下步骤，

步骤2.1，根据步骤1.1所得单个分层子流在干扰区域内干扰次数，计算每个分层子流产生的总价格；

步骤2.2，根据步骤1.1所得单个分层子流在干扰区域内干扰次数，计算所有多播业务分层子流链路总长度；

步骤2.3，把步骤2.2所得多播业务分层子流链路总长度和步骤2.1所得每个分层子流的总价格填入前向数据包中，并向所有多播业务目的节点发送；

当前向数据包由多播业务流源节点发出，到达某个干扰区域后，由该干扰区域的干扰区域资源分配单元进行以下步骤；

步骤3.1，干扰区域资源分配单元自动提取前向数据包中信息，更新每条多播业务分层子流出价信息；

步骤3.2，根据步骤3.1所得每条多播业务分层子流出价高低分配干扰区域内的共享资源，得到带宽分配信息，并更新干扰区域资源价格；

步骤3.3，把步骤3.2所得带宽分配信息和干扰区域资源价格反馈填入干扰区域反向数据包，发送给多播业务源节点；

当干扰区域反向数据包抵达多播业务源节点后，由多播业务源节点调节单元进行以下步骤；

步骤4.1，多播业务源节点调节单元提取干扰区域反向数据包中的信息，并存储在多播业务源节点中；

步骤4.2，当分配时刻来临，多播业务源节点调整发送速率。

Images