CN102026291B - 无线多跳网状网中缓存接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线多跳网状网中缓存接纳控制方法，主要解决无线多跳网络中多跳远程业务因中转节点缓存队满而被丢弃的不公平性问题。其实现步骤为：中转节点初始化缓存分配并接纳分组；中转节点周期性地调整缓存份额的分配；判断中转节点的已用缓存总额是否达到阈值，若未达到阈值，则根据源节点的缓存份额、源节点已用缓存数目、中转节点剩余缓存数目和源节点数目进行接纳控制，若达到阈值，则根据缓存接纳函数进行分组接纳；当有新源节点的分组到达中转节点时，更新缓存份额的分配。本发明从中转节点缓存管理的角度有效解决多跳网络中多跳远程业务的“饥饿”问题，提高多跳远程业务质量，可用于保障中转节点对多跳远程业务的转发。

Description

无线多跳网状网中缓存接纳控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及无线多跳网状网，具体的说是提出一种基于跳数、业务类别、平均分组到达率多因素的缓存接纳控制方法，可用于保障中转节点对多跳远程业务的转发。

背景技术

无线网状网WMN是使用多跳方式进行通信的无线网络，具有自组织、自配置、自愈合的能力，能够大大增加无线系统的覆盖范围，降低网络部署成本，同时可以提高无线系统的容量以及通信可靠性。正因为如此，无线网状网受到人们越来越多的关注，并逐渐成为下一代无线通信中的重要组成部分。按照无线网状网中节点的功能划分，无线网状网WMN中的节点可以分为两类：网状网路由器和网状网客户端，即Mesh路由器和Mesh客户端。除了支持传统无线路由器的网关和网桥的功能外，Mesh路由器还具有支持Mesh连网的路由功能。Mesh路由器位置相对固定，具有较低的移动性，为Mesh客户端提供Mesh回程；Mesh客户端可以是静止的，也可以是移动的节点；部分具有网关功能的Mesh路由器通过有线的方式与Internet等实现互联。

基础设施网状网的拓扑结构如图1所示，Mesh路由器构成客户端连接网络的基础设施，实线代表有线链接，虚线代表无线链接。Mesh路由器通过自配置、自愈合的方式形成网状拓扑。通过网关功能，Mesh路由器可被连入Internet；通过Mesh路由器中网关/网桥功能，为传统的客户端提供骨干网，并且使WMN与现有的无线网络能够集成工作。A和B是带有网关功能的Mesh路由器，通过有线的方式接入Internet。C，D和E是带有网关/网桥功能的Mesh路由器，既可以接入Mesh客户端，也可以与其他类型接入网，如蜂窝网、无线局域网集成工作。A，B，C，D和E共同构成无线Mesh骨干网。以下将着重讨论骨干网中的Mesh路由器，并将其统称为Mesh节点。

WMN骨干网中的业务流大致可以分为短程业务和需要转发的多跳业务。一股来说，Mesh节点产生相似的业务负载时，本节点产生的业务和来自相邻Mesh节点的业务或者其他短程业务会迅速塞满该中转Mesh节点的缓存，而来自较远的Mesh源节点的多跳业务到达中转节点时，会因为中转节点缓存队满而被丢弃。在无线网状网队列管理机制研究中，Nagesh S.Nandiraju，Deepti S.Nandiraju，Dave Cavalcanti等人提出了一种队列管理方法，该方法针对多跳网络中的不公平性，在中转节点为各个源节点平均分配缓存，以保证多跳远程业务的公平性；通过剩余缓存的再次分配提高缓存的利用效率。

目前广泛使用的链路层队列管理策略是“去尾”(Drop tail)策略。所谓“去尾”队列管理策略是指当缓存队满时，新到达的分组将被丢弃而不考虑该分组所经过的跳数。由于WMN是一个无线多跳的网络，现有的链路层队列管理机制大都没有考虑数据分组传输所经过的跳数，这将导致严重的不公平现象和多跳远程业务的“饥饿”现象。现有的基于载波侦听多址接入/冲突避免CSMA/CA的介质访问控制MAC协议中，无线信道的争用导致多跳远程业务到达率的下降，这加剧了多跳远程业务的“饥饿”现象和多跳远程业务性能的恶化。

发明内容

本发明针对上述无线Mesh网中由于短程业务迅速塞满中转Mesh节点缓存导致多跳远程业务分组被丢弃的不公平问题，提出一种无线Mesh网中新型缓存接纳控制方法，通过综合考虑分组所经过的跳数、业务类别、平均分组到达率，使多跳远程业务分组获得公平性传输的机会，并在重负载时获得优先的传输机会，改善多跳远程业务的性能。

为实现上述目的，本发明包括以下步骤：

(1)中转Mesh节点对缓存进行初始化分配，即为每个源节点分配相同的缓存份额buff_share，缓存份额的大小为缓存阈值T与源节点数目n的比值，即

其中，缓存阈值T为预先设定的参数值，源节点数目n为大于或等于1的正整数；

(2)初始化分配后中转Mesh节点开始接纳业务分组，并对各源节点的平均分组到达率进行认知，统计源节点各自使用的缓存数目buff_used和中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total；

(3)中转Mesh节点根据各源节点的平均分组到达率，周期性地调整缓存份额buff_share的分配，使得源节点的缓存份额buff_share与该源节点的平均分组到达率匹配；

(4)判断中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total是否达到缓存阈值T，若未达到缓存阈值T，则根据源节点所分配的缓存份额buff_share、源节点使用的缓存数目buff_used、中转Mesh节点已用缓存数目总额buff_total和源节点数目n进行接纳控制，若达到缓存阈值T，则根据如下缓存接纳函数f_adm进行分组的接纳：

$f_{\mathrm{adm}}={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{h}{h_{\max }}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{l}{l_{\max }}$

其中，缓存接纳函数f_adm表示分组被中转Mesh节点接纳的概率；ω₁是接纳分组时跳数这一因素的权重因子，ω₂是接纳分组时业务类别这一因素的权重因子，ω₁与ω₂二者之和为1；h为分组到达该中转Mesh节点所经过的跳数，h_max为到达该中转Mesh节点的分组所经过的跳数中的最大跳数值；l为业务类别参数，对丢包率越敏感的业务，其业务类别参数值越大，l_max为对丢包率最敏感的业务的类别参数；

(5)当有来自新的源节点的分组到达中转Mesh节点时，源节点数目n的值增加1，更新缓存份额buff_share的分配，更新方式为从现有的每个源节点的缓存份额buff_share中各取出占比为1/(n+1)的部分，分配给新源节点，使新源节点的初始缓存份额buff_share等于T/(n+1)，重复步骤(2)至步骤(4)。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于在缓存的初始化分配时采用了平均分配的方式，保证了不同源节点之间的初始公平性；引入缓存阈值这一参数，为解决重负载时多跳远程业务的“饥饿”现象预留了缓存资源；

2)本发明由于采用认知源节点的平均分组到达率，进行缓存份额周期性调整的机制，既保证了多跳远程业务的公平性，又提高了缓存的使用效率；

3)本发明由于采用了在已用缓存数目总额达到缓存阈值的情况下根据缓存接纳函数进行分组的接纳，保护了对多跳远程业务和对丢包率敏感业务的优先接纳；

4)本发明在处理有新源节点的分组到达的情况时，由于采用了缓存份额的更新机制，既可以保证对新源节点的公平性对待，又可以使对已有源节点缓存的分配影响最小，提高缓存份额分配的收敛速度。

附图说明

图1是本发明使用的基础设施网状网拓扑结构示意图；

图2是本发明中缓存接纳控制方法流程图。

具体实施方式

参照图2，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，中转Mesh节点进行缓存的初始化分配。

中转Mesh节点是指无线多跳网状网中既可以产生自身的业务分组，也能为其他Mesh源节点转发业务分组的Mesh节点，中转Mesh节点的缓存被自身业务和转发业务共同使用。

采用平均分配方式对缓存分配进行初始化，即为每个源节点分配相同的缓存份额buff_share，缓存份额buff_share大小为缓存阈值T与源节点数目n的比值，即

其中，缓存阈值T为预先设定的参数值，缓存阈值T根据系统不同的性能要求动态取值，源节点数目n为大于或等于1的正整数。

采用了平均分配的方式，保证了不同源节点之间的初始公平性；引入了缓存阈值buff_share这一参数，为重负载时解决多跳远程业务的“饥饿”现象预留了缓存资源。

步骤2，中转Mesh节点开始接纳业务分组，并对各源节点的平均分组到达率进行认知，统计源节点各自使用的缓存数目buff_used和中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total。

接纳业务分组具体方式是：中转Mesh节点把一个来自于源节点的分组添加到缓存队列中，该源节点使用的缓存数目buff_used增加1，中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total增加1。该统计源节点各自使用的缓存数目buff_used和中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total，是为步骤4中的缓存接纳控制提供判断依据。

所述的对各源节点的平均分组到达率进行认知，是为步骤3中缓存份额buff_share的周期性调整提供依据，其具体认知方式采用滑动平均的方式，即以当前时间为截止时间，设定一个滑动窗口，在该滑动窗口时间段内求得分组到达率的平均值。

步骤3，中转Mesh节点根据不同源节点的平均分组到达率，周期性地调整缓存份额buff_share的分配。

周期性地调整缓存份额buff_share的分配，是根据所认知的平均分组到达率，为各源节点调整缓存份额buff_share，使各源节点的缓存份额buff_share之比等于各源节点的平均分组到达率之比。这样可以保证源节点间成比例的公平性，即不同源节点业务流的吞吐量与该源节点产生的业务量成正比，在一定程度上实现对缓存的“按需分配”，提高了缓存的使用效率和网络整体的吞吐量。

步骤4，根据中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total是否达到了阈值T，采取相应的缓存接纳机制。

(4A)若中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total未达到缓存阈值T，则根据源节点所分配的缓存份额buff_share、源节点使用的缓存数目buff_used、中转Mesh节点已用缓存数目总额buff_total和源节点数目n进行接纳控制，具体方式如下：

A1)判断该源节点的缓存份额buff_share是否用尽，若没有用尽，则接纳该分组；

A2)若该源节点的缓存份额buff_share已用尽，判断剩余空闲缓存数目buff_spare是否等于0，若剩余空闲缓存数目buff_spare等于0，则丢弃该分组；

A3)若剩余空闲缓存数目buff_spare大于0，则判断该源节点所用缓存buff_used是否达到上限，若该源节点所用缓存buff_used达到上限，则丢弃该分组，否则，接纳该分组；

其中，剩余空闲缓存数目buff_spare为缓存的阈值T与中转Mesh节点已用缓存数目总额buff_total之差，即buff_spare＝T-buff_total；源节点所用缓存buff_used的上限为该源节点的缓存份额

之和；

上述步骤中对剩余空闲缓存数目buff_spare的使用满足了重负载的源节点对缓存的需求，提高了中转Mesh节点缓存的使用效率，又可以避免出现某一源节点的业务对缓存占用过多的问题。

(4B)若中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total达到阈值T，则按照缓存接纳函数f_adm进行分组接纳，缓存接纳函数值越大，该分组被接纳的概率越大。

缓存接纳函数f_adm定义式如下：

$f_{\mathrm{adm}}={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{h}{h_{\max }}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{l}{l_{\max }}$

其中，ω₁是接纳分组时跳数这一因素的权重因子，ω₂是接纳分组时业务类别这一因素的权重因子，ω₁与ω₂二者之和为1；h为分组到达该中转Mesh节点所经过的跳数，h_max为到达该中转Mesh节点的分组所经过的跳数中的最大跳数值；l为业务类别参数，对丢包率越敏感的业务，其业务类别参数值越大，l_max为对丢包率最敏感的业务的类别参数。

设计上述缓存接纳函数f_adm的出发点是考虑到多跳分组到达该中转Mesh节点时，已经消耗了可观的资源，丢之可惜，予以优先接纳；对丢包率敏感的业务类型由于其敏感性也应该予以优先接纳，从而降低该类业务丢包率，提升用户体验。

步骤5，当有来自新的源节点的分组到达中转Mesh节点时，采用自组织的方式为新源节点分配初始缓存份额，之后重复步骤2至步骤4。

考虑到原有源节点的缓存份额buff_share的分配是与对应源节点的平均分组到达率长期自适应的结果，因而采用的缓存份额更新机制既需要保证对新源节点的公平性对待，又需要使对原有源节点缓存份额buff_share分配的影响最小，提高缓存份额分配的收敛速度。采用了一种自组织方式的缓存份额更新机制，具体方式如下：

源节点数目n的值增加1，从现有的每个源节点的缓存份额buff_share中各取出占比为1/(n+1)的部分，分配给新源节点，使新源节点的初始缓存份额buff_share等于T/(n+1)。

为新的源节点分配缓存份额buff_share之后，中转Mesh节点根据该新节点的缓存份额buff_share开始接纳该节点的业务分组，并采取与原有源节点相同的处理方式，即按照步骤2至步骤4，完成对该源节点分组的接纳控制。

术语解释

WMN：Wireless Mesh Network，无线网状网；

MAC：Media Access Control，介质访问控制；

CSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoid，载波侦听多址接入/冲突避免。

Claims (4)

1.一种无线多跳网状网中缓存接纳控制方法，包括以下步骤：

（1）中转Mesh节点对缓存进行初始化分配，即为每个源节点分配相同的缓存份额buff_share，缓存份额的大小为缓存阈值T与源节点数目n的比值，即

其中，缓存阈值T为预先设定的参数值，源节点数目n为大于或等于1的正整数；

（2）初始化分配后中转Mesh节点开始接纳业务分组，并对各源节点的平均分组到达率进行认知，统计源节点各自使用的缓存数目buff_used和中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total；

（3）中转Mesh节点根据各源节点的平均分组到达率，周期性地调整缓存份额buff_share的分配，使得源节点的缓存份额buff_share与该源节点的平均分组到达率匹配；

（4）判断中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total是否达到缓存阈值T，若未达到缓存阈值T，则根据源节点所分配的缓存份额buff_share、源节点使用的缓存数目buff_used、中转Mesh节点已用缓存数目总额buff_total和源节点数目n进行接纳控制，若达到缓存阈值T，则根据如下缓存接纳函数f_adm进行分组的接纳：

$f_{\mathrm{adm}}={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{h}{h_{\max }}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{l}{l_{\max }}$

其中，缓存接纳函数f_adm表示分组被中转Mesh节点接纳的概率；ω₁是接纳分组时跳数这一因素的权重因子，ω₂是接纳分组时业务类别这一因素的权重因子，ω₁与ω₂二者之和为1；h为分组到达该中转Mesh节点所经过的跳数，h_max为到达该中转Mesh节点的分组所经过的跳数中的最大跳数值；l为业务类别参数，对丢包率越敏感的业务，其业务类别参数值越大，l_max为对丢包率最敏感的业务的类别参数；

（5）当有来自新的源节点的分组到达中转Mesh节点时，源节点数目n的值增加1，更新缓存份额buff_share的分配，更新方式为从现有的每个源节点的缓存份额buff_share中各取出占比为1/(n+1)的部分，分配给新源节点，使新源节点的初始缓存份额buff_share等于T/(n+1)，重复步骤（2）至步骤（4）。

2.根据权利要求1所述的缓存接纳控制方法，其中步骤（2）所述的中转Mesh节点开始接纳业务分组，是指中转Mesh节点把一个来自于源节点的分组添加到缓存队列中，该源节点使用的缓存数目buff_used增加1，中转Mesh节点的已用缓存数目总额buff_total增加1。

3.根据权利要求1所述的缓存接纳控制方法，其中步骤（3）所述的周期性地调整缓存份额buff_share的分配，是根据所认知的平均分组到达率，为各源节点调整缓存份额buff_share，使各源节点的缓存份额buff_share之比等于各源节点的平均分组到达率之比。

4.根据权利要求1所述的缓存接纳控制方法，其中步骤（4）所述的根据源节点所分配的缓存份额buff_share、源节点使用的缓存数目buff_used、中转Mesh节点已用缓存数目总额buff_total和源节点数目n进行接纳控制，按如下步骤进行：

（4a）判断该源节点的缓存份额buff_share是否用尽，若没有用尽，则接纳该分组；

（4b）若该源节点的缓存份额buff_share已用尽，判断剩余空闲缓存数目buff_spare是否等于0，若剩余空闲缓存数目buff_spare等于0，则丢弃该分组；

（4c）若剩余空闲缓存数目buff_spare大于0，则判断该源节点所用缓存buff_used是否达到上限，若该源节点所用缓存buff_used达到上限，则丢弃该分组，否则，接纳该分组;

其中，剩余空闲缓存数目buff_spare为缓存的阈值T与中转Mesh节点已用缓存数目总额buff_total之差，即buff_spare＝T-buff_total；源节点所用缓存buff_used的上限为该源节点的缓存份额buff_share与

之和。

Images