CN102223685B - 一种多跳无线网络中的接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多跳无线网络中的接纳控制方法，解决新业务是否可以在不影响现有业务运行的情况下通过指定的路径进入多跳无线网络的问题。本发明的技术方案是：首先，假设新业务进入多跳无线网络后，不会引起多跳无线网络中碰撞概率的增加；然后，通过不断迭代计算，预测新业务进入多跳无线网络后实际会引起的碰撞概率的增加；最后，利用迭代结果来检查多跳无线网络中的干扰限制是否被打破，从而判断新业务在指定路径上是否可行，进而做出是否接纳该新业务的决定。本发明在接纳新业务进入网络之前，通过迭代过程来分析新业务进入后的网络情况，因而判决结果具有预测性，并且本发明的预测结果准确、迭代过程收敛性好。

Description

一种多跳无线网络中的接纳控制方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种多跳无线网络中的接纳控制方法。

背景技术

多跳无线网络中的节点通过无线链路以多跳的方式进行通信。随着人们对信息服务需求的快速增长，近十年来多跳无线网络的研究和应用得到不断扩展。以往人们对多跳无线网络的研究主要集中在如何高效地为多跳无线网络中的节点提供充分连接上，而随着多跳无线网络中有QoS(Quality of Service，服务质量)要求的多媒体业务逐渐增多，支持和保证业务的QoS要求成为多跳无线网络应用中的重要问题。而要做到保证业务的QoS，必须要对请求进入多跳无线网络的新业务进行接纳控制。它的基本思想是首先估计多跳路径上的可用带宽，如果该可用带宽大于新业务的带宽，则接纳其进入多跳无线网络，否则拒绝该业务。可用带宽是指在不影响多跳无线网络中背景业务(即已经存在的业务)的情况下，端到端通信所能获得的最大数据传输率。

根据所采用的可用带宽估计方法的不同，目前的接纳控制方法分为两类：基于探测的方法和基于感知的方法。基于探测的方法是指节点通过发送端到端的探测包来估计路径可用带宽的方法。这种方法将会在多跳无线网络内注入大量探测包，带来额外的负载，因而不适合于资源受限的多跳无线网络。基于感知的方法的基本思想是节点不需要发送探测包，只需要分别感知其周围信道的利用情况，然后交互这些信息来进行可用带宽估计。如果这种信息交互的不是很频繁，基于感知的方法对背景业务不构成干扰，因此适用于无线环境。但这种方法是基于感知到的当前多跳无线网络状况对可用带宽进行估计，它存在的一个主要问题就是缺乏预测的能力，因为它包含这样的假设：新业务进入前后多跳无线网络内诸如碰撞概率等的一些参数没有发生变化。而实际中一个新业务的进入将可能会引起多跳无线网络中碰撞概率的变化，而碰撞概率的变化会进一步影响新业务进入后实际的可用带宽。

另外，目前的接纳控制算法都是先做可用带宽估计，然后将可用带宽与新业务的带宽需求进行比较再做出接纳控制的结论，而事实上，在接纳控制中我们并不需要回答“给定路径上可用带宽的确切值是多少？”，而是要回答“已知某业务所需要的带宽值，给定路径是否能够满足？”这一问题。相对于前者，后者同样有实际意义，而且更容易回答。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有接纳控制方法中缺乏预测性和需要先进行可用带宽估计的缺点，提供一种具有预测性的、更直接的接纳控制方法。该方法通过迭代预测新业务进入多跳无线网络后的情况，准确回答该新业务是否可以在不影响现有业务运行的情况下通过指定的路径进入多跳无线网络。

本发明的技术方案是：首先，假设新业务进入多跳无线网络后，不会引起多跳无线网络中碰撞概率的增加；然后，通过不断迭代计算，预测新业务进入多跳无线网络后实际会引起的碰撞概率的增加；最后，利用迭代结果来检查多跳无线网络中的干扰限制是否被打破，从而判断新业务在指定路径上是否可行(此处“可行”是指，该业务可以达到自己的目标吞吐量，而背景业务的吞吐量不会被迫降低)，进而做出是否接纳该新业务的决定。

技术方案包括以下步骤：

已知多跳无线网络的拓扑图、新业务的带宽需求Bw、业务数据帧长度L、指定的路径Γ的跳数为H、新业务进入前路径Γ上各跳链路的发送概率。设路径Γ上的某一跳链路为链路k，l≤k≤H。用四个变量σ，T_k，C_k和B_k来表示链路k的空闲、成功发送、发生碰撞和感知信道忙这四种状态分别占用的信道时长。其中σ是常数，等于无线网络协议中的单位时隙长度；T_k和C_k根据IEEE 802.11无线网络协议标准确定。

第一步：初始化各跳链路的相关发送参数。

令B_k＝σ；

按照式(1)计算链路k的碰撞概率p_k和链路k的发送概率τ_k，l≤k≤H。

$\left\{\begin{array}{c}{p}_k=0.00001\\ {\mathrm{\τ}}_k={\mathrm{\τ}}_k^{\mathrm{old}}+\frac{\mathrm{Bw}\·T_k}{L\·(1-p_k)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，

是在新业务进入前链路k的发送概率。

第二步：计算各跳链路的平均时隙长度。

通过网络拓扑图得到链路k的竞争链路的集合v(k)，按照式(2)计算链路k信道忙的概率b_k：

$b_k=1-{\mathrm{\τ}}_k-\underset{i\∈v\left(k\right)\mathrm{Uk}}{\mathrm{\Π}}(1-{\mathrm{\τ}}_i)---\left(2\right)$

然后，按照式(3)计算链路k的平均时隙长度E_k：

E_k＝τ_k·p_k·C_k+τ_k·(1-p_k)·T_k+(1-τ_k)·b_k·B_k+(1-τ_k)·(1-b_k)·σ  (3)

第三步：更新各跳链路的相关发送参数。

按照式(4)更新发送概率τ_k：

${\mathrm{\τ}}_k={\mathrm{\τ}}_k^{\mathrm{old}}+\frac{\mathrm{Bw}\·E_k}{L\·(1-p_k)}---\left(4\right)$

然后，按照式(5)更新碰撞概率p_k：

$p_k=1-\underset{i\∈v\left(k\right)}{\mathrm{\Π}}1-{\mathrm{\τ}}_i---\left(5\right)$

设任意两跳链路i₁和链路i₂的共同竞争链路的集合是v(i₁，i₂)，则B_k由下式计算：

$B_k=(\underset{i\∈v\left(k\right)}{\mathrm{\Σ}}{x}_i-\underset{i_1\∉v\left(i_2\right)U{i}_2}{\underset{i_1,i_2\∈v\left(k\right);}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_{i_1}\·x_{i_2}}{1-\underset{c\∈v(i_1,i_2)}{\mathrm{\Σ}}{x}_c}})E_k---\left(6\right)$

其中， $x_i=\frac{{\mathrm{\τ}}_i\·p_i\·C_i+{\mathrm{\τ}}_i\·(1-p_i)\·T_i}{E_i},$ v(i₂)表示链路i₂的竞争链路的集合。

将当前τ_k、p_k和B_k的值代入式(3)中，计算得到E_k的更新值。

第四步：判断是否接纳新业务。

将τ_k、p_k和E_k的值代入式(7)中，计算得到每跳链路成功发送占用的信道比率f_k：

$f_k=\frac{{\mathrm{\τ}}_k\·(1-p_k)\·T_k}{E_k}---\left(7\right)$

若任意链路k不满足式(8)，表明该新业务在路径Γ上不可行，拒绝该业务；若任意链路k均满足式(8)，则返回第二步进行迭代。

$\underset{i\∈v\left(k\right)}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\≤1,\∀k\∈[1,H]---\left(8\right)$

当下述两个条件之一满足时，迭代过程结束，表明新业务在路径Γ上可行，接纳该业务：(i)迭代次数达到了我们预先设定的上限，设置上限是防止无穷迭代情况的发生；(ii)本次迭代过程得到的各跳链路的碰撞概率平均值p跟上次迭代得到的结果相比较，差值均小于预先设定值，此时说明迭代结果已经收敛，没必要继续迭代下去。

本发明的有益效果是：

本发明克服现有接纳控制方法中需要先进行可用带宽估计的缺点，提供一种不需要事先进行可用带宽估计就可以直接执行的更直接接纳控制方法。由于不需要事先进行可用带宽估计，本发明提供的方法相对于现有的接纳控制方法带来更低的额外负载。本发明在接纳新业务进入网络之前，通过迭代过程来分析新业务进入后的网络情况，因而判决结果具有预测性。实验表明本发明预测结果准确、迭代过程收敛性好。

附图说明

图1是本发明提供接纳控制方法的原理流程示意图；

图2是在实验室利用NS-2仿真软件对本发明提供的方法与现有CAC方法的对比情况；

图3是针对4跳路径对本发明提供方法中迭代过程的收敛性进行测试的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明提供接纳控制方法的原理流程示意图，如图所示，包括四个步骤：第一步，初始化各跳链路的相关发送参数；第二步，计算各跳链路的平均时隙长度；第三步，更新各跳链路的相关发送参数；第四步，判断是否接纳新业务。其中，后面三步迭代进行。

图2是在实验室利用NS-2仿真软件对本发明提供的方法与现有CAC方法(文献“H.Zhai，X.Chen，Y.Fang.A call admission and rate control scheme for multimedia support over IEEE802.11 wireless LANs.ACM Wireless Networks，2006，12(4)：451-463”中提出的方法)对比结果。图2(a)为仿真中采用的多跳无线网络拓扑图。拓扑图包括两条路径：节点S₁至D₁，节点S₂至D₂，两条路径之间存在相互干扰。节点S₂和D₂之间的路径Γ为4跳：S₂-a-b-c-D₂，即H＝4。节点S₁和D₁之间的路径为单跳。已知业务流f₁为背景业务，从节点S₁进入，到达节点D₁。新业务将从节点S₂进入，流经路径Γ到达节点D₂，新业务数据帧长度L＝8000bits，新业务需要的带宽为Bw。仿真实验中在Bw取不同的数值情况下，分别采用本发明提供的接纳控制方法和CAC方法，来对新业务进行接纳控制，判断是否接纳新业务。实验结果如图2(b)所示，该图上半部分显示的是在采用本发明提供的方法时背景业务f₁的吞吐量随Bw而变化的情况(实线加“□”表示)和新业务的吞吐量随Bw而变化的情况(实线加“Δ”表示)，以及采用CAC方法时背景业务f₁的吞吐量随Bw而变化的情况(虚线加“□”表示)和新业务的吞吐量随Bw而变化的情况(虚线加“Δ”表示)。而下半部分则对应着在不同的Bw值时本发明提供的方法(“□”表示)和CAC方法(“Δ”表示)所做出的判决：纵坐标为1表示新业务被接纳，纵坐标为0表示新业务被拒绝。图2(b)表明，在采用现有的CAC方法时，当600Kbps＜Bw＜900Kbps时新业务仍被错误的接纳，导致无论是背景业务f₁还是新业务，其吞吐量都会受到影响。具体表现在：背景业务f₁在新业务进入后吞吐量明显下降；而新业务的实际吞吐量明显小于它的发送速率。本发明提供的接纳控制方法改变了这一状况，它通过迭代给出了正确的判决结果：在Bw≤600Kbps，允许新业务的进入；而在Bw＞600Kbps时，则拒绝新业务的进入以保证多跳无线网络中背景业务的吞吐量不受影响。

图3是针对图2(a)中所示4跳路径Γ，对本发明提供方法中迭代过程的收敛性进行测试的结果图。横坐标是迭代的次数，总坐标是每次迭代的结果。图中我们在Bw＝500kbps，L＝8000bits的情况下，画出了每一次迭代结束时获得的各跳链路的发送概率平均值τ(“+”表示)和碰撞概率平均值p(“*”表示)。可以看出，在5次迭代后，τ和p都已经很稳定了，表明本方法收敛速度快。

Claims (1)

1.一种多跳无线网络中的接纳控制方法，已知多跳无线网络的拓扑图、新业务的带宽需求Bw、业务数据帧长度L、指定的路径Γ的跳数为H、新业务进入前路径Γ上各跳链路的发送概率；设路径Γ上的某一跳链路为链路k，1≤k≤H；用四个变量σ，T_k，C_k和B_k来表示链路k的空闲、成功发送、发生碰撞和信道忙这四种状态分别占用的信道时长；其中σ是常数，等于无线网络协议中的单位时隙长度；T_k和C_k根据IEEE802.11无线网络协议标准确定；其特征在于，包括下述步骤： 

第一步：初始化各跳链路的相关发送参数； 

令B_k=σ； 

按照式(1)计算链路k的碰撞概率p_k的初始值和发送概率τ_k的初始值； 

其中，

是在新业务进入前链路k的发送概率； 

第二步：计算各跳链路的平均时隙长度； 

通过多跳无线网络的拓扑图得到链路k的竞争链路的集合v(k)，按照式(2)计算链路k信道忙的概率b_k： 

然后，按照式(3)计算链路k的平均时隙长度E_k： 

E_k=τ_k·p_k·C_k+τ_k·(1-p_k)·T_k+(1-τ_k)·b_k·B_k+(1-τ_k)·(1-b_k)·σ      (3) 

第三步：更新各跳链路的相关发送参数； 

按照式(4)更新发送概率τ_k： 

然后，按照式(5)更新碰撞概率p_k： 

设任意两跳链路i₁和链路i₂的共同竞争链路的集合是v(i₁,i₂)，则按照式(6)更新B_k： 

其中，v(i₂)表示链路i₂的竞争链路的集合； 

将当前τ_k、p_k和B_k的值代入式(3)中，计算得到E_k的更新值； 

第四步：判断是否接纳新业务； 

将τ_k、p_k和E_k的值代入式(7)中，计算得到每跳链路成功发送占用的信道比率f_k： 

若任意链路k不满足式(8)，表明该新业务在路径Γ上不可行，拒绝该业务；若任意链路k均满足式(8)，则返回第二步进行迭代；在第二步至第四步的迭代过程中，当下述两个条件之一满足时，迭代过程结束，表明新业务在路径Γ上可行，接纳该业务：（i）迭代次数达到了预先设定的上限，设定的上限由实际使用要求决定；（ii）本次迭代过程得到的各跳链路的碰撞概率平均值p跟上次迭代得到的结果相比较，差值均小于预先设定值，预先设定值由实际使用要求决定；

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