CN102595548A - 一种认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，1、将认知无线Mesh网络建模为无向图，2、构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)，3、初始化新到达的无线组播业务ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)对应的组播树T_p及初始化导出子图的边权值，4、计算从源点到每个没有包含在组播树T_p中的目的节点的路由路径的花费，5、找出满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，找出到达该目的节点包含的无线链路，为这些无线链路分配信道，6、对与这些无线链路中的节点相连，且满足条件的无线链路的权值进行修改，7、重复步骤4-步骤6，直到组播树T_p包含目的节点集合D_p中的所有节点。本发明能实现组播树的花费最小化，有效减少射频资源的使用。

Description

一种认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，涉及一种认知无线Mesh网络中QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法。

背景技术

认知无线Mesh网络(cognitive wireless mesh network，CWMN)是结合了认知无线电的无线Mesh网络。无线Mesh网络作为下一代宽带接入系统，将认知无线电技术应用于无线Mesh网络中解决其频谱缺乏的问题具有潜在的优势。CWMN中，每个Mesh节点都使用CR技术，对于每个配备CR的Mesh节点，包括CR-Mesh路由器、CR-Mesh网关、CR-Mesh终端，它能够感知主系统中未使用的频谱，并动态地接入到这些可用的频谱。

本发明不考虑具体的频谱感知算法，主要针对CR-Mesh节点已经获得可用信道以及相关信息条件下的最小花费组播路由及频谱分配方法。

最小花费组播路由问题实际是构造一棵包含组播源点和组播目的节点的最小花费组播树(Minimum cost multicast tree，MCMT)。在有线网络中，MCMT的构造可看成是Steiner树问题。即，对于一个图G＝(V，E)，给定一个源点S和一组目的节点

每条边有不同的权值{注：在本发明中，每条边的权值为1，其含义是通过该条边进行传输需要消耗的射频资源数}，问题是要在图G中构造一个包含源点S和目的节点集合X的连通子图，并且要使得该子图具有最小花费{注：最小花费指的是最小化消耗的射频资源数}，子图的花费即为连通子图中所有边的权值和。在无线网络中，MCMT的构造问题关注的是如何充分利用无线广播特性节约射频资源。当一个节点发送一个数据包给他的某个邻居的时候，由于广播特性的存在，该节点的所有邻居都能收到这个数据包。射频资源的消耗即为组播树的花费，无线网络中的MCMT问题即为最小化射频资源的消耗，射频资源的消耗数是由组播树中传输节点数，以及传输节点使用的射频数决定的。在CWMN中，由于PU占用授权信道的随机性，CR-Mesh节点感知的可用信道数存在异构，这将使得CWMN中的MCMT问题变得更加复杂。经查阅相关文献，未见有关针对CWMN中MCMT问题的报道。

因此，有必要设计一种认知无线Mesh网络中QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种认知无线Mesh网络中QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法，该认知无线Mesh网络中QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法能通过有效的构造组播树及频谱分配最小化组播树的花费，减少射频资源的使用。

发明的技术解决方案如下：

一种认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，包括以下步骤：

步骤1：将静止的CR-Mesh节点组成的认知无线Mesh网络建模为无向图G＝(V，E)；其中V表示CR-Mesh节点的集合，E表示连接两个能相互通信的CR-Mesh节点的无线链路的集合；

步骤2：构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)；其中V′和E′分别为导出子图G′的节点集合和无线链路集合；

步骤3：初始化新到达的无线组播业务ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)；对应的组播树T_p为空树，并初始化导出子图的边权值；其中S_p表示组播源节点，D_p＝{r₁，r₂，...r_m}表示组播目的节点集合，C_p表示QoS约束；

步骤4：计算从源点到每个没有包含在组播树T_p中的目的节点满足QoS约束的路由路径的花费；

步骤5：找出满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，找出到达该目的节点包含的无线链路，为这些无线链路分配信道；

步骤6：对与这些无线链路中任一节点相连的无线链路的权值进行修改，即修改为0；{注：即 $\∀(v_i,v_j)\∈\mathrm{Path}(S_p\→R_y),$ 对于节点v_i，如果v_w∈N(v_i)&&x(ζ_p，v_i，v_j)∈ψ(v_i，v_w)，则cost(v_i，v_w)＝0；同理，对于节点v_j做同样的处理。R_y是找出的满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，其中(v_i，v_j)是Path(S_p→R_y)路径中的一条无线链路，v_w是N(v_i)的邻居，并且v_i到v_j分配的信道x(ζ_p，v_i，v_j)包含在v_i到v_w的可用信道集合中ψ(v_i，v_w)}

步骤7：判断组播树T_p是否包含目的节点集合D_p中的所有节点，如果是，则结束，否则，转步骤4。

步骤2中的构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)的步骤为：

i)ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)是新到达的无线组播业务，所有可用频谱集合非空且满足射频约束的节点加入节点集合V′，即，v_i∈V′，其中S_p表示组播源节点，D_p＝{r₁，r₂，...r_m}表示组播目的节点集合，C_p表示QoS约束；

可用频谱集合非空且满足射频约束的节点即满足

其中K_i表示可用信道集合，I_i表示射频接口数，简称射频数，&&表示逻辑与，X(v_i)表示节点v_i已经分配的信道集合；下面对每一个节点进行处理，已处理节点用计数器n表示；初始化n＝0；

ii)对v_i∈V′，计算节点v_i在所有可用信道的可用带宽k∈K_i，已处理节点计数器n加1；{注：计算可用信道的可用带宽的作用是为了构造满足QoS约束的导出子图，更具体的说是为了计算步骤iv)中的最大可用带宽M}

iii)对

{这个公式的含义是，对于v_i节点的任何一个邻居节点v_j。N(v_i)表示v_i节点的邻居节点集合。}，计算节点v_i和节点v_j的相同可用信道集合ψ(v_i，v_j)，用于计算最大的可用带宽M；

iv)对

计算无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M，其中

{注：为了计算满足QoS约束的导出子图，只有无线链路的最大可用带宽M大于无线组播业务的带宽约束的无线链路才添加到导出子图中}

v)对于无线链路(v_i，v_j)，如果无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M≥C_p，并且

则添加无线链路(v_i，v_j)到E′中；C_p表示QoS约束，即带宽约束；{注：这个步骤的作用为整个构造导出子图的落脚点，把满足QoS约束的边加入到导出子图}

vi)判断n是否小于V′的节点数，如果是，结束，否则，转步骤ii)。

步骤3中，初始化导出子图G′＝(V′，E′)的无线链路集合E′中所有的边

的权值cost(e)为1，即cost(e)＝1。

步骤4中：采用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法计算从源点到每个目的节点满足QoS约束的路由路径的花费。{Dijkstra为迪杰斯特拉算法，为数据结构中经典的求最短路径的算法}。

步骤5中分配信道的步骤为：

i)对Path(S_p→R_y)中所有没有处理的无线链路(v_i，v_j)，

$\∀(v_i,v_j)\∈\mathrm{Path}(S_p\→R_y),$ 其中S_p表示源节点，R_y表示任一目的节点，判断无线链路(v_i，v_j)是否已经分配了信道，即判断x(ζ_p，v_i，v_j)是否为0，若为0，则转ii，否则，转vi；{注：x(ζ_p，u，v)＝k表示无线链路(u，v)在ζ_p的组播树T_p中分配信道为k，x(ζ_p，u，v)＝0表示在ζ_p的组播树T_p中没有给无线链路(u，v)分配信道}

ii)计算无线链路(v_i，v_j)满足QoS约束的信道集合ψ′(v_i，v_j)，即对

如果B^k≥C_p，B^k表示信道k的的带宽，C_p表示无线组播业务ζ_p的带宽约束，则k∈ψ′(v_i，v_j)；

iii)寻找信道k′， $k^{\′}=\arg \mathrm{Max}{\mathrm{\Σ}}_{v_w\∈(N\left(v_i\right)-v_j)}1\{k\∈\mathrm{\ψ}(v_i,v_w)\},$ k∈ψ′(v_i，v_j)，

其中1{.}是条件函数，判断是否为真；{注：计算v_i最多邻居节点都具有的信道；即：某个信道k节点v_i具有，同时v_i的邻居也具有，并且信道k具有的邻居数最多；arg意思是反函数。}

iv)如果找到多个满足上述式子的信道k′，则再选择这些信道中带宽最高者作为被选择的信道；{注：多个满足上式的情况比如，节点v_i具有信道k₁，节点v_i的4个邻居具有信道k₁；同时，节点v_i也具有信道k₂，节点v_i的4个邻居具有信道k₂，因此信道k₁和k₂就是步骤iii)找到的信道，步骤iv)的作用就是选择k₁和k₂中带宽高的作为被选择的信道。}

v)x(ζ_p，v_i，v_j)分配信道k′，即x(ζ_p，v_i，v_j)＝k′，转vii)；{注：第i)步中，如果x(ζ_p，v_i，v_j)不为0，则转vi)}

vi)记k″＝x(ζ_p-1，v_i，v_j)，如果

则无线链路(v_i，v_j)还是使用已经分配的信道k″，即x(ζ_p，v_i，v_j)＝k″；否则，x(ζ_p，v_i，v_j)＝0，转ii)；{注：

表示节点v_i在信道k″的可用带宽}

vii)判断Path(S_p→R_y)包含的无线链路是否已经全部处理完，如果是，则退出，否则，转i)。

本发明的技术构思如下：

将静止的CR-Mesh节点组成的CWMN建模为一个无向图G＝(V，E)，其中V表示CR-Mesh节点的集合。E表示链接两个能相互通信的CR-Mesh节点的无线链路的集合，两个CR-Mesh节点能相互通信的前提是两个CR-Mesh节点必须至少具有一个相同的可用信道，并且满足通信距离的约束，以及认知射频接口数约束。当前网络环境，可用信道的集合K＝{1，2，3，4，5}，信道k的带宽用B^k，一般情况下，不同信道具有不同的带宽，即Bⁱ≠B^j，每个节点v_i∈V都有一个感知的可用信道集合K_i，以及一个认知射频接口数I_i。每个节点v_i∈V均存在一个通信距离T_R和一个干扰距离I_R，本发明I_R＝2*T_R。

d(v_i，v_j)表示节点v_i和节点v_j之间的物理距离。N(v_i)表示节点v_i的邻居节点，即v_j∈N(v_i)，必须满足d(v_i，v_j)≤T_R。ψ(v_i，v_j)表示节点v_i和节点v_j相同的可用信道集合。同一条无线链路可以分配多个信道，X(u，v)表示无线链路(u，v)分配的信道集合。所有节点采用半双工方式工作，存在一个公共控制通道(commoncontrol channel，CCC)用于各CR-Mesh节点之间传递控制信息。

节点v_i是组播树T中工作在信道k的一个传输节点指的是，在组播树T中，节点v_i存在工作在信道k的从v_i到其邻居的数据通道(逻辑链路)。V(T，k)表示在组播树T中工作在信道k上的传输节点集合。组播树T的花费Cost(T)，为在组播树T中所有可用信道上的传输节点数之和，即Cost(T)＝∑_i∈K|V(T，i)|。

满足QoS约束的MCMT问题即：给定无线组播业务ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)，其中S_p表示组播源节点，D_p＝{r₁，r₂，...r_m}表示组播目的节点集合，C_p表示QoS约束，要求构造满足QoS约束的包含R_p中所有目的节点的最小花费组播树T_p，即，不但满足QoS约束{注：Quality of service，QoS：服务质量}，还要使得组播数T_p的花费Cost(T_p)最小。无线网络中的QoS约束很多，其中带宽约束是最重要的一个，因此，我们考虑带宽约束{注：本发明中提到的QoS约束指带宽约束}。所有无线组播业务的集合用Ψ表示，即Ψ＝{ζ₁，ζ₂....ζ_p}。x(ζ_p，u，v)＝k表示无线链路(u，v)在ζ_p的组播树T_p中分配信道为k，x(ζ_p，u，v)＝0表示在ζ_p的组播树T_p中没有给无线链路(u，v)分配信道。

本发明构造组播树及频谱分配的目标是最小化射频资源的使用，在组播树中射频资源的使用数等同于传输节点数。因此，组播树的花费指组播树中工作在所有可用信道的传输节点的数目。

本发明提出的满足QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法的步骤如下：

1)构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′){注：构造这个导出子图的目的是为了把复杂问题转化为简单问题，把复杂的原拓扑图G＝(V，E)转化为简单的满足QoS(带宽)约束的拓扑图G′＝(V′，E′)，V′在步骤i)进行求解，E′通过步骤ii)-步骤v)进行求解}；导出子图的构造包含如下步骤：

i)ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)是新到达的无线组播业务{注：ζ_p泛指新到达的无线组播业务，后文中的ζ₂即为新到达的无线组播业务}。所有可用频谱集合非空且满足射频约束的节点加入节点集合V′，即，v_i∈V′，{注：射频约束指的是某节点实际使用的射频数不能多于该节点实际拥有的射频数，即满足

其中，K_i表示可用信道集合，I_i表示射频接口数(简称射频数)，&&表示逻辑与，X(v_i)表示节点v_i已经分配的信道集合}下面对每一个节点进行处理，已处理节点用计数器n表示。初始n＝0。

ii)对v_i∈V′，计算节点v_i在所有可用信道的可用带宽

k∈K_i。已处理节点计数器n++。{注：计算可用信道的可用带宽

的作用是为了构造满足QoS约束的导出子图，更具体的说是为了计算步骤iv)中的最大可用带宽M}

iii)对

计算节点v_i和节点v_j的相同可用信道集合ψ(v_i，v_j)，用于计算最大的可用带宽M；

iv)对

计算无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M，其中

{注：为了构造满足QoS约束的导出子图，只有无线链路的最大可用带宽M大于无线组播业务的带宽约束的无线链路才添加到导出子图中}

v)对于无线链路(v_i，v_j)，如果无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M≥C_p，并且

则添加无线链路(v_i，v_j)到E′中。{注：C_p表示QoS约束，即带宽约束，图5中是C₂表示无线组播业务ζ₂的带宽约束，这里的C_p表示无线组播业务ζ_p的带宽约束，图5是为了对实例进行说明}

vi)判断n＜|V′|，若为真，结束，否则，转步骤ii)。

2)初始化ζ_p对应的组播树T_p为空树。初始化导出子图G′＝(V′，E′)的无线链路集合E′中所有的边

的权值cost(e)为1，即cost(e)＝1。

3)计算从源点到每个没有包含在组播树T_p中的目的节点满足QoS约束的路由路径的花费。我们采用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法计算从源点到每个目的节点的距离，这些目的节点是目前还没有包含在组播树T中的节点。

4)找出满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，找出到达该目的节点包含的无线链路，为这些无线链路分配信道。主要包含如下步骤：

i)对 $\∀(v_i,v_j)\∈\mathrm{Path}(G_2\→R_3),$ 判断无线链路(v_i，v_j)是否已经分配了信道，即判断x(ζ_p，v_i，v_j)是否为0，若为0，则转ii，否则，转vi。

ii)计算无线链路(v_i，v_j)满足QoS约束的信道集合ψ′(v_i，v_j)，对

如果B^k≥C_p，则k∈ψ′(v_i，v_j)。{注：B^k表示信道k的的带宽，C_p表示无线组播业务ζ_p的带宽约束}

iii)寻找信道k′， $k^{\′}=\arg \mathrm{Max}{\mathrm{\Σ}}_{v_w\∈(N\left(v_i\right)-v_j)}1\{k\∈\mathrm{\ψ}(v_i,v_w)\},$ k∈ψ′(v_i，v_j)，其中1{.}是条件函数，判断是否为真。{注：计算v_i最多邻居节点都具有的信道；即：某个信道k节点v_i具有，同时v_i的邻居也具有，并且信道k具有的邻居数最多}

iv)如果找到多个满足上述式子的信道k′，则再选择这些信道中带宽最高者作为被选择的信道。

v)x(ζ_p，v_i，v_j)分配信道k′，即x(ζ_p，v_i，v_j)＝k′。

vi)记k″＝x(ζ_p-1，v_i，v_j)，如果

则无线链路(v_i，v_j)还是使用已经分配的信道k″，即x(ζ_p，v_i，v_j)＝k″。否则，x(ζ_p，v_i，v_j)＝0，转ii。

5)对与这些无线链路中的节点相连，且满足条件的无线链路的权值进行修改。即，对与无线链路(v_i，v_j)具有相同节点v_i，且具有相同可用信道的无线链路的权值修改为0。

6)判断组播树T_p是否包含目的节点集合D_p中的所有节点，如果是，则结束，否则，转步骤4。

得到的结果是：得到无线组播业务ζ_p的最小花费组播树T_p，组播树T_p包含目的节点集合D_p中的所有节点。

有益效果：

本发明公开一种认知无线Mesh网络中QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法。主要包括如下步骤：1、将认知无线Mesh网络建模为无向图，2、构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)，3、初始化新到达的无线组播业务ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)对应的组播树T_p为空树，及初始化导出子图的边权值，4、计算从源点到每个没有包含在组播树T_p中的目的节点满足QoS约束的路由路径的花费，5、找出满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，找出到达该目的节点包含的无线链路，为这些无线链路分配信道，6、对与这些无线链路中的节点相连，且满足条件的无线链路的权值进行修改，7、重复步骤4-步骤6，直到组播树T_p包含目的节点集合D_p中的所有节点。本发明的认知无线Mesh网络中QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法，解决了认知无线Mesh网络中最小花费组播路由及频谱分配问题，并且可以实现了组播树的花费最小化，减少射频资源的使用。本发明可以最小化组播树的花费，以及减少射频资源的使用，主要得益于本发明利用了无线信道广播特性，以及不同信道具有不同的特性。

附图说明

图1是本发明认知无线Mesh网络模型的示意图；

图2是本发明最小花费组播路由及频谱分配的流程图；

图3是本发明无线组播业务ζ₁的组播路由路径及频谱分配示意图；

图4是本发明满足无线组播业务ζ₂的QoS约束的导出子图；

图5是本发明的导出子图构造流程图；

图6是本发明的频谱分配流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

本实施例中，图1所示为认知无线Mesh网络模型的示意图，分布着2个CR-Mesh网关，13个CR-Mesh路由器。图中CR_MR₂{2，3，5}/4表示CR-Mesh路由器节点R₂(R_i表示CR_MR_i路由器节点，G_i表示CR_MG_i网关节点)感知的可用信道为{2，3，5}，可用的射频接口数为4，即K₂＝3，I₂＝4。其他CR-Mesh节点的感知的可用信道集合以及具有的射频接口数如图1所示。5个可用信道的带宽分别是B＝{40，50，80，70，45}，单位为Mb/s。

本发明构造组播树及频谱分配的目标是最小化射频资源的使用，在组播树中射频资源的使用数等同于传输节点数。因此，组播树的花费指组播树中工作在所有用可用信道的传输节点的数目。

图2所示为本发明提出的满足QoS约束的最小花费组播路由及频谱分配方法的流程图。步骤如下：

S1-1构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)。本方法应用于实时的网络环境中，并且不知道无线组播业务的到达情况。

设ζ₁＝(G₁，{R₂，R₄，R₆，R₈，R₁₀，R₁₂}，20)是已经存在的无线组播业务，图3所示为无线组播业务ζ₁的组播路由路径及频谱分配示意图。其中G₁表示ζ₁的组播源点，D₁＝{R₂，R₄，R₆，R₈，R₁₀，R₁₂}表示ζ₁的组播目的节点集合，C₁＝20表示ζ₁的带宽约束。Path(G_i→R_j)表示从G_i到R_j的路径及频谱分配，cost(G_i→R_j)表示从G_i到R_j的路径的花费，cost(T_i)表示为无线组播业务ζ_i构造的组播树T_i的花费。

cost(G_i→R_j)表示从G_i到R_j的路径需要消耗的射频数。其中，

①、cost(G₁→R₂)＝1，

表示G₁到R₂需要消耗的射频数为1，即G₁把数据传输给R₂需要消耗1个射频资源，所以cost(G₁→R₂)＝1。

②、cost(G₁→R₆)＝1，其计算公式：cost(G₁→R₆)＝cost(G₁→R₁)+cost(R₁→R₆)，由于

即无线链路G₁到R₂分配为信道3，同时，由于

即无线链路G₁到R₁分配的信道也是3，由于无线信道广播特性的存在，即当G₁把数据传输给R₂时，R₁也收到了G₁传输的数据，因此，在路径

中，不需要统计G₁把数据传输给R₁需要消耗的射频资源，只需要统计R₁把数据传输给R₆消耗的射频资源数，

需要消耗的射频资源数为1，即R₁把数据传输给R₆需要消耗1个射频资源，所以cost(G₁→R₆)＝1。

③、cost(G₁→R₁₀)＝1，其计算公式：cost(G₁→R₁₀)＝cost(G₁→R₁)+cost(R₁→R₆)+cost(R₆→R₁₀)；由于无线业务数据包在Path(G₁→R₆)中已经传到了R₆，因此，在路径

中，不需要统计G₁把数据传输给R₁，以及R1把数据传输给R₆需要消耗的射频资源，只需要统计R₆把数据传输给R₁₀需要消耗的射频资源，

需要消耗的射频资源数为1，即R₆把数据传输给R₁₀需要消耗1个射频资源，所以cost(G₁→R₁₀)＝1。

④、cost(G₁→R₈)＝1，其计算公式：cost(G₁→R₈)＝cost(G₁→R₁)+cost(R₁→R₆)+cost(R₆→R₇)+cost(R₇→R₈)，由于无线业务数据包在Path(G₁→R₆)中已经传到了R₆，因此，在路径

中，不需要统计G₁把数据传输给R₆需要消耗的射频资源；由于

且，

即无线链路R₆到R₁₀，及R₆到R₇分配为信道分配的信道都5，由于无线信道广播特性的存在，即当R₆把数据传输给R₁₀时，R₇也收到了R₆传输的数据，因此，也不需要统计R₆把数据传输给R₇需要消耗的射频资源，只需要统计R₇把数据传输给R₈需要消耗的射频资源，

需要消耗的射频资源数为1，即R₇把数据传输给R₈需要消耗1个射频资源，所以cost(G₁→R₈)＝1。

⑤、cost(G₁→R₁₂)＝0，其计算公式：cost(G₁→R₁₂)＝cost(G₁→R₁)+cost(R₁→R₆)+cost(R₆→R₇)+cost(R₇→R₁₂)，由于无线业务数据包在Path(G₁→R₈)中已经传到了R₇，因此，在路径

中，不需要统计G₁把数据传输给R₇需要消耗的射频资源；由于

且，即无线链路R₇到R₈，及R₇到R₁₂分配为信道分配的信道都5，由于无线信道广播特性的存在，即当R₇把数据传输给R₈时，R₁₂也收到了R₇传输的数据，因此，也不需要统计R₇把数据传输给R₁₂需要消耗的射频资源，所以cost(G₁→R₁₂)＝0。

⑥、cost(G₁→R₁₂)＝1，其计算公式：cost(G₁→R₁₂)＝cost(G₁→R₁)+cost(R₁→R₆)+cost(R₆→R₇)+cost(R₇→R₈)+cost(R₈→R₄)，由于无线业务数据包在Path(G₁→R₈)中已经传到了R₈，因此，在路径

中，不需要统计G₁把数据传输给R₈需要消耗的射频资源，只需要统计R₈把数据传输给R₄需要消耗的射频资源，

需要消耗的射频资源数为1，即R₈把数据传输给R₄需要消耗1个射频资源，所以cost(G₁→R₁₂)＝1。

ζ₁中G₁到D₁中各目的节点的路径及花费情况如下表所示：

T₁是无线组播业务ζ₁对应的组播树，T₁中工作在各可用信道的传输节点集合如下表所示：

信道	1	2	3	4	5
						传输节点集合	{R7，R8}	{}	{G1}	{R1}	{R6}

其中式

中的3表示无线链路(G₁，R₂)分配的信道为3。其他无线链路分配的信道如下表所示：

x(ζ1，G1，R1)＝3	x(ζ1，G1，R2)＝3	x(ζ1，R1，R5)＝4	x(ζ1，R1，R6)＝4
				x(ζ1，R6，R7)＝5	x(ζ1，R6，R10)＝5	x(ζ1，R6，R11)＝5	x(ζ1，R7，R8)＝1
x(ζ1，R7，R12)＝1	x(ζ1，R8，R4)＝1	x(ζ1，R8，R3)＝1

cost(T₁)＝5的计算过程如下：

cost(T₁)＝∑_i∈K|V(T₁，i)|＝|V(T₁，1)|+|V(T₁，2)|+|V(T₁，3)|+|V(T₁，4)|+|V(T₁，5)|＝|{R₇，R₈}|+|{G₁}|+|{R₁}|+|{R₆}|＝5

表示无线组播业务ζ_j中在信道k流入R_i的负荷，表示无线组播业务ζ_j中在信道k从R_i流出的负荷，Γ＝{γ^k(R_i)|R_i∈V，k∈K_i}表示节点R_i在所有可用信道的负荷集合，γ^k(R_i)表示节点R_i在信道k的负荷，且 ${\mathrm{\γ}}^k\left(R_i\right)={\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\ζ}}_j\∈\mathrm{\Ψ}}({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{in}}^k({\mathrm{\ζ}}_j,R_i)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{out}}^k({\mathrm{\ζ}}_j,R_i)),$ 单位为Mb/s。

表示节点R_i在信道k的可用带宽，即

D₁中各目的节点R_i在所有可用信道的负荷及可用带宽情况如下表所示：

ζ₂＝(G₂，{R₁，R₃，R₅，R₇，R₉，R₁₁}，25)是最新到达的无线组播业务。G₂是ζ₂的组播源点。D₂＝{R₁，R₃，R₅，R₇，R₉，R₁₁}表示ζ₂的组播目的节点集合，C₂＝25表示ζ₂的带宽约束。图4所示为满足无线组播业务ζ₂的QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)。导出子图的构造流程如图5所示，主要包含如下步骤：

S2-1所有可用频谱集合非空且满足射频约束的节点加入节点集合V′，即，

表示节点v_i已经分配的信道集合。下面对每一个节点进行处理，已处理节点用计数器n表示。初始n＝0。

S2-2对v_i∈V′，计算节点v_i在所有可用信道的可用带宽

k∈K_i。已处理节点计数器n++。

S2-3对

计算节点v_i和节点v_j的相同可用信道集合ψ(v_i，v_j)。

S2-4对

计算无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M，其中

S2-5对于无线链路(v_i，v_j)，如果无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M≥C₂，并且

则添加无线链路(v_i，v_j)到E′中。

S1-2初始化无线组播业务ζ₂对应的组播树T₂为空树。初始化导出子图G′＝(V′，E′)的无线链路集合E′中所有的边的权值cost(e)为1，即cost(e)＝1。

S1-3计算从源点到每个目的节点满足QoS约束的路由路径的花费。我们采用Dijkstra算法计算从源点到每个目的节点的距离，这些目的节点是目前还没有包含在组播树T中的节点。组播源点G₂到D₂中的目的节点的路径花费如下表所示：

Rj	Path(Gi→Rj)	cost(Gi→Rj)
			R1	G2→R3→R2→R1	3
R3	G2→R3	1
			R5	G2→R3→R2→R1→R5	4
R7	G2→R3→R2→R7	3
			R9	G2→R4→R9	2
R11	G2→R3→R2→R7→R6→R11	5

S1-4找出满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，找出到达该目的节点的路径包含的无线链路，为这些无线链路分配信道。由上面的组播源点G₂到D₂中的目的节点的路径花费表可知Path(G₂→R₃)的花费cost(G₂→R₃)最小，因此，选择目的节点R₃，即找出所有包含在Path(G₂→R₃)中的无线链路(G₂，R₃)，并且为路径Path(G₂→R₃)分配信道。信道分配的流程如图6所示，主要包含如下步骤：

S3-1对Path(G₂→R₃)中所有没有处理的无线链路(v_i，v_j)，

$\∀(v_i,v_j)\∈\mathrm{Path}(G_2\→R_3),$ 判断无线链路(v_i，v_j)是否已经分配了信道，即判断x(ζ₂，v_i，v_j)是否为0，若为0，则转S3-2，否则，转S3-6。

S3-2计算无线链路(v_i，v_j)满足QoS约束的信道集合ψ′(v_i，v_j)，对 $\∀k\∈\mathrm{\ψ}(v_i,v_j),$ 如果B^k≥C₂，则k∈ψ′(v_i，v_j)。

S3-3寻找信道 ${k^{\′},k}^{\′}=\arg \mathrm{Max}{\mathrm{\Σ}}_{v_w\∈(N\left(v_i\right)-v_j)}1\{k\∈\mathrm{\ψ}(v_i,v_w)\},k\∈{\mathrm{\ψ}}^{\′}(v_i,v_j),$ 其中1{.}是条件函数，判断是否为真。

S3-4如果找到多个满足上述式子的信道k′，则再选择这些信道中带宽最高者作为被选择的信道。

S3-5 x(ζ₂，v_i，v_j)分配信道k′，即x(ζ₂，v_i，v_j)＝k′，转S3-7。

S3-6记k″＝x(ζ₁，v_i，v_j)，如果

则无线链路(v_i，v_j)还是使用已经分配的信道k″，即x(ζ₂，v_i，v_j)＝k″。否则，x(ζ₂，v_i，v_j)＝0，转S3-2。

S3-7判断Path(G₂→R₃)包含的无线链路是否已经全部处理完，如果是，则退出，否则，转S3-1。

S1-5对与这些无线链路中所有节点相连的无线链路的权值进行修改。即，对与无线链路(v_i，v_j)具有相同节点v_i，且具有相同可用信道的无线链路的权值进行修改。对于 $\∀(v_i,v_j)\∈\mathrm{Path}(G_2\→R_3),$ 如果v_w∈N(v_i)&&x(ζ₂，v_i，v_j)∈ψ(v_i，v_w)，则cost(v_i，v_w)＝0。

S1-6判断组播树T₂是否包含目的节点集合D₂中的所有节点，如果是，则结束，否则，转步骤S1-4。

ζ₂中G₂到D₂中各目的节点的路径及花费情况如下表所示：

由上表可知，通过本发明提出的方法，对于最新到达的无线组播业务ζ₂＝(G₂，{R₁，R₃，R₅，R₇，R₉，R₁₁}，25)，构造了一颗包含源点和目的节点集合的组播树，该组播树满足QoS约束，并且花费最小。说明本发明能实现组播树的花费最小化，有效减少射频资源的使用。

Claims (5)

1.一种认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将静止的CR-Mesh节点组成的认知无线Mesh网络建模为无向图G＝(V，E)；

其中V表示CR-Mesh节点的集合，E表示连接两个能相互通信的CR-Mesh节点的无线链路的集合；

步骤2：构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)；其中V′和E′分别为导出子图G′的节点集合和无线链路集合；

步骤3：初始化新到达的无线组播业务ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)；对应的组播树T_p为空树，并初始化导出子图的边权值；其中S_p表示组播源节点，D_p＝{r₁，r₂，...r_m}表示组播目的节点集合，C_p表示QoS约束；

步骤4：计算从源点到每个没有包含在组播树T_p中的目的节点满足QoS约束的路由路径的花费；

步骤5：找出满足QoS约束的具有最小花费的路由路径的目的节点，找出到达该目的节点包含的无线链路，为这些无线链路分配信道；

步骤6：对与这些无线链路中任一节点相连的无线链路的权值进行修改，即修改为0；

步骤7：判断组播树T_p是否包含目的节点集合D_p中的所有节点，如果是，则结束，否则，转步骤4。

2.根据权利要求1所述的认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，其特征在于，步骤2中的构造满足QoS约束的导出子图G′＝(V′，E′)的步骤为：

i)ζ_p＝(S_p，D_p，C_p)是新到达的无线组播业务，所有可用频谱集合非空且满足射频约束的节点加入节点集合V′，即，vi∈V′，其中S_p表示组播源节点，D_p＝{r₁，r₂，...r_m}表示组播目的节点集合，C_p表示QoS约束；

可用频谱集合非空且满足射频约束的节点即满足

其中K_i表示可用信道集合，I_i表示射频接口数，简称射频数，&&表示逻辑与，X(v_i)表示节点v_i已经分配的信道集合；下面对每一个节点进行处理，已处理节点用计数器n表示；初始化n＝0；

ii)对v_i∈V′，计算节点v_i在所有可用信道的可用带宽

k∈K_i，，已处理节点计数器n加1；

iii)对

计算节点v_i和节点v_j的相同可用信道集合ψ(v_i，v_j)，用于计算最大的可用带宽M；

iv)对

计算无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M，其中

v)对于无线链路(v_i，v_j)，如果无线链路(v_i，v_j)的最大可用带宽M≥C_p，并且

则添加无线链路(v_i，v_j)到E′中；C_p表示QoS约束，即带宽约束；

vi)判断n是否小于V′的节点数，如果是，结束，否则，转步骤ii)。

3.根据权利要求1所述的认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，其特征在于，步骤3中，初始化导出子图G′＝(V′，E′)的无线链路集合E′中所有的边

的权值cost(e)为1，即cost(e)＝1。

4.根据权利要求1所述的认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，其特征在于，步骤4中：采用Dijkstra算法计算从源点到每个目的节点满足QoS约束的路由路径的花费。

5.根据权利要求1-4任一项所述的认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，其特征在于，步骤5中分配信道的步骤为：

i)对Path(S_p→R_y)中所有没有处理的无线链路(v_i，v_j)，

$\∀(v_i,v_j)\∈\mathrm{Path}(S_p\→R_y),$ 其中S_p表示源节点，R_y表示任一目的节点，判断无线链路(v_i，v_j)是否已经分配了信道，即判断x(ζ_p，v_i，v_j)是否为0，若为0，则转ii，否则，转vi；

ii)计算无线链路(v_i，v_j)满足QoS约束的信道集合ψ′(v_i，v_j)，即对

如果B^k≥C_p，B^k表示信道k的的带宽，C_p表示无线组播业务ζ_p的带宽约束，则k∈ψ′(v_i，v_j)；

iii)寻找信道k′， $k^{\′}=\arg \mathrm{Max}{\mathrm{\Σ}}_{v_w\∈(N\left(v_i\right)-v_j)}1\{k\∈\mathrm{\ψ}(v_i,v_w)\},$ k∈ψ′(v_i，v_j)，其中1{.}是条件函数，判断是否为真；

iv)如果找到多个满足上述式子的信道k′，则再选择这些信道中带宽最高者作为被选择的信道；

v)x(ζ_p，v_i，v_j)分配信道k′，即x(ζ_p，v_i，v_j)＝k′，转vii)；{注：第i)步中，如果x(ζ_p，v_i，v_j)不为0，则转vi)}

vi)记k＂＝x(ζ_p-1，v_i，v_j)，如果

则无线链路(v_i，v_j)还是使用已经分配的信道k＂，即x(ζ_p，v_i，v_j)＝k＂；否则，x(ζ_p，v_i，v_j)＝0，转ii)；

vii)判断Path(S_p→R_y)包含的无线链路是否已经全部处理完，如果是，则退出，否则，转i)。

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