CN102685909B - 基于极大编码机会的多信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于极大编码机会的多信道分配方法，其步骤是：第一步，初始化网络拓扑；第二步，划分节点优先级；第三步，对高优先级节点分配信道；第四步，对次优先级节点分配信道；第五步，对低优先级节点分配信道。本发明所提出的基于极大编码机会的多信道分配方法提高了网络的整体吞吐量，降低了网络拓扑中信道间干扰。

Description

基于极大编码机会的多信道分配方法

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，特别是涉及一种基于极大编码机会的多信道分配方法。

背景技术

在传统的网络传输中均采用存储—转发的模式(Store-and-Forward)，即节点只对数据包进行复制以及转发，这样的传输机制的容量在理论上只能达到链路的最大容量，因此该模式已经使得当前的网络性能无法再提高，但是从信息论角度来看，节点对于数据包的处理不应当仅仅局限在复制、转发的效用，应该对数据包作进一步的处理，在此基础上Ahlswed等人在2000年提出了网络编码(Network Coding)的思想。

网络编码的提出是以信息论为基础的，它打破了传统通信技术的信息处理方式，基于组播思想，通过对来自不同数据流的节点进行编码操作，使得网络组播达到最大流理论的极限。目前已经得到国内外许多学者以及研究机构的关注，成为提高无线网络的研究热点之一。网络编码技术的提出大大地增加了网络容量达到理想值的可能性，而传统的网络编码是基于单信道实现的，单信道网络编码技术的使用相比传统的存储—转发模式降低了传输的次数，而对网络中的链路资源利用率较低，在802.11a/b/g协议栈中均定义每个网卡中有多个正交的信道可以使用，因此单信道网络编码技术对网络中信道的利用造成了浪费，同时网络编码在单信道的环境下使用容易造成单信道中常见的隐藏终端或者暴露终端问题。

多信道技术作为当前无线网络提高链路利用率的关键技术之一，已经得到了国内外学者的广泛关注，而当前关于多信道技术的研究主要是设计合理的信道分配算法以降低信道间干扰，从而提高整个网络的性能。多信道技术的应用实现了节点在同一时刻可以和多个不同的节点进行通信，这样提高了网络资源的利用率，同时使得网络的整体吞吐量得到了极大的提高。当前关于多信道技术的研究有很多种。从射频数量来分，主要有单射频多信道技术、多射频多信道技术；从研究手段来分，主要有基于流量控制、基于拓扑控制、节点分簇、图论等；从信道的动态性来分，主要有静态信道分配、动态信道分配以及混合信道分配等。但是传统的多信道分配技术仅仅考虑信道分配以降低信道干扰，并且一些方法将多信道分配问题归约到网络拓扑控制层面，而当前关于拓扑控制的最优问题仍然还是一个NP完全问题，因此，在很多情况下并不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高了网络的整体吞吐量、降低网络拓扑中信道间干扰的基于极大编码机会的多信道分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于极大编码机会的多信道分配方法包括以下步骤：

第一步，初始化网络拓扑

给每个无线节点配置两个无线射频，随机选择一个作为初始化射频；

第二步，划分节点优先级

节点分配信道的先后次序称为节点优先级。本专利中将节点的优先级分为三个等级，即高优先级，次优先级以及低优先级。

由于节点的编码机会与节点的度成正比关系，在网络拓扑的初始化后，计算网络拓扑中各个节点的度，选取该网络中度最大且连接边缘节点（将无线网络中节点位置处在该网络结构最外层的节点称为边缘节点）个数最多的作为潜在编码节点（将无线网络中可能存在编码机会的节点称为潜在编码节点），并连同其一跳节点作为满足该潜在编码节点的潜在编码结构（将无线网络中潜在编码节点以及其一跳邻居节点所构成的网络结构称为潜在编码结构）；根据节点度的计算结果，可以得出潜在编码节点集合以及若干潜在编码结构；而在不同的潜在编码结构中可能存在相交的节点，即一个或者多个节点可能同时处于两个不同的潜在编码结构中，将这类节点设置为高优先级节点；将潜在编码节点集合中的各个节点设置为次优先级节点；将边缘节点及其他非高优先级、非次优先级节点设置为低优先级节点；

第三步，对高优先级节点分配信道

首先，高优先级节点间分配信道；然后，高优先级节点与次优先级节点（潜在编码节点）间分配信道；最后，高优先级节点与低优先级节点间分配信道；基本分配原则是相邻信道不能分配相同信道；

多信道分配主要是降低信道间的干扰，如果在信道分配过程中，存在一条链路不管分配哪个信道都会增加对相邻信道的干扰，那么就断开这条链路，其两端的节点通过其他链路进行通信；

第四步，对次优先级节点分配信道

首先计算各个潜在编码节点与其邻居节点集合中未分配信道的邻居节点个数，再按照个数递减的顺序选择潜在编码节点的分配顺序，即拥有未分配信道的邻居节点个数最多的潜在编码节点优先对其分配信道；如果存在一条链路不管分配哪个信道都会增加对相邻信道的干扰，那么就断开这条链路，其两端的节点通过其他链路进行通信；

第五步，对低优先级节点分配信道

高优先级节点相比低优先级节点更能保证网络拓扑的连通性，若低优先级节点进行信道分配时产生信道冲突，那么应当遵循高优先级节点和次优先级节点的信道分配结果，即保证不更改高优先级节点和次优先级节点已分配的信道。

本发明的方法的主要特点如下：

（1）多信道网络编码相比单信道网络编码的网络性能在理论上得到了较大的提高。多信道网络编码的技术的使用，使得编码节点在同一个时间片内能够接收到来自不同源节点的数据包，表1描述了假设每条数据流有n个数据包，单信道网络编码与多信道网络编码完成n个数据包交换分别所需的时间，其中x代表时间片。

表1n个数据包采用单/多信道网络编码技术完成数据交换所需时间表

由表1可以看出单信道网络编码技术完成n个数据包的交换需要3n-1个时间片，而多信道网络编码技术完成n个数据包交换相应地需要2n+1个时间片，因此多信道网络编码技术相比单信道网络编码技术在传输时间上的增益为(3n-1)/(2n+1)，当数据包n的数量趋于极限值时，可得最大的传输时间增益为3/2，因此多信道网络编码技术相比单信道网络编码在网络性能上得到了显著的提高。

（2）本算法相比传统的COPE协议，吞吐量增益提高最大约32%，最小约12%，并且随着时隙的增加，多信道网络编码的吞吐量呈现递增的趋势，而COPE以及最短路径算法均呈现递减的趋势。

（3）本算法的实际增益与理论编码增益呈现一致的趋势。

附图说明

图1为HLCA方法主要流程图；

图2为HLCA节点信道分配顺序图；

图3为网络拓扑中节点度与编码机会的关系图；

图4为网络拓扑初始化结构图；

图5为高优先级节点的信道分配图；

图6为次优先级节点的信道分配图；

图7为低优先级节点的信道分配图；

图8为完成信道分配后的网络拓扑图；

图9为时隙与网络吞吐量的关系图；

图10为网络增益在不同时隙下实验值与理论值的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述：

结合图1。详细描述了基于极大编码机会的多信道分配流程，该算法的关键是将网络拓扑中的节点按照不同优先级进行划分。算法的初始化需要选出该拓扑中所有的潜在编码节点，而关于潜在编码节点的选取需要遵循节点度最大以及所连接边缘节点最多为原则，初始化网络拓扑形成潜在编码节点集合D，并将该集合中的优先级设置为次优先级；本发明中提出的信道分配算法的前提是保证网络拓扑的极大连通，因此在节点优先级的划分中要将处在不同潜在编码结构中的节点作为优先级最高的节点，并对该类节点进行信道分配，首先考虑高优先级节点间的信道分配，这样就保证了不同潜在编码结构间的连通性，将该类节点写入集合H中；其次将剩余的节点写入到集合L中，并将其优先级定为低优先级。将网络中得所有节点进行了优先级的划分，因此在信道分配的过程中严格按照优先级从高到低的顺序进行信道分配，首先对高优先级节点间进行信道分配，其次对高优先级与次优先级节点间的链路进行信道分配，若出现与高优先级节点间已分配的信道冲突的情形，则对该链路不进行信道分配，这样的信道分配思想是为了保证高优先级节点间的彼此相连，从而保证整个网络拓扑的极大连通，同时降低信道干扰。

结合图2。H、M、L分别表示网络结构中的高优先级、次优先级、低优先级节点集合，连线代表节点间分配信道，数字代表分配的先后顺序。①所在连线表示第一步进行高优先级节点间的信道分配；②所在连线表示第二步进行高优先级节点和次优先级节点间的信道分配；③所在连线表示第三步进行高优先级节点和低优先级节点间的信道分配；④所在连线表示第四步进行次优先级节点和低优先级节点间的信道分配；⑤所在连线表示第五步进行低优先级节点间的信道分配。

结合图3。该图表示网络拓扑中节点度与编码机会的关系。可以看出，节点的编码机会与节点的度存在正比关系。

图4到图8表示的是本发明的一个实施例。

1、初始化网络拓扑

图4为拥有20个节点的随机无线网络拓扑图，图中节点间存在线段表明该节点对互为邻居节点，在每个无线节点配置两个无线射频，随机选择一个作为初始化射频，在本发明中假设节点的初始化射频的信道初始化选择信道1，如图4所示为初始化后的无线网络拓扑图，这样的初始化保证网络的连通性。

由图3可得节点编码机会的大小跟节点的度成正比关系，因此在完成网络拓扑的初始化后，开始计算网络拓扑中各个节点的度，选取该网络中度最大且连接边缘节点个数最多的作为第一个潜在编码节点，并将其一跳节点作为满足该潜在编码节点的潜在编码结构，如图4所示，在网络拓扑初始化阶段选取节点2作为第一个潜在编码节点，由于节点2的度为6且连接的边缘节点个数为4，从而形成潜在编码结构1；按照该潜在编码节点的选取规则，节点6将被选取为第二个潜在编码节点（虽然节点11的度大于节点6的度，但是由于节点11已经被划分到潜在编码结构1中，因此不能再被选作为潜在编码节点），从而形成第二个潜在编码结构2，按照此节点选取规则，从而形成图4所示的初始化网络拓扑结构。

初始化完成的网络拓扑，如图4所示，节点集合{2，6，8，14，17，19}为潜在编码节点集合，该集合中的节点将该网络拓扑分为6个潜在编码结构，而在不同的潜在编码结构中可能存在相交的节点，即一个或者多个节点可能同时处于两个不同的潜在编码结构中，如图所示的节点集合{3，11}同时处在潜在编码结构1和潜在编码结构2中，由于该类节点连接了两个不同的潜在编码结构，因此在保证拓扑连通性的前提下将该类节点的优先级设置为最高；而边缘节点对整个网络拓扑连通性的影响最小，因此将其的优先级定位最低。

2、按照节点优先级顺序进行信道分配

首先对高优先级节点进行信道分配。如图5所示，节点集合{3，11}和{5，9}拥有最高信道分配的优先级，因此首先考虑该集合中节点间的信道分配情况，由于节点3和节点11为一跳邻居节点（节点5和节点9未处在各自的通信范围内），因此首先随机选择一个信道作为节点3和节点11间的通信信道，如图所示，将链路l_3-11分配信道3；当所有高优先级节点间的信道分配完成后，考虑高优先级与次优先级节点间的信道分配，如图5所示，次优先级节点的集合为{2，6，8，14，17，19}，因此需要完成集合{3，11}、{5，9}分别与集合{2，6，8，14，17，19}间的信道分配，如图所示，节点3分别与节点2和节点6互为一跳邻居，因此将信道2作为链路l_2-3和l_3-6的通信信道，同理完成如图5所示的高优先级节点与次优先级节点间的信道分配；最后对高优先级节点与低优先级节点间的信道进行分配，基于降低信道间干扰的原则，如图所示链路l_1-3分配信道3，这样降低了信道间的干扰，同理完成高优先级与低优先级节点间的信道分配，但如图5中链路l_11-13不管分配哪个信道都会增加对相邻信道的干扰，因此断开链路l_11-13，从而形成图5所示的拓扑结构。其中2、6、8、14、17、19号节点为潜在编码节点，虚线圈表示潜在编码结构（方框中的数字为其代号），节点间线段上的数字表示信道号，加粗线段表示为高优先级节点分配的信道。画“×”的线段表示此链路不分配信道。

其次对次优先级的节点进行信道分配。在图5中对高优先级的节点进行了信道分配，由于在选取潜在编码节点时采用了节点度的分配策略，因此潜在编码节点间不存在一跳邻居的情形。对次优先级节点进行信道分配归纳起来就是对次优先级节点和低优先级节点间的信道进行分配。如图6中所示，首先计算各个潜在编码节点与其邻居节点集合中未分配信道的节点个数，按照节点个数递减的顺序选择潜在编码节点的分配顺序，如图6所示，潜在编码节点2中的未分配信道的邻居节点个数为4，因此先对节点2及其一跳邻居节点分配信道，从而可得如图所示的信道分配图；在该信道分配中可能会出现与第一步中已分配的信道出现冲突，如图6中链路l_8-15由于其相邻链路中已经出现2条不同的链路，因此该链路不能分配信道。图中，较粗线段表示为次优先级节点分配的信道。画“×”的线段表示此链路不分配信道。

最后通过对低优先级节点进行信道分配来调节整个网络中的信道分配。通过对次优先级节点的信道分配保证了网络拓扑的连通性，因此最后通过低优先级节点间的信道选择来完成整个网络拓扑的信道分配；如图7所示为低优先级节点完成信道分配后网络拓扑图，在该信道分配过程中，严格遵守节点优先级的顺序，即低优先级节点的信道分配产生信道冲突遵循高优先级节点的信道分配结果，这是由于高优先级节点相比低优先级节点更能保证网络拓扑的连通性。图中，未加粗线段表示为低优先级节点分配的信道。画“×”的线段表示此链路不分配信道。

通过以上对不同优先级的节点进行信道分配，如图4所示的网络拓扑结构完成多信道分配后形成如图8所示的网络拓扑，即采用多信道分配后的网络拓扑为原网络拓扑结构的连通子图，在该网络拓扑图中存在大量的满足多信道网络编码条件的编码单元，图中虚线圈表示信道分配完成后，形成的由若干节点组成的编码单元。

结合图9。由仿真结果可以看出，将COPE协议与HLCA方法结合在一起的网络吞吐量要比单纯应用COPE协议或ShortPath协议在随着时隙不断增加时，有一定的提高。

结合图10。图为网络编码增益随着时隙增分别在单、多信道下实验值与理论值的对比。可以看出，本方法的实际增益与理论编码增益呈现一致的趋势。

Claims (1)

1.一种基于极大编码机会的多信道分配方法,其特征在于包括以下步骤：

第一步，初始化网络拓扑

给每个无线节点配置两个无线射频，随机选择一个作为初始化射频；

第二步，划分节点优先级

节点的编码机会与节点的度成正比关系，在网络拓扑初始化后，计算网络拓扑中各个节点的度，选取该网络中度最大且连接边缘节点个数最多的作为潜在编码节点，并连同其一跳节点作为满足该潜在编码节点的潜在编码结构；根据节点度的计算结果，可以得出潜在编码节点集合以及若干潜在编码结构；而在不同的潜在编码结构中可能存在相交的节点，即一个或者多个节点可能同时处于两个不同的潜在编码结构中，将这类节点设置为高优先级节点；将潜在编码节点集合中的各个节点设置为次优先级节点；将边缘节点及其他非高优先级、非次优先级节点设置为低优先级节点；

第三步，对高优先级节点分配信道

首先，高优先级节点间分配信道；然后，高优先级节点与次优先级节点间分配信道；最后，高优先级节点与低优先级节点间分配信道；相邻链路不能分配相同信道；

多信道分配主要是降低信道间的干扰，如果在信道分配过程中，存在一条链路不管分配哪个信道都会增加对相邻信道的干扰，那么就断开这条链路，其两端的节点通过其他链路进行通信；

第四步，对次优先级节点分配信道

首先计算各个潜在编码节点与其邻居节点集合中未分配信道的邻居节点个数，再按照个数递减的顺序选择潜在编码节点的分配顺序，即拥有未分配信道的邻居节点个数最多的潜在编码节点优先对其分配信道；如果存在一条链路不管分配哪个信道都会增加对相邻信道的干扰，那么就断开这条链路，其两端的节点通过其他链路进行通信；

第五步，对低优先级节点分配信道

高优先级节点相比低优先级节点更能保证网络拓扑的连通性，若低优先级节点进行信道分配时产生信道冲突，那么应当遵循高优先级节点和次优先级节点的信道分配结果，即保证不更改高优先级节点和次优先级节点已分配的信道。