CN103036591B - 一种基于代价函数的时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于代价函数的时隙分配方法，应用于一PLC网络中，包括如下步骤：头节点获取所在小型网络单元的拓扑信息，包括用户终端设备、转发节点的位置和各链路的代价函数；该头节点根据代价函数对各用户分配最低公平时隙；以及步骤三，根据用户的拓扑位置，进行各节点的时隙复用，本发明可以在保证各CPE时隙分配公平性的同时，提高时隙分配的效率，提高网络的性能。

Description

一种基于代价函数的时隙分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于代价函数的时隙分配方法，特别是涉及电力线载波通信中的一种基于代价函数的时隙分配方法。 

背景技术

电力线通信(powerlinecommunication，PLC)网络技术由于可用现成的电力线网络，可与现有因特网联合灵活组网，正成为下一代网络的重要组成部分。IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会)制定了有关PLC通信的标准P1901。考虑到为用户提供具有QoS(Quality of Service，服务质量)保证的高速率数据传输服务，时分复用(Time-Division Multiplexing，TDM)是PLC通信的基本复用技术。因此设计一个合适的时隙分配方法，使得各用户达到较好的时隙分配公平性的同时，也达到高效的时隙利用，这是一个很重要的课题。 

针对网络时隙分配的公平性，在基于比例公平原则的基础上，目前主要通过计算各用户在网络中的代价函数，即计算各用户在网络中获得相同网络性能(如相同的数据传输量)时，需多少归一化的传输时间。然后再根据该代价函数，按比例分配各用户的可用时隙数，使得各用户最终达到时隙分配的公平性。 

针对网络时隙分配的高效性，目前主要通过时隙空间复用的方法实现。针对网络拓扑是否已知，可分为基于着色理论的复用方法和基于干扰的复用方法。前者又可分为基于顶点着色的复用方法、基于边着色的复用方法、基于顶点和边联合着色的复用方法。基于图论中的着色理论的复用方法主要是对网络中空间不冲突的各顶点和边分配同一时隙以达到提高网络性能的目的。而基于干扰的复用方法主要是控制节点的信号功率，在信号不相互干扰的节点之间进行时隙复用以提高网络性能。前者主要考虑网络的拓扑而后者主要考虑网络的信号 传输特性。 

然而，在现有时隙分配方法中，针对公平性的时隙分配方法往往不考虑时隙的复用，而针对高效性的时隙分配方法往往无法达到各用户的公平性，甚至会因此损害各用户的公平性。特别是在PLC网络中，由于网络往往是树形拓扑结构，由于各用户节点距离网络头节点的距离差别较大，使得各用户到达头节点的代价也差别较大，若要保证各用户的公平性，则势必因为照顾其中的一部分用户的利益而牺牲另一部分用户的利益。当然，这也是因为效率和公平本来就是一对矛盾。但对于用户来说，还是希望一个网络，能在保证一定资源分配公平性的同时，尽量提高能获得的性能。因此，亟待设计一种时隙分配方法，使得时隙分配在保证公平性的同时，提高时隙分配的高效性。 

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种基于代价函数的时隙分配方法，其可以针对PLC网络的特殊拓扑结构，在保证各CPE时隙分配公平性的同时，提高时隙分配的效率，提高网络的性能。 

为达上述及其它目的，本发明一种一种基于代价函数的时隙分配方法，应用于一PLC网络中，包括如下步骤： 

步骤一，头节点获取所在小型网络单元的拓扑信息，包括用户终端设备、转发节点的位置和各链路的代价函数； 

步骤二，该头节点根据代价函数对各用户分配最低公平时隙；以及 

步骤三，根据用户的拓扑位置，进行各节点的时隙复用。 

进一步地，该代价函数MC＝{cij}，其中cij表示第i个用户到HE的路径中第j跳链路的代价函数，且以各用户终端设备为起点各用户终端设备到该头节点的端到端代价函数为： 

$C_i=\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{I_j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{c_{\mathrm{ij}}}}.$

进一步地，该头节点从公平性原则出发，各用户分配的时隙数权重为端到端代价函数的倒数。 

进一步地，若该头节点有可分配时隙数为M，则各用户的公平时隙数为： 

$m_i=\frac{w_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i}M$

其中w_i为时隙数权重。 

进一步地，于步骤三中，各用户的独立分配时隙数为 

MM＝X MF 

其中，MF＝{fi}，fi表示第i个用户的独立分配时隙数，MM＝{mi}，mi表示第i个用户的公平分配时隙数，X＝{xij}表示复用矩阵，xij表示第i个用户与第j个用户是否可复用。 

与现有技术相比，本发明一种基于代价函数的时隙分配方法通过首先对各用户分配最低公平时隙，再根据用户的拓扑位置，进行时隙复用，实现了提高时隙分配效率的目的，本发明在保证时隙分配公平性的同时，提高时隙分配的效率，提高网络的性能。 

附图说明

图1为本发明所应用的一个典型的PLC网络的网络架构示意图； 

图2为本发明一种基于代价函数的时隙分配方法的步骤流程图； 

图3为本发明较佳实施例中一小型网络单元的五节点网络拓扑图。 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。 

图1为本发明所应用的一个典型的PLC网络的网络架构示意图。如图1所示，一个典型的PLC网络主要由各小型网络单元(BS)组成，每个BS中有一个头节点(HE)、少量转发节点(RP)和一些用户终端设备(CPE)。头节点HE负责管理该BS，用户终端设备CPE为用户提供网络接入服务，转发节点RP为无法与头节点HE直接通信的用户终端设备CPE提供中继转发服务。BS内部一般具有树形拓扑结构。由于头节点HE对BS的网络拓扑和节点状态有充分了解，因此BS内部的时隙复用分配一般由头节点HE采用集中式分配复用方法，有助于获得更好的性能。 

图2为本发明一种基于代价函数的时隙分配方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种基于代价函数的时隙分配方法，包括如下步骤： 

步骤201，头节点HE获取所在小型网络单元BS的拓扑信息，包括用户终端设备CPE、转发节点RP的位置和各链路的代价函数MC＝{cij}。这里cij表示第i个用户到HE的路径中第j跳链路的代价函数，则可计算以各CPE为起点计算各CPE到HE的端到端代价函数 

$C_i=\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{I_j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{c_{\mathrm{ij}}}}---\left(1\right)$

以图1所示的BS2为例，该BS中包含三个CPE(U1，U2，U3)和二个RP(R1，R2)，如图3所示。如对U1来说，其数据需经过R1和R2转发才能最终到底HE，则对U1来说，其代价函数为 

$c_1=\frac{1}{\frac{1}{c_{11}}+\frac{1}{c_{12}}+\frac{1}{c_{13}}}---\left(2\right)$

若这里的cij为带宽，则端到端代价函数ci相当于对一个用户来说到HE的归一化带宽，即单位时间内从用户到HE的传输数据量。 

步骤202，头节点HE根据代价函数对各用户分配最低公平时隙。 

从公平性原则出发，HE需为各用户分配的时隙数权重为端到端代价函数 的倒数。即 

$w_i=\frac{1}{c_i}---\left(3\right)$

也就是，若HE有可分配时隙数为M，则各用户的公平时隙数为 

$m_i=\frac{w_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i}M---\left(4\right)$

假设时隙时长为Ts，则各用户的公平速率为 

$s_i^f=c_i{m}_i\mathrm{Ts}---\left(5\right)$

这里的公平速率定义为端到端速率，即从用户到HE的数据平均传输速率。尽管这里的公平时隙数分配至用户名下，但并不是该用户节点直接使用，为保证用户的数据最终到达HE，该公平时隙数的部分必须分配给该用户所在端到端链路上的各RP。如用户U1的公平时隙数m1中的一部分，必须分配给R1和R2使其能转发U1的数据。 

步骤203，根据用户的拓扑位置，进行各节点的时隙复用。 

从高效性原则出发，需考虑BS中各节点的时隙复用。如图3所示，BS2中的U1、U2、U3的时隙都可空间复用。根据空间复用原则，各用户所需的公平分配时隙数mi中，有部分时隙可与其他用户复用。也就是各用户的独立分配时隙数为 

MM＝X MF    （6） 

其中，MF＝{fi}，这里fi表示第i个用户的独立分配时隙数；MM＝{mi}，这里mi表示第i个用户的公平分配时隙数；X＝{xij}表示复用矩阵，这里xij表示第i个用户与第j个用户是否可复用。 

同样以图2所示BS为例，由于U3分别可与U1和U2时隙复用，U1和U2由于都需R1转发，无法时隙复用，节点自己的时隙肯定完全复用，因此复用矩阵为 

$X=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& a\\ 0& 1& b\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，参数a和b表示用户之间的时隙复用度，当a+b＝1时，达到满足公平性的最大复用度。 

这里的公平性指数根据Jain的定义，定义为各CPE公平速率和平方与平方和的比值。如公式(8)所示，这里假设有I个CPE， 为第i个CPE的公平速率。时隙复用度定义为对各CPE公平分配时隙数与独立分配时隙数的比值，如公式(9)所示。 

$f=\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i^f\right)}^2}{I\·\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\left(s_i^f\right)}^2}---\left(8\right)$

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}---\left(9\right)$

在本发明较佳实施例中，以图3中BS2的拓扑结构为例进行说明，假设各链路的代价函数都相等(如都为100MB带宽)，即MC为常数矩阵。则有各用户端到端的公平代价比例为c1∶c2∶c3＝2∶3∶6。则各用户的公平分配时隙数比例为m1∶m2∶m3＝3∶2∶1。此时各用户速率比例为 则公平指数为1，即达到最大公平性。考虑到时隙复用，当a+b＝1时，达到最大复用度，且 时隙复用指数r＝1.667。 

可见，本发明一种基于代价函数的时隙分配方法针对时隙分配的公平性和高效性是一对矛盾的特点，通过首先对各用户分配最低公平时隙，再根据用户的拓扑位置，进行时隙复用，实现了提高时隙分配效率的目的，本发明在保证时隙分配公平性的同时，提高时隙分配的效率，提高网络的性能。 

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。 

Claims (1)

1.一种基于代价函数的时隙分配方法，应用于一PLC网络中，包括如下步骤：

步骤一，头节点获取所在小型网络单元的拓扑信息，包括用户终端设备、转发节点的位置和各链路的代价函数；

步骤二，该头节点根据代价函数对各用户分配最低公平时隙；以及

步骤三，根据用户的拓扑位置，进行各节点的时隙复用；其中，

该代价函数MC＝{cij}，其中cij表示第i个用户到HE的路径中第j跳链路的代价函数，且以各用户终端设备为起点各用户终端设备到该头节点的端到端代价函数为：

$C_i=\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{I_j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{c_{\mathrm{ij}}}};$

该头节点从公平性原则出发，各用户分配的时隙数权重为端到端代价函数的倒数；

若该头节点有可分配时隙数为M，则各用户的公平时隙数为：

其中w_i为时隙数权重；

步骤三中，各用户的独立分配时隙数为：

MM＝X·MF

其中，MF＝{fi}，fi表示第i个用户的独立分配时隙数，MM＝{mi}，mi表示第i个用户的公平分配时隙数，X＝{xij}表示复用矩阵，xij表示第i个用户与第j个用户是否可复用。