CN103428805A - 一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法，包括如下步骤1）依据虚拟请求筛选获得物理网络资源；2）根据无线物理链路构建干扰模型；3）生成虚拟节点列表、空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表、空的已分配的虚拟节点列表和空的已使用过的信道列表；4）生成物理节点列表和物理节点的邻居节点列表；5）节点映射；6）筛选链路；7）链路选择与映射；综合链路的可靠性以及链路的干扰性会反作用于无线链路的通信的因素，采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法找到最短路径，在链路映射后选择的路径中每条物理链路都是在使用过的信道列表中不同的信道，采取了“协分步”资源分配方法，有效地协调了节点和链路之间的分配。

Description

一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法

技术领域

本发明涉及一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法。

背景技术

随着无线网络的发展，很多接入和核心网络都采用无线通信技术，无线网络的虚拟化技术获得越来越多的关注和研究。无线网络虚拟化可以将多个虚拟的无线网络运行在同一个物理网络中以支持不同的定制化服务。虚拟网络的分配是网络虚拟化的核心，为每一个虚拟网络请求分配底层的物理网络资源，同时尽可能满足虚拟网络请求和最小化底层网络资源的使用。在有线网络架构中，网络虚拟化的资源分配问题主要是将虚拟节点和虚拟链路映射到合适的物理节点和物理路径上。然而在无线网络中，资源分配需要面临诸如链路的干扰（如当前的无线链路的选择和分配会对已分配的虚拟网络造成不同程度的干扰，如果干扰足够强甚至会中断已分配的网络服务。）、节点的移动等特征，使得分配问题变得更加复杂和困难。较之于有线链路固有隔离性，无线链路具有的广播特性使得无线虚拟网络的分配存在链路的干扰问题，从而影响到虚拟网络的性能。

目前无线网络虚拟化的资源分配方法研究较少，但却具有十分重要的研究意义。在无线网络环境中，底层物理节点拥有计算等资源，而物理链路拥有带宽等资源。目前的资源的分配方法多采用“两步”映射方法，即在分配虚拟网络的过程，首先分配所有的虚拟节点，当所有的虚拟节点分配完之后，再进行虚拟链路的分配，使得节点分配和链路分配处于相互分离的状态。两步映射方法采取的是两个阶段的单目标优化问题解决方案，在分配中会出现问题：当所有的节点映射完之后，发现无法满足所有链路的约束需求，采取回溯的办法会增加时间的开销，降低分配的效率；同时两步分配方法也难以得到虚拟网络分配的全局最优，即节点初始映射中，排序队列需要经常更新，耗时耗力；节点迁移必然造成节点映射开销大，算法效率低；场景特定，适应性和灵活性不足；当虚拟网络拓扑规模较大时，算法性能低下，需要进行优化等。除此之外，在无线网络环境下，底层的物理链路的丢包率明显高于有线链路，原因在于有线链路的固有天然隔离性保证了链路之间的干扰很少；而无线链路具有固有的广播特性，受干扰的程度很大。

迪杰斯特拉方法是用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径，其主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。

发明内容

本发明提出了一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法，其目的在于，为了克服上述现有技术中存在的，在无线网络中，由于链路之间的干扰关系所造成的网络节点和链路资源虚拟化分配的不均和效率低下问题。

一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法，包括如下步骤：

1）物理网络节点按照虚拟请求从整个物理网络中选择匹配的物理网络资源，物理网络资源包括物理节点、物理节点之间形成的无线物理链路以及物理节点的可用信道；

物理网络节点根据自身当前CPU计算能力以及虚拟请求所需节点资源和约束请求判断是否接受该虚拟请求，如果物理网络节点不接受该虚拟请求则该虚拟请求进入等待队列，同时对下一个虚拟请求选择匹配的物理网络资源；

2）根据无线物理链路构建干扰模型；

所述干扰模型是指无线物理链路构建的干扰矩阵I，干扰矩阵大小为|L^s|×|L^s|，其中，L^s表示无线物理链路集合，|L^s|表示无线物理链路的条数，无线物理链路i和无线物理链路j之间存在干扰，则I_ij=1，无线物理链路i和无线物理链路j之间不存在干扰，则I_ij=0；

从物理层直接获得两条链路之间是否存在干扰；

给定冲突距离D_cf，基于干扰模型定义CF为整个物理网络链路对的干扰数目：

$\mathrm{CF}=\underset{e\&Element;C\left[E\right]}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|\right\{l^S\&Element;L^S|l^S\&NotEqual;l^{\&prime;S}\&cap;D(l^S,l^{\&prime;S})<D_{\mathrm{cf}}\&cap;({\mathrm{ch}}_i\&CirclePlus;l^S={\mathrm{ch}}_j\&CircleTimes;l^{\&prime;S})\&cap;i=j\}|$

当两条不同的物理链路之间的距离小于冲突距离，且同时被分配到同一条信道上，则物理网络链路对的干扰数目增加；

其中，D(n^S,n^’S)为整个物理网络中任意两个节点之间的距离，整个物理网络中任意两条链路l^S、l^’S之间的距离D(l^S,l^’S)为从l^S的任一端点到l^’S的任一端点的最小距离，设定冲突距离D_cf，e表示整个物理网络任意的链路对，C[E]表示整个物理网络链路对的集合；ch_i表示第i条信道，ch_i与l^s进行异或运算，即，链路l^s传输的数据处于第i条信道时，为1；否则，为0；

3）生成虚拟节点列表、空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表、空的已分配的虚拟节点列表和空的已使用过的信道列表；

在虚拟节点列表中，按照虚拟节点的CPU计算能力的大小将虚拟节点进行降序排列；

4）生成物理节点列表和物理节点的邻居节点列表；

物理节点列表是依据物理节点的信道度和物理节点链接度的乘积大小按照降序排列所生成；

所述信道度是指一个物理节点与其所有直接相连的物理节点所具有的共同信道的数目的平均值；

所述节点链接度是指一个物理节点与周围物理节点能够建立通信的无线链路数目；

5）节点映射；

对物理节点列表和虚拟节点列表中的节点依次按照列表顺序进行一次映射并将映射关系保存到步骤3）生成的空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表中，同时，将已分配的虚拟节点加入步骤3）生成的空的已分配的虚拟节点列表中；

6）筛选链路；

判断当前分配的虚拟节点是否与已分配的虚拟节点列表中的虚拟节点有链路建立，如果有，则从干扰模型中，筛选出无干扰的链路，并查询已使用过的信道列表，从满足带宽的可用信道中选择未使用过的信道分配给筛选出的无干扰的链路，并进入步骤7）；否则返回步骤5）对下一个虚拟节点进行与物理节点的映射，直到完成所有的虚拟节点与物理节点之间的映射；

7）链路选择与映射；

采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法，从筛选出的无干扰的链路中，选择一条链路作为虚拟节点之间的链路映射，映射到物理节点之间最短的路径，并将此路径经过的链路所使用过的信道放入已使用过的信道列表中，重复步骤6，直至所有节点和链路都映射完毕。

步骤7）所述的采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法，是指基于可靠性和最小路径干扰权重进行链路选择，将虚拟节点之间的虚拟链路映射物理节点之间最短的路径；

所述可靠性指的是链路上的丢包率，丢包率越低，可靠性越高，采用设定的丢包率；

物理链路l的干扰权重是指链路在基于干扰模型下影响到其他链路的干扰密度CfWeight_I(l)，CfWeight_I(l)=CF/bandwidth(l)，其中，bandwidth(l)是指物理链路l的带宽；

所述路径干扰权重是指所有物理链路的干扰权重之和。

迪杰斯特拉方法是用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径，其主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。

链路映射后选择的路径中每条物理链路所使用的信道均不同。

本发明依赖于物理层技术和MAC层技术，模拟一个无线物理网络基于空间距离的干扰模型。

有益效果

本发明针对传统的有线网络环境下的虚拟网络分配方法不适用于无线网络环境中以及分配后链路会对存在的虚拟网络造成干扰而反作用链路的可靠性的问题，提出基于链路抗干扰的虚拟网络映射方法。该方法不仅综合了链路的可靠性以及链路的干扰性会反作用于无线链路的通信的因素，采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法找到最短路径，在链路映射后选择的路径中每条物理链路都是在使用过的信道列表中不同的信道，而且针对节点和链路分配相分离出现的分配效率低等问题采取了“协分步”资源分配方法，有效地协调了节点和链路之间的分配。

（1）本发明基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法通过“协分步”的分配方式增强了节点和链路分配之间的协调性，提高了分配效率，并且更适应于无线网络环境中的虚拟网络分配。

（2）本发明在基于链路可靠性的基础上充分地考虑了链路的之间的干扰关系，提高了虚拟网络构建成功率，保证了虚拟网络之间最少干扰的运作。通过考虑无线链路的干扰性可以实现增加网络的收益成本比以及资源利用率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2是虚拟请求示意图；

图3是物理网络示意图；

图4为本发明与其他三种方法进行无线虚拟网络分配时的虚拟网络接受率对比图；

图5为本发明与其他三种方法进行无线虚拟网络分配时的收益成本比对比图；

图6为本发明与其他三种方法进行无线虚拟网络分配时的节点平均利用率对比图；

图7为本发明与其他三种方法进行无线虚拟网络分配时的链路平均利用率图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本专利利用云计算仿真平台CloudSim2.0作为仿真工具，对基本虚拟资源分配方法BVNEA、链路分配限制在3跳之内的基于链路可靠性无线虚拟网络分配方法WVNEA-LR(3Hops Confined)、不限跳分配的基于链路可靠性无线虚拟网络分配方法WVNEA-LR(Hops-free)和本专利提出的基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法WVNEA-LAI进行了仿真比较。

一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法，包括如下步骤：

1）物理网络节点按照虚拟请求从整个物理网络中选择匹配的物理网络资源，物理网络资源包括物理节点、物理节点之间形成的无线物理链路以及物理节点的可用信道；

物理网络节点根据自身当前CPU计算能力以及虚拟请求所需节点资源和约束请求判断是否接受该虚拟请求，如果物理网络节点不接受该虚拟请求则该虚拟请求进入等待队列，同时对下一个虚拟请求选择匹配的物理网络资源；

如图2所示，是虚拟请求示意图；用无向图表示虚拟请求，图中包含三个虚拟节点a、b及c，每个虚拟节点的CPU计算要求，图中分别为10、20及25，虚拟请求中的链路有带宽需求，图中三个虚拟节点中任意两个节点之间的链路带宽均为10；

如图3所示，是物理网络示意图；用无向图表示一个底层的无线物理网络，如图有9个物理节点A、B、C、D、E、F、G、H及K，底层物理网络的节点有CPU计算资源，如，物理节点A的CPU计算资源为60，物理节点B的CPU计算资源为40，物理节点C的CPU计算资源为70；图中的边表示底层物理链路，物理链路有带宽资源，如，物理节点A、C之间的链路带宽为40，物理节点C、D之间的带宽为50；物理链路有可靠性指标，如，物理节点A、C之间的可靠性为1，物理节点C、D之间的链路可靠性为0.96。

2）根据无线物理链路构建干扰模型；

所述干扰模型是指无线物理链路构建的干扰矩阵I，干扰矩阵大小为|L^s|×|L^s|，其中，L^s表示无线物理链路集合，|L^s|表示无线物理链路的条数，无线物理链路i和无线物理链路j之间存在干扰，则I_ij=1，无线物理链路i和无线物理链路j之间不存在干扰，则I_ij=0；

从物理层直接获得两条链路之间是否存在干扰；

基于干扰模型定义CF为整个物理网络链路对的干扰数目：

$\mathrm{CF}=\underset{e\&Element;C\left[E\right]}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|\right\{l^S\&Element;L^S|l^S\&NotEqual;l^{\text{'}S}\&cap;D(l^S,l^{\text{'}S})<D_{\mathrm{cf}}\&cap;({\mathrm{ch}}_i\&CirclePlus;l^S={\mathrm{ch}}_j\&CirclePlus;l^{\text{'}S})\&cap;i=j\}|$

其中，D(n^S,n^’S)为整个物理网络中任意两个节点之间的距离，整个物理网络中任意两条链路l^S、l^’S之间的距离D(l^S,l^’S)为从l^S的任一端点到l^’S的任一端点的最小距离，设定冲突距离D_cf，e表示整个物理网络任意的链路对，C[E]表示整个物理网络链路对的集合；ch_i表示第i条信道，ch_i与l^s进行异或运算，即，链路l^s传输的数据处于第i条信道时，为1；否则，为0；

3）生成虚拟节点列表、空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表、空的已分配的虚拟节点列表和空的已使用过的信道列表；

在虚拟节点列表中，按照虚拟节点的CPU计算能力的大小将虚拟节点进行降序排列；

4）生成物理节点列表和物理节点的邻居节点列表；

物理节点列表是依据物理节点的信道度和物理节点链接度的乘积大小按照降序排列所生成；

所述信道度是指一个物理节点与其所有直接相连的物理节点所具有的共同信道的数目的平均值；

所述节点链接度是指一个物理节点与周围物理节点能够建立通信的无线链路数目；

5）节点映射；

对物理节点列表和虚拟节点列表中的节点依次按照列表顺序进行一次映射并将映射关系保存到步骤3）生成的空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表中，同时，将已分配的虚拟节点加入步骤3）生成的空的已分配的虚拟节点列表中；

6）筛选链路；

判断当前分配的虚拟节点是否与已分配的虚拟节点列表中的虚拟节点有链路建立，如果有，则从干扰模型中，筛选出无干扰的链路，并查询已使用过的信道列表，从满足带宽的可用信道中选择未使用过的信道分配给筛选出的无干扰的链路，并进入步骤7）；否则返回步骤5）对下一个虚拟节点进行与物理节点的映射，直到完成所有的虚拟节点与物理节点之间的映射；

7）链路选择与映射；

采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法，从筛选出的无干扰的链路中，选择一条链路作为虚拟节点之间的链路映射，映射到物理节点之间最短的路径，并将此路径经过的链路所使用过的信道放入已使用过的信道列表中，重复步骤6，直至所有节点和链路都映射完毕。

步骤7）所述的采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法，是指基于可靠性和最小路径干扰权重进行链路选择，将虚拟节点之间的虚拟链路映射物理节点之间最短的路径；

所述可靠性指的是链路上的丢包率，丢包率越低，可靠性越高，采用设定的丢包率；

物理链路l的干扰权重是指链路在基于干扰模型下影响到其他链路的干扰密度CfWeight_I(l)，CfWeight_I(l)=CF/bandwidth(l)，其中，bandwidth(l)是指物理链路l的带宽；

所述路径干扰权重是指所有物理链路的干扰权重之和。

迪杰斯特拉方法是用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径，其主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。

链路映射后选择的路径中每条物理链路所使用的信道均不同。

本发明依赖于物理层技术和MAC层技术，模拟一个无线物理网络基于空间距离的干扰模型。

从收益成本比（R/C）、资源（即，物理网络的节点和链路资源）利用率方面验证了基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法的性能。

图3所示，WVNEA-LAI拥有更好的虚拟网络接受率VnRequest Acceptance Ratio（即，映射到物理网络的虚拟网络成功率），因此如图4，其收益成本比在大部分时间段要高。

从图5中可知，较之于基本的分配方法BVNEA，WVNEA-LR（Hops-free）方法和WVNEA-LR（3Hops Confined）方法，WVNEA-LAI方法拥有较高的节点利用率（NodeUtilization Rate），优于其他三种方法。如图6，随着时间的推移，WVNEA-LAI的链路利用率（Link Utilization Rate）的优势逐渐高于其余三种算法。

Claims (2)

1.一种基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）物理网络节点按照虚拟请求从整个物理网络中选择匹配的物理网络资源，物理网络资源包括物理节点、物理节点之间形成的无线物理链路以及物理节点的可用信道；

物理网络节点根据自身当前CPU计算能力以及虚拟请求所需节点资源和约束请求判断是否接受该虚拟请求，如果物理网络节点不接受该虚拟请求则该虚拟请求进入等待队列，同时对下一个虚拟请求选择匹配的物理网络资源；

2）根据无线物理链路构建干扰模型；

所述干扰模型是指无线物理链路构建的干扰矩阵I，干扰矩阵大小为|L^s|×|L^s|，其中，L^s表示无线物理链路集合，|L^s|表示无线物理链路的条数，无线物理链路i和无线物理链路j之间存在干扰，则I_ij=1，无线物理链路i和无线物理链路j之间不存在干扰，则I_ij=0；

从物理层直接获得两条链路之间是否存在干扰；

给定冲突距离D_cf，基于干扰模型定义CF为整个物理网络链路对的干扰数目：

$\mathrm{CF}=\underset{e\&Element;C\left[E\right]}{\mathrm{\&Sigma;}}\left|\right\{l^S\&Element;L^S|l^S\&NotEqual;l^{\text{'}S}\&cap;D(l^S,l^{\text{'}S})<D_{\mathrm{cf}}\&cap;({\mathrm{ch}}_i\&CirclePlus;l^S={\mathrm{ch}}_j\&CirclePlus;l^{\text{'}S})\&cap;i=j\}|$

当两条不同的物理链路之间的距离小于冲突距离，且同时被分配到同一条信道上，则物理网络链路对的干扰数目增加；

其中，D(n^S,n^’S)为整个物理网络中任意两个节点之间的距离，整个物理网络中任意两条链路l^S、l^’S之间的距离D(l^S,l^’S)为从l^S的任一端点到l^’S的任一端点的最小距离，设定冲突距离D_cf，e表示整个物理网络任意的链路对，C[E]表示整个物理网络链路对的集合；ch_i表示第i条信道，ch_i与l^s进行异或运算，即，链路l^s传输的数据处于第i条信道时，为1；否则，为0；

3）生成虚拟节点列表、空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表、空的已分配的虚拟节点列表和空的已使用过的信道列表；

在虚拟节点列表中，按照虚拟节点的CPU计算能力的大小将虚拟节点进行降序排列；

4）生成物理节点列表和物理节点的邻居节点列表；

物理节点列表是依据物理节点的信道度和物理节点链接度的乘积大小按照降序排列所生成；

所述信道度是指一个物理节点与其所有直接相连的物理节点所具有的共同信道的数目的平均值；

所述节点链接度是指一个物理节点与周围物理节点能够建立通信的无线链路数目；

5）节点映射；

对物理节点列表和虚拟节点列表中的节点依次按照列表顺序进行一次映射并将映射关系保存到步骤3）生成的空的虚拟节点到物理节点的映射关系列表中，同时，将已分配的虚拟节点加入步骤3）生成的空的已分配的虚拟节点列表中；

6）筛选链路；

判断当前分配的虚拟节点是否与已分配的虚拟节点列表中的虚拟节点有链路建立，如果有，则从干扰模型中，筛选出无干扰的链路，并查询已使用过的信道列表，从满足带宽的可用信道中选择未使用过的信道分配给筛选出的无干扰的链路，并进入步骤7）；否则返回步骤5）对下一个虚拟节点进行与物理节点的映射，直到完成所有的虚拟节点与物理节点之间的映射；

7）链路选择与映射；

采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法，从筛选出的无干扰的链路中，选择一条链路作为虚拟节点之间的链路映射，映射到物理节点之间最短的路径，并将此路径经过的链路所使用过的信道放入已使用过的信道列表中，重复步骤6，直至所有节点和链路都映射完毕。

2.根据权利要求1所述的基于链路抗干扰性的无线网络虚拟化映射方法，其特征在于，步骤7）所述的采用迪杰斯特拉第K-最短路径方法，是指基于可靠性和最小路径干扰权重进行链路选择，将虚拟节点之间的虚拟链路映射物理节点之间最短的路径；

所述可靠性指的是链路上的丢包率，丢包率越低，可靠性越高，采用设定的丢包率；

物理链路l的干扰权重是指链路在基于干扰模型下影响到其他链路的干扰密度CfWeight_I(l)，CfWeight_I(l)=CF/bandwidth(l)，其中，bandwidth(l)是指物理链路l的带宽；

所述路径干扰权重是指所有物理链路的干扰权重之和。

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