CN103997741B - 一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法，找出所有已经接收完所有数据的节点，作为下一步要发送数据的节点，选择最先组播数据的节点，根据该组播节点各个速率下的覆盖范围，找出该节点在速率下传输有效的邻居节点集合并计算得到每个传输速率的权重，首先为权重最大的速率选择信道，对集合数据中心网络中与该速率不冲突的信道进行排序，然后根据权重为所有要组播的节点的天线分配信道，所有获得信道的天线发送数据，接收节点监听所有可用信道并根据情况进行接收，本发明的解决了无线数据中心的天线与信道的相互匹配问题，实现了在数目固定的天线上自由分配不同的信道从而最大限度地提高数据中心网络中无线传输带宽。

Description

一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法

技术领域

本发明属于无线信道分配技术领域，特别涉及一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法。

背景技术

自云计算兴起以来，数据中心网络随之成为当前的研究热点。随着高速无线收发器的诞生，与之相应的协议也逐渐被标准协会提上议案。其中802.11ac与802.11ad成为下一代无线通信协议的主流。如今，天线制造技术越来越成熟，高速无线收发器的成本越来越低，在无线传输的各个方面也得到了广泛的应用。

Kandula等人首先提出将无线接收器适用到数据中心往网络中，即在机架上安装无线收发器来辅助传统的有线数据中心。Xia Zhou等人成功的在有线数据中心中安装无线天线，并且发明了一种天花板反射机制来优化数据中心网络中的无线传输。但是，这些理论研究和平台仿真仅仅止步于机架上仅仅安装一个无线收发器。由于高速无线收发器的成本越来越低廉，数据中心网络完全可以负担起在一个机架上安装多个无线天线的资费。多天线可以有效地利用无线数据中心网络中的多个信道进行并行通信，可以成倍的提高传输的吞吐量和降低传输时延。

随着无线通信技术的发展，将无线通信技术应用到传统数据中心网络的可能性越来越高。然而，相对于其他类型网络，数据中心网络仅仅集中于一个房间之内，传输的空间较为狭促。而无线通信一般会覆盖到较大的范围，应用在数据中心网络中往往会产生较多的冲突。

除此之外，无线数据中心网络中存在着不同频段的信道。不同的天线在同一频段内的信道上传输会对彼此造成很大的干扰。而在数据中心网络中，多个主机在同一时间都有传输数据的需求的情况时常发生。如何能够有效的分配数据中心网络中这些不同的信道，使更多的无线节点能够并行传输也是一个值得研究的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法，解决了无线数据中心的天线与信道的相互匹配问题，实现了在数目固定的天线上自由分配不同的信道从而最大限度地提高数据中心网络中无线传输带宽。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法，包括如下步骤：

步骤1，找出所有已经接收完所有数据的节点，作为下一步要发送数据的节点；

步骤2，计算所有要发送数据的节点的组播优先级，确定节点组播的先后顺序；

步骤3，选择最先组播数据的节点，为其天线分配信道，具体步骤如下：

步骤3a)，根据该组播节点各个速率r_i下的覆盖范围，找出该节点在速率r_i下传输有效的邻居节点集合N_i；

步骤3b)，计算N_i中的元素个数与速率r_i的乘积，将其作为每个传输速率的权重w_i；

步骤3c)，根据各个速率的权重w_i，按照从大到小排序，首先为权重最大的速率选择信道，找出数据中心网络中与该速率不冲突的信道的集合C，其中不冲突指该速率的覆盖范围的节点与该信道上已有的节点不重合；

步骤3d)，计算集合C中各个信道的占有率，即该信道上已经有多少天线在广播，按照占有率由小到大对集合C中所有信道进行排序；

步骤3e)，节点首先为权重最大的速率优先配置不冲突且占有率小的信道；如果节点天线的个数R小于集合C中信道的个数，按照占用率从小到大的选择策略选择R个传播信道，所有天线均以该速率在所选的信道上进行广播；如果节点天线的个数R大于集合C中信道的个数，则随机选择Cn个天线在这些信道上进行广播，剩下的Cn-R个天线选择权重次大的速率按照步骤3d)～步骤3e)重新计算；同时，将所选速率下的所有节点加入到所选择的信道中；

步骤3f)，如果数据中心中所有信道均与上步所选的速率冲突，则该节点选择权重次大的速率按照步骤3e)进行信道配置；如果该节点的所有速率都没有合适的信道，则该节点不配置信道；

步骤4，按照步骤3，为所有要组播的节点的天线分配信道；

步骤5，步骤4中所有获得信道的天线发送数据；

步骤6，接收节点监听所有可用信道，如果只有一个可用信道，则接收节点所有接收天线均接收该信道的数据，如果有多个可用信道，则在这些信道中选择一个最大的广播速率的信道接收数据，如果没有可用信道，则接收节点不接收数据，其中，所述接收节点指没有完全接收完数据的节点，所述可用信道指该信道上有邻居天线在发送数据。

其中所述步骤2中组播优先级的计算方法如下：

步骤1，找出每个完全接收到数据的节点，作为预备发送数据节点；

步骤2，统计每个预备发送数据节点的在各个可用速率r_i′下的邻居节点集合N_i′；

步骤3，计算N_i′中的元素个数与速率r_i′的乘积，将其作为每个传输速率的权重w_i′；

步骤4，将w_i′中最大值max{w_i′}每个预备发送数据节点的权重w_n；

步骤5，预备发送数据节点权重w_n越大，其组播优先级越高。

与现有技术无线数据中心网络中现有单天线和单信道的传输方式相比，本发明利用数据中心网络具有多信道的特征，配置多个无线传输天线，并且利用了行之有效的策略对多天线多信道进行了优化匹配。使得数据中心网络的节点能够利用多个天线多个信道进行并行通信，成倍的提高了无线数据中心网络中传输的吞吐量和降低传输时延。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

图2是本发明单天线单信道、1天线2信道和2天线3信道的传输时延效果对比图，横坐标为组播规模，纵坐标为传输时延。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

首先，要介绍一下无线干扰模型。在无线传输中，每个无线发送天线都有一定的传输有效范围和传输干扰范围。无线天线的传输干扰范围往往比其传输有效范围大一倍左右。如果一个接受天线处于两个发送天线的传输干扰范围中，其接收的数据就会产生错乱。所以，可定义无线天线的传输干扰范围为其传输覆盖范围。

除此之外，无线天线的覆盖范围根据其发送的速率不同也会有相应变化。当无线天线以较低速率发送时，其覆盖的范围越大；以较高的速率广播时，其覆盖范围越小。如何在无线天线的传输速率和覆盖范围之间做出合适权衡，使得数据中心网络中尽量多的天线以较高的速率进行广播，是本发明旨在解决的问题。

本发明适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法，有效地利用无线数据中心网络中的多个天线多个信道进行并行通信，可成倍提高无线数据中心网络中传输的吞吐量和降低传输时延。具体实现步骤如下：

步骤1，找出所有已经接收完所有数据的节点，作为下一步要发送数据的节点；

步骤2，计算所有要发送数据的节点的组播优先级，确定节点组播的先后顺序，计算方法如下：

步骤2.1，找出每个完全接收到数据的节点，作为预备发送数据节点；

步骤2.2，统计每个预备发送数据节点的在各个可用速率r_i′下的邻居节点集合N_i′；

步骤2.3，计算N_i′中的元素个数与速率r_i′的乘积，将其作为每个传输速率的权重w_i′；

步骤2.4，将w_i′中最大值max{w_i′}每个预备发送数据节点的权重w_n；

步骤2.5，预备发送数据节点权重w_n越大，其组播优先级越高。

步骤3，选择最先组播数据的节点，为其天线分配信道，具体步骤如下：

步骤3a)，根据该组播节点各个速率r_i下的覆盖范围，找出该节点在速率r_i下传输有效的邻居节点集合N_i；

步骤3b)，计算N_i中的元素个数与速率r_i的乘积，将其作为每个传输速率的权重w_i；

步骤3c)，根据各个速率的权重w_i，按照从大到小排序，首先为权重最大的速率选择信道，找出数据中心网络中与该速率不冲突的信道的集合C，其中不冲突指该速率的覆盖范围的节点与该信道上已有的节点不重合；

步骤3d)，计算集合C中各个信道的占有率，即该信道上已经有多少天线在广播，按照占有率由小到大对集合C中所有信道进行排序；

步骤3e)，节点首先为权重最大的速率优先配置不冲突且占有率小的信道；如果节点天线的个数R小于集合C中信道的个数，按照占用率从小到大的选择策略选择R个传播信道，所有天线均以该速率在所选的信道上进行广播；如果节点天线的个数R大于集合C中信道的个数，则随机选择Cn个天线在这些信道上进行广播，剩下的Cn-R个天线选择权重次大的速率按照步骤3d)～步骤3e)重新计算；同时，将所选速率下的所有节点加入到所选择的信道中；

步骤3f)，如果数据中心中所有信道均与上步所选的速率冲突，则该节点选择权重次大的速率按照步骤3e)进行信道配置；如果该节点的所有速率都没有合适的信道，则该节点不配置信道；

步骤4，按照步骤3，为所有要组播的节点的天线分配信道；

步骤5，步骤4中所有获得信道的天线发送数据；

步骤6，接收节点监听所有可用信道，如果只有一个可用信道，则接收节点所有接收天线均接收该信道的数据，如果有多个可用信道，则在这些信道中选择一个最大的广播速率的信道接收数据，如果没有可用信道，则接收节点不接收数据，其中，所述接收节点指没有完全接收完数据的节点，所述可用信道指该信道上有邻居天线在发送数据。

图2是单天线单信道、1天线2信道和2天线3信道的传输时延效果图对比。本发明的算法可适用在配置任意信道数目和天线数目的无线数据中心网络中。当信道数目增多时，本发明可以有效的利用多信道上的传输来避免冲突；当天线数目增多时，本发明可以利用多个天线并行传输来增加传输的吞吐量。因此，在图2中，可以看到在多天线多信道情况下，传输的时延有明显的下降。

Claims (2)

1.一种适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，找出所有已经接收完所有数据的节点，作为下一步要发送数据的节点；

步骤2，计算所有要发送数据的节点的组播优先级，确定节点组播的先后顺序；

步骤3，选择最先组播数据的节点，为其天线分配信道，具体步骤如下：

步骤3a)，根据该组播节点各个传输速率r_i下的覆盖范围，找出该节点在传输速率r_i下传输有效的邻居节点集合N_i；

步骤3b)，计算N_i中的元素个数与传输速率r_i的乘积，将其作为每个传输速率r_i的权重w_i；

步骤3c)，根据各个传输速率r_i的权重w_i，按照从大到小排序，首先为权重最大的传输速率r_i选择信道，找出数据中心网络中与该传输速率r_i不冲突的信道的集合C，其中不冲突指该传输速率r_i的覆盖范围的节点与该信道上已有的节点不重合；

步骤3d)，计算集合C中各个信道的占有率，即该信道上已经有多少天线在广播，按照占有率由小到大对集合C中所有信道进行排序；

步骤3e)，节点首先为权重最大的传输速率r_i优先配置不冲突且占有率小的信道；如果节点天线的个数R小于集合C中信道的个数，按照占用率从小到大的选择策略选择R个传播信道，所有天线均以该传输速率r_i在所选的信道上进行广播；如果节点天线的个数R大于集合C中信道的个数，则随机选择Cn个天线在这些信道上进行广播，剩下的Cn-R个天线选择权重次大的传输速率r_i按照步骤3d)～步骤3e)重新计算；同时，将所选传输速率r_i下的所有节点加入到所选择的信道中；

步骤3f)，如果数据中心中所有信道均与上步所选的传输速率r_i冲突，则该节点选择权重次大的传输速率r_i按照步骤3e)进行信道配置；如果该节点的所有传输速率r_i都没有合适的信道，则该节点不配置信道；

步骤4，按照步骤3，为所有要组播的节点的天线分配信道；

步骤5，步骤4中所有获得信道的天线发送数据；

步骤6，接收节点监听所有可用信道，如果只有一个可用信道，则接收节点所有接收天线均接收该信道的数据，如果有多个可用信道，则在这些信道中选择一个最大的广播速率的信道接收数据，如果没有可用信道，则接收节点不接收数据，其中，所述接收节点指没有完全接收完数据的节点，所述可用信道指该信道上有邻居节点的天线在发送数据。

2.根据权利要求1所述的适用于无线数据中心网络的多天线配置和信道分配方法，其特征在于，所述步骤2中组播优先级的计算方法如下：

步骤1，找出每个完全接收到数据的节点，作为预备发送数据节点；

步骤2，统计每个预备发送数据节点的在各个可用传输速率r_i下的邻居节点集合N_i′；

步骤3，计算N_i′中的元素个数与传输速率r_i的乘积，将其作为每个传输速率r_i的权重w_i′；

步骤4，将w_i′中最大值max{w_i′}作为每个预备发送数据节点的权重w_n；

步骤5，预备发送数据节点权重w_n越大，其组播优先级越高。