CN104301259B

CN104301259B - 一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法

Info

Publication number: CN104301259B
Application number: CN201410539932.3A
Authority: CN
Inventors: 王捷; 唐瑞欣; 陈俊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2034-10-13
Also published as: CN104301259A

Abstract

本发明公开了一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，包括：获取多跳路径上每个节点的参数，计算多跳路径中的每一跳链路针对不同速率和不同帧长的特征参数，包括媒体接入时隙数和包错误率；以时隙占用最小为最优化目标，端到端PER为约束条件建立多选择背包问题的数学模型；根据动态规划方法将求解多选择背包问题转化成求解多阶段决策图；根据Dijkstra算法求解多阶段决策图获得最佳资源分配结果。与现有技术相比，本发明适用于多跳WMN网络的资源分配，由源节点进行资源分配，使用图论简化算法，减少资源分配的复杂度，得到可行的最优分配结果。

Description

一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法

技术领域

本发明属于WMN网络技术领域，具体涉及到一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法。

背景技术

随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行快速、准确的通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺点，达到通信的“无所不在”，人们为此提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网(WMN)。这是一种高容量高速率的分布式网络，兼备了AdHoc和WLAN的一些优点。

WMN与传统无线网络相比有许多优势。WMN采用的网格拓扑结构避免了点对多点星型结构，如802.11WLAN和蜂窝网等由于集中控制方式而出现的业务汇聚、中心网络拥塞以及干扰和单点故障。WMN终端用户可以在任何地点接入网络或与其他的节点联系，与传统的网络相比接入点的范围大大的增强，而且频谱的利用率提高，系统的容量增大。近10年来，包括移动Ad Hoc网络和WMN在内的许多研究，已经取得了众多成果，主要有以下方面：(1)路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征；(2)媒体接入控制(MAC)协议的研究。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题，如MACA协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议等；(3)在网络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心是节点密度与分布问题；(4)在多播/组播协议、TCP协议、地址和带宽等网络资源分配、功率(节能)控制、安全性问题、分布式算法、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少。

而针对多跳WMN网络的资源分配算法的研究很少，现有研究大多采用基于竞争的接入方式。因此需要一种基于源预约的多跳资源分配算法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，以减少资源分配的复杂度，得到可行的最优分配结果。

技术方案：一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，包括如下步骤：

(1)获取多跳路径上每个节点的参数，计算多跳路径中的每一跳链路针对不同速率和不同帧长的特征参数，所述特征参数包括媒体接入时隙(MAS)数和包错误率(PER)；

(2)以时隙占用最小为最优化目标，端到端PER为约束条件建立多选择背包问题的数学模型；

(3)根据动态规划方法将求解多选择背包问题转化成求解多阶段决策图；

(4)根据Dijkstra算法求解多阶段决策图获得最佳资源分配结果。

有益效果：与现有技术相比，本发明适用于多跳WMN网络的资源分配，由源节点进行资源分配，使用图论简化算法，减少资源分配的复杂度，得到可行的最优分配结果。

附图说明

图1为本发明实施例中示例的第一跳决策图；

图2为本发明实施例中示例的第二跳决策图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例：一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，包括如下步骤：

(1)获取多跳路径上每个节点的参数，计算多跳路径中的每一跳链路针对不同速率和不同帧长的特征参数。

对于无线mesh网络的物理层，每一个连接L即对应一跳，针对特定的网络，设定了四种业务速率等级(1,2,3,4)，为了使性能最佳化，帧长也分化为四种：128，256，512，1024byte(MAC层需要针对实际的包长进行组合和拆分)。在此特殊的物理层下，特征参数有两种：

参数1为n_l(<r>,<s>)：r为四种速率中的一种，s为帧长。此参数表示此速率和帧长下这一跳上(即L)需要分配的MAS数。

参数2为e_l(<r>,<s>)：同上，表示此速率和帧长上这一跳(L)的包错误率。

为了得到参数1，首先对应帧所需发送时间、综合帧间隔(ISIF)、信标段(BP)长度、超帧长度等计算出不同情况下的可传输的帧数n：

T(r,s)为速率r下发送帧长为s的帧所需要的时间；

再由可传帧数得到速率，如下表所示，读表再根据业务速率得到出n_l(<r>,<s>)。

表1实际信道速率

	128byte	256byte	512byte	1024byte
					速率1	0.55(Mbps)	0.78	0.96	1.09
速率2	0.58	0.92	1.21	1.40
					速率3	0.72	1.10	1.56	1.98
速率4	0.73	1.28	3.09	4.09

参数2的获取先要查询误比特率(BER)vs信噪比(SNR)曲线得到对应信道模型下某一速率对应SNR的BER，再通过PER＝1-(1-BER)^s计算出包错误率。

基于上述特征参数，优化问题描述如下：对于源节点S和目标节点D，已找到一个或多个候选路由(路径表示为p*)。现有业务流需要进行资源分配(业务流的PER限制为ε)，需要通过算法在源节点进行每一跳的速率选择和相应的资源分配，使得：

(a)e(p*)≤ε,对于路径p*，端到端的业务PER不超过ε。

(b)路径p*上，n_l(<r>,<s>)的和最小，即分配的MAS最少。

(c)针对每一跳节点分配的MAS数不超过节点可用的MAS数。

(2)以时隙占用最小为最优化目标，端到端PER为约束条件建立多选择背包问题的数学模型。

考虑上述参数和条件，对于m跳的路径p*，多选择背包模型的优化目标为：总时隙占用数最少：n_l(<r>,<s>)，

(r＝{1,2,3,4}，s＝{128，256，512，1024},

x为输入参数的集合,包含每一跳L上的速率和帧长参数)

约束条件包括：

约束条件1，对于路径p*，端到端的业务包错误率不超过ε：

约束条件2，对于路径中的每个节点，最终分配结果小于等于节点可用MAS数：

n_l(<r>,<s>)≤mas(l)，1≤l≤m；mas(l)表示链路l上可用时隙数。

注：约束条件1中为了表达方便将规格化为50。

(3)根据动态规划方法将求解多选择背包问题转化成求解多阶段决策图。

上述问题是NP-hard问题，上述最优化目标中存在查表函数，是非线性的，常用的整数线性规划方案无法使用，因此考虑采用图论方法求解，将满足约束条件的所有case映射为一张图，再在图上找到最佳分配。

为了建立上述过程图，根据动态规划的方法，将多选择背包问题分为m个决策阶段分别进行决策，m是多跳资源分配中的跳数，以PER和MAS为决策变量，表示为(剩余重量PER，最优化目标MAS数)，以当前跳数、选择的速率和帧长为状态变量，表示为(跳数，速率，帧长)。从阶段a进入阶段a+1时(第a个节点到第a+1个节点，即第a跳)，最优函数定义为：

表示最优化参数为MAS数，当MAS数相同时，则以PER剩余最大为最优。

允许的决策集为：

逐跳建立决策图。每一跳建立过程中，对于相同的剩余PER规格化为50)，取MAS数最优的情况。因为相同剩余重量下mas数分配的最少的case就是这一跳的对应剩余重量的最优选择，因此画图时可按照如下原则剔除次优决策:

对于当前决策A：x_a(y_a)，若存在决策B：x_b(y_b)，同时满足

(a)剩余重量多于A，即x_b>x_a

(b)最优化目标(mas)优于A，即y_b<y_a

则决策A可视为非最优解，将其删除，如图1的36(4)经过比较被40(3)淘汰。如通过不同的转移状态导致了PER参数相同的决策状态，则不需要比较删除，同时保留两者，如图2所示由两种不同路径导致第二跳出现PER参数为20的情况。

随着跳数的增加，图化的规则不变，决策图会越来越复杂，并出现重量PER参数无法满足(PER参数需要大于0)的情况，说明这时的分配无法满足业务流的PER要求，此时需要将这一条路径淘汰。当全部m跳都图化后，就可以通过状态转移信息进行图论求解，如采用经典的Dijkstra算法求解。

(4)根据Dijkstra算法求解多阶段决策图获得最佳资源分配结果。具体方法为：对于多阶段决策图G＝(N,L)，其中N代表节点，L代表节点间的连接，将图中顶点集合N分成两组：第一组为已求出最短路径的顶点集合,用S表示，初始时S中只有一个源点(业务流起始节点)，每求得一条最短路径(即最终占用MAS数最少)，就将对应顶点加入到集合S中，直至全部顶点都加入到S中；第二组为其余未确定最优化状态转移参数的顶点集合，用U表示，按最优化状态转移参数的递增次序依次把第二组的顶点加入S中，在加入的过程中，保持从源点到S中各顶点的最优化状态转移参数不大于从源点到U中任何顶点的最优化状态转移参数。

将Dijkstra算法应用于如图2所示的决策图(假设3跳，R1->R2->R3)，资源分配过程如下：S集合中开始只有源点R1，其状态为50(0)。第一次迭代开始，与源点R1连接的只有第一跳节点R2，因此将R2加入集合S，选择的路径为所有待选决策中最优的，标记为L1(此时保留在图中的待选决策都是可实现的)。同理第二次迭代将节点R3写入集合S并结束分配流程，选择的路径为待选决策中最优的，标记为L2，最后的分配结果即为：L1和L2。图2的最后的分配结果为：第一跳使用速率4，帧长1024，分配2个MAS；第二跳使用速率4，帧长1024，分配2个MAS。

Claims

1.一种适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取多跳路径上每个节点的参数，计算多跳路径中的每一跳链路针对不同速率和不同帧长的特征参数，所述特征参数包括媒体接入时隙MAS数和包错误率PER；

(4)根据Dijkstra算法求解多阶段决策图获得最佳资源分配结果；

所步骤(2)中的数学模型的优化目标为：

总时隙占用数最少：

约束条件包括：

对于路径p*，端到端的业务包错误率不超过ε：

<mrow> <msub> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>p</mi> <mo>*</mo> </mrow> </msub> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mo><</mo> <mi>r</mi> <mo>></mo> <mo><</mo> <mi>s</mi> <mo>></mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&le;</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&epsiv;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

对于路径中的每个节点，最终分配结果小于等于节点可用时隙数：

n_l(<r>,<s>)≤mas(l)，1≤l≤m；

其中，n_l(<r>,<s>)表示链路l上速率为r和帧长为s时对应的需分配的MAS数，e_l(<r>,<s>)表示链路l上速率为r和帧长为s时对应的包错误率，mas(l)表示链路l上可用时隙数，m为路径p*的总跳数。

2.根据权利要求1所述的适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，其特征在于，根据动态规划的方法，将所述多选择背包问题分为m个决策阶段分别进行决策，以PER和MAS为决策变量，以当前跳数、选择的速率和帧长为状态变量，从阶段a进入阶段a+1时，最优函数定义为：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>e</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mi>max</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mo>&le;</mo> <mi>&epsiv;</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mo><</mo> <mi>r</mi> <mo>></mo> <mo>,</mo> <mo><</mo> <mi>s</mi> <mo>></mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

允许的决策集为：

<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>{</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mo><</mo> <mi>r</mi> <mo>></mo> <mo>,</mo> <mo><</mo> <mi>s</mi> <mo>></mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&le;</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&epsiv;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mo><</mo> <mi>r</mi> <mo>></mo> <mo>,</mo> <mo><</mo> <mi>s</mi> <mo>></mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>}</mo> <mo>.</mo> </mrow>

3.根据权利要求2所述的适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，其特征在于，在每一跳决策图建立时根据如下规则删除次优决策：对于当前决策A：x_a(y_a)，若存在相同的转移状态下的决策B：x_b(y_b)，同时满足：剩余重量多于A，即x_b>x_a；以及最优化目标优于A，即y_b<y_a；则决策A为非最优解，将其删除。

4.根据权利要求1所述的适用于多跳无线mesh网络的资源分配方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据Dijkstra算法求解多阶段决策图获得最佳资源分配结果的具体方法为：将多阶段决策图中顶点集合N分成两组：第一组为已求出最短路径的顶点集合,用S表示，初始时S中只有一个源点，每求得一条最短路径，就将对应顶点加入到集合S中，直至全部顶点都加入到S中；第二组为其余未确定最优化状态转移参数的顶点集合，用U表示，按最优化状态转移参数的递增次序依次把第二组的顶点加入S中，在加入的过程中，保持从源点到S中各顶点的最优化状态转移参数不大于从源点到U中任何顶点的最优化状态转移参数。