CN104469791B - 适用于星型无线多跳中继网络的最大跳数获得方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于星型无线多跳中继网络的最大跳数获得方法，包括步骤：步骤1，构建各普通节点的流守恒模型；步骤2，构建节点干扰模型；步骤3，构建各普通节点的数据传输量模型；步骤4，以接入点吞吐量最大为优化目标，以普通节点的流守恒模型和数据传输量模型、以及节点的干扰模型为约束条件，构建求解最大跳数的线性规划问题；步骤5，求解线性规划问题获得最大跳数。本发明同时考虑了星型无线多跳中继网络中复杂的节点干扰模型和各节点的发送带宽需求，可为网络部署确定合理跳数提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于多跳中继网络技术领域，尤其涉及一种适用于星型无线多跳中继网络的最大跳数获得方法。
背景技术
WIFI网络的大量部署及应用给人们的生活带来了巨大便利。目前，WIFI网络大都采用单跳组网的方式，这种组网方式使得每个WIFI网络只能覆盖小的通信范围。为了克服覆盖范围的限制，未来的WIFI网络将可能采用多跳中继的方式进行组网。星型无线多跳中继网络是一种以接入点为中心，通过逐跳中继来延伸网络的组网方式。在将来，星型无线多跳中继网络将成为一种常见的网络，其不仅可以应用于WIFI等无线局域网中，还可以应用于一些特殊的无线传感器网络，如水声传感器网络。
由于网络的传输带宽等资源有限，多跳中继网络势必无法无限的延伸下去。过多的跳数将导致网络边缘的节点无法获得足够的传输带宽。因此，在实际部署这种网络的时候，如何确定合理的跳数是一个关键的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于星型无线多跳中继网络的最大跳数获得方法，可用于部署星型无线多跳中继网络中确定合理跳数。
为达到上述目的，本发明提供的一种适用于星型无线多跳中继网络的最大跳数获得方法，星型无线多跳中继网络由接入点和具多跳中继功能的普通通信设备(以下简称“普通节点”)构成，本发明包括步骤：
步骤1，基于普通节点发送的数据总量为其发送的自身数据量和为其他节点转发的数据量之和，构建各普通节点的流守恒模型；
步骤2，基于相互干扰的节点不能同时传输数据的原则，构建节点干扰模型，所述的节点包括接入点和普通节点；
步骤3，基于普通节点的数据传输量必须大于自身业务量，构建各普通节点的数据传输量模型；
步骤4，以接入点吞吐量最大为优化目标，以普通节点的流守恒模型和数据传输量模型、以及节点的干扰模型为约束条件，构建求解最大跳数的线性规划问题；
步骤5，求解线性规划问题获得最大跳数。
步骤1中，普通节点的流守恒模型为其中，Cl为信道容量；λi为普通节点vi的数据包到达率，l为数据包长；S(vi)表示普通节点vi的子节点集；τ(vi)、τ(vj)分别表示节点vi、vj占用信道的时间比例。
步骤2进一步包括子步骤：
2.1 根据网络部署获得各节点vi的最大链路集，所述的最大链路集Q(i)符合条件：(1)其中任何两个与节点vi相关的链路都不能同时传输数据；且(2)加入任何与节点vi相关的链路后，最大链路集Q(i)就不符合条件(1)；
2.2 将网络中所有节点的最大链路集构成集合Φ；
2.3 将集合Φ中所有链路相关的节点构成节点集合，基于该节点集合中所有节点占用信道的时间比例之和不大于1，构建节点干扰模型。
步骤3中，所述的普通节点的数据传输量模型为Cl·τ(vi)≥λi·l，其中，Cl为信道容量，τ(vi)表示普通节点vi占用信道的时间比例，λi为普通节点vi的数据包到达率，l为数据包长。
基于上述优化目标及约束条件构建的求解最大跳数的线性规划问题如下：
其中，S(v0)为接入点v0的子节点集，V为星型无线多跳中继网络中普通节点集，Φ为星型无线多跳中继网络中所有节点最大链路集的集合。
本发明根据中继式无线多跳网络实际情况，通过对这类网络的节点冲突关系及节点数据流守恒关系进行建模，把提高网络吞吐量转化为线性优化问题。通过求解线性优化问题计算网络稳定条件下的最大跳数。
和现有技术相比，本发明优势如下：
本发明同时考虑了星型无线多跳中继网络中复杂的节点干扰模型和各节点的发送带宽需求，可为星型无线多跳中继网络部署时如何确定合理跳数提供依据。
附图说明
图1为本发明在一维线性多跳网络中的应用示意图。
图中，v0为接入点，v1、v2、…vN表示普通节点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将以图1所示的一维线性多跳中继网络为例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
步骤1，分析多跳中继网络结构。
见图1，本实施例中一维线性多跳中继网络由一个接入点v0及多个普通节点vi组成，i＝1,…,N。所有节点直线部署，仅相邻节点间能够相互通信；各节点的数据沿直线逐跳转发至接入点v0；信道容量假设为Clbit/s。文中所述的节点包括接入点和普通节点。
步骤2，确定优化目标。
以提高网络实际吞吐量为目标。对星型无线多跳中继网络，其实际吞吐量由接入点v0决定，即以接入点v0吞吐量ρ(v0)最大为优化目标。本实施例中，接入点v0的数据全部来自其子节点v1，因此，优化目标为maxρ(v0)＝max(Cl·τ(v1))。
步骤3，确定节点间的父子关系。
多跳中继网络为静态路由多跳网络，即各节点的数据将通过一条固定的路径转发到接入点。为方便表达，本发明引进“父节点”与“子节点”概念。假设节点vi的数据由vj进行中继，则称vj为vi的父节点，vi为vj的子节点。在本具体实施例一维线性多跳中继网络中，vi的父节点为节点vi+1。
步骤4，建立普通节点的流守恒模型。
对于任何一个普通节点vi，i＝1,…,N，一方面，它需要发送自己的数据，另一方面，它需要向子节点转发数据。假设普通节点vi的数据包到达率为每秒λi个数据包，每个数据包长l比特。因此，普通节点vi需要满足以下流守恒限制：
式(1)中，S(vi)表示普通节点vi的子节点集。
本实施例中，以τ(vi)、τ(vj)表示节点vi、vj占用信道的时间比例，即预设时间段内节点vi、vj占用信道时间和该预设时间段的比值，例如，1小时内信道被节点vi占用10分钟，则τ(vi)为1/6。
式(1)可表达为：
步骤5，建立节点干扰模型。
以Q(i)表示节点vi的最大链路集，最大链路集Q(i)符合条件：(1)其中任何两个与节点vi相关的链路都不能同时传输数据；且(2)加入任何与节点vi相关的链路后，最大链路集Q(i)就不符合条件(1)。链路定义为：若两个节点间能直接进行数据通信，则这两个节点间存在一条与这两个节点相关的链路。最大链路集Q(i)根据网络部署情况确定，基于部署的网络拓扑可以确定相互干扰的链路，从而获得各节点的最大链路集，各节点的最大链路集可能为1个或多个。
本实施例中，对于节点vi，i＝0,…,N-3，其对应的最大链路集Q(i)＝{(sj+1,sj)|sj∈[vi,vi+1,vi+2]}，网络中所有节点的最大链路集构成集合Φ。
由于相互干扰的节点不能同时传输数据，所以任何最大链路集中所有节点占用信道的时间比例之和小于1，因此构建节点vi的干扰模型如下：
步骤6，建立普通节点的数据传输量模型。
为了使网络能够稳定的传输数据，对于普通节点vi,i＝1,…,N，其数据传输速量必须大于自身业务量，即必须满足：
步骤7，线性规划求解最大跳数。
构建求解最大跳数的线性规划问题，如下：
max.Cl·τ(v1)
求解上述线性规划问题，可采用但不限于Matlab工具。本实施例中，假定网络节点的包到达率最小值为λth，即可计算出最大跳数Nmax的数学表达式为：
确定的最大跳数可用于指导星型无线多跳中继网络的部署，即将网络跳数控制于最大跳数内。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种适用于星型无线多跳中继网络的最大跳数获得方法，所述的星型无线多跳中继网络由接入点和具多跳中继功能的普通节点构成，其特征在于，包括步骤：
步骤1，基于普通节点发送的数据总量为其发送的自身数据量和为其他节点转发的数据量之和，构建各普通节点的流守恒模型为其中，Cl为信道容量；λi为普通节点vi的数据包到达率，l为数据包长；S(vi)表示普通节点vi的子节点集；τ(vi)、τ(vj)分别表示节点vi、vj占用信道的时间比例；
步骤2，基于相互干扰的节点不能同时传输数据的原则，构建节点的干扰模型，所述的节点包括接入点和普通节点；
进一步包括子步骤：
2.1根据网络部署获得各节点vi的最大链路集，所述的最大链路集Q(i)符合条件：(1)其中任何两个与节点vi相关的链路都不能同时传输数据；且(2)加入任何与节点vi相关的链路后，最大链路集Q(i)就不符合条件(1)；
2.2将网络中所有节点的最大链路集构成集合Φ；
2.3将集合Φ中所有链路相关的节点构成节点集合，基于该节点集合中所有节点占用信道的时间比例之和不大于1，构建节点干扰模型为：
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其中，vp,i为普通节点vi的父节点；
步骤3，基于普通节点的数据传输量必须大于自身业务量，构建各普通节点的数据传输量模型为：
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步骤4，以接入点吞吐量最大为优化目标，以普通节点的流守恒模型和数据传输量模型、以及节点的干扰模型为约束条件，构建求解最大跳数的线性规划问题；
步骤5，求解线性规划问题获得最大跳数。
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