CN104754589A - 基于流量感知的动态组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流量感知的动态组网方法，应用于基于Mesh网络技术构建的工业无线回程网络中。本发明根据给定的可用信道组C、链路容量组{c(e)}e∈E、流量组{f(e)}e∈E以及全局效用阈值λ₀，为网络拓扑图G(V,E)中的链路手动分配信道c及速率r_m，由管理器节点周期性计算当前全局效用函数，当前全局效用函数满足条件T_u＞λ₀时，触发网络组网过程，实现网络重组。本发明采取集中式管理机制，降低了网络单个节点的操作负担，并利用无线Mesh网络的广播特点将组网信息分发给各节点。另外，本发明在实现信道动态重分配时，充分考虑信道的当前状态，以降低信道分配切换所造成的网络暂时中断，提高了无线Mesh回程网络的吞吐量以及稳定性。

Description

基于流量感知的动态组网方法

技术领域

本发明涉及无线mesh网络技术领域，具体地说是一种基于流量感知的动态组网方法。 

背景技术

无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率的分布式无线网络。无线Mesh网络具有骨干路由节点静止和其能量无拘束等特征使其在扩增无线网络覆盖，支持多频段无线设备等方面有很大的优势。另外，无线Mesh网络是一种实现工业回程网的高效解决方案。 

近年来，学术界和工业界对无线网状网（WMN）都产生了极大的兴趣。工业关注主要是由于无线Mesh网络是一种成本效益高的、可实现广域覆盖的组网方式。研究人员则是被无线Mesh网络的配置和管理等挑战性问题所吸引。共同关注的技术问题是无线Mesh网络的组网问题。 

随着客户端对数据传输速率的要求逐渐提高，同时也为减少信道冲突，多射频多信道无线Mesh网络的路由节点装有多个射频接口且采用不同的信道通信，多射频多信道技术可允许单个路由器同时进行数据的收发，弥补单射频单信道网络端到端时延大，网络吞吐量小等不足。但是，网络可用信道数目有限，特别是互不相交叠的可用信道数目很少，相邻接入点之间不可避免使用同一信道，为缓减接入点之间的竞争干扰水平，须对密集的接入点合理地分配这些信道。 

多射频多信道无线Mesh网络的组网技术涉及较多问题，包括信道分配、路由分配、速率控制、拥塞控制等。传统的方法只针对了单一问题或只考虑单一条件，未能进行全面的考虑。同时当前的信道分配机制在进行信道重新分配过程中，不考虑当前的信道分配状况，进而产生一个完全不同的信道分配结果，造成大量的信道切换，使网络暂时中断，导致网络吞吐量降低。 

发明内容

针对无线Mesh网络中流量动态变化的特点，考虑当前网络信道状况，本发明提出了一种基于流量感知的自组网方法。 

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于流量感知的动态组网方法，包括以下步骤： 

构建工业无线mesh回程网络； 

根据干扰的物理模型信噪比SNR建立网络拓扑图G(V,E)； 

定义全局效用函数； 

根据给定的可用信道组C、链路容量组{c(e)}e∈E、流量组{f(e)}e∈E以及全局效用阈值λ₀，为网络拓扑图G(V,E)中的链路手动分配信道c及速率r_m，由管理器节点周期性计算当前全局效用函数，当前全局效用函数满足条件T_u＞λ₀时，触发网络组网过程，实现网络重组。 

所述工业无线mesh回程网络中的节点包括：mesh路由器，mesh网关，mesh接入点，以及管理器；其中mesh路由器负责回程网内的数据转发，mesh网关负责回程网和骨干网之间的连接，mesh接入点负责回程网和现场网络的连接，而管理器则负责整个网络的管理，包括组网过程。 

所述网络拓扑图G(V,E)中，V为链路端口集合，E为方向链路集合；定义接收端口r收到发送端口s的信号时的信噪比SNR为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}=\frac{P_s}{n_r}---\left(1\right)$

式中，P_s为端口s的发送功率，n_r为端口r处的干扰； 

给定信噪比阈值γ_r，端口s、r建立s→r方向链路需满足： 

SNR_sr≥γ_r    （2） 

所述全局效用函数为： 

$T_u={\mathrm{\Σ}}_{e_0\∈E}\frac{f\left(e_0\right)}{c\left(e_0\right)}---\left(3\right)$

式中，c(e₀)为节点各链路容量上限，f(e₀)为链路实际流量，e₀为链路，E为方向链路集合。 

所述网络重组包括以下步骤： 

管理器计算当前全局效用函数T_u，判断当前全局效用函数值是否满足条件T_u≤λ₀； 

若满足，则等待下一个重组周期的到来；否则，将当前所有链路插入优先队列Q； 

当优先队列Q非空时，启动信道和速率分配过程为链路分配合适的信道和速率；依次调用信道设置过程，为当前链路的两个端口设置相应的信道；继续为链路中断队列Q_p中的链路分配信道和速率；若优先队列Q为空，则网络组网过程结束。 

所述链路的优先级根据链路的流量与容量比值p来确定，p的值越大优先级越高，优先级高的链路最先进行信道和速率分配。 

所述信道和速率的分配过程分为两个阶段，首先调用最小中断信道分配过程为当前链路分配合适的信道，然后调用速率分配过程为当前链路分配合适的速率。 

所述最小中断信道分配过程包括以下步骤： 

定义链路中断组W_k，即当把节点u的当前链路所分配的信道k切换到新信道c时，所引起的中断链路组； 

定义权重ω_k： 

${\mathrm{\ω}}_k=\frac{{\mathrm{count}}_u\left(k\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k_0\∈C_u}{\mathrm{count}}_u\left(k_0\right)}---\left(5\right)$

其中，count_u(k)指节点u上信道k的切换次数，C_u为节点u上的信道组； 

采用信道c替换掉权重ω_k最小的信道k；同时更新优先队列Q和链路中断队列Q_p，在优先队列Q中取出中断链路组W_k，在链路中断队列Q_p中加入中断链路组W_k。 

所述速率分配过程采用迭代过程选择最合适的速率：取m=M，同时使得 当m>1时，m依次减1，并从速率组选取相应的速率r_m，同时计算相应的全局效用函数，直到满足条件时返回最佳速率r_m。 

所述信道设置过程为：在管理器节点设置节点u的相应端口链路的信道和速率，同时在该过程中定义参数count_u(c)记录替换当前链路的信道k为信道c的次数，并更新当前节点u所分配的信道组R_u： 

R_u＝R_u-k∪c    （6） 

本发明充分考虑了网络组网过程中的链路速率和信道变化所引起的网络稳定性变化，并采取相应措施降低网络拓扑结构的变化，进而提高网络吞吐量，提高网络稳定性，这对于工业无线mesh回程网的应用而言有重大意义。本发明的优点具体表现在： 

1.本发明针对工业回程网中流量的动态变化特性，采用流量感知的方法来实现负载均衡，并提高整个网络的可靠性； 

2.本发明在组网过程中实现信道重分配时，充分考虑了当前信道的分配状况，降低了信道分配切换所造成的网络的暂时中断，提高了无线Mesh回程网络的吞吐量以及稳定性； 

3.本发明采用集中式管理机制，降低了网络单个节点的操作负担，这对于计算和存储能力有限的网络节点而言意义非凡，也提高了整个方法的可实施性。 

附图说明

图1为本发明中的工业无线mesh回程网络； 

图2为本发明中的网络重组主过程示意图； 

图3为信道和速率分配过程示意图； 

图4为最小中断信道分配过程示意图； 

图5为速率分配过程示意图； 

图6为信道设置过程示意图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。 

本发明包括以下步骤：构建工业无线mesh回程网络，建立系统模型，设计目标函数，由管理器节点发起整个网络的组网过程。 

本发明的组网方法为集中式方法，所有的操作都在管理器节点完成，减轻网络节点的负担，提高方法的可实施性。同时，网络节点只需定期向管理器发送相关数据，包括节点当前各端口的链路容量上限、链路速率、信道组，而管理器节点则将组网结果通过广播途径发送给全网节点。 

本发明采用的工业无线mesh回程网络如图1所示，包括mesh路由器，mesh网关，mesh接入点，以及管理器。其中mesh路由器负责回程网内的数据转发，mesh网关负责回程网和骨干网之间的连接，mesh接入点负责回程网和现场网络的连接，而管理器则负责整个网络的管理，包括组网过程。 

1.建立系统模型 

为回程网中的每个mesh节点分配至少一个无线电端口，可用的信道组为C。无线电端口的传输功率固定，同时建立传输速率的递增速率组在此，为了更贴近于实际应用，根据干扰的物理模型信噪比SNR建立网络拓扑图G(V,E)，其中V为链路端口集合，E为方向链路集合。定义接收端口r收到发送端口s时的信噪比SNR为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}=\frac{P_s}{n_r}---\left(1\right)$

式中，P_s为端口s的发送功率，n_r为端口r处的干扰。给定信噪比阈值γ_r，端口s、r建立s→r方向链路需满足： 

SNR_sr≥γ_r    （2） 

2.定义全局效用函数 

链路上流量与容量的比值严重影响整个网络的吞吐量。当重载链路因流量过多造成阻塞时，轻载链路的存在就会造成网络资源的浪费。在此定义全局效用函数，以达到全网范围的负载均衡。 

首先节点根据自身状况确定各链路容量上限c(e₀)，根据业务需求确定链路实际流量f(e₀),然后定义全局效用函数为： 

$T_u={\mathrm{\Σ}}_{e_0\∈E}\frac{f\left(e_0\right)}{c\left(e_0\right)}---\left(3\right)$

在组网过程中需设定全局效用函数的阈值λ₀，网络组网的过程即为相应链路 分配合适的链路速率f以及信道c，使得全局效用函数满足条件： 

T_u≤λ₀    （4） 

同时，使得信道切换所引起的链路中断最少，维护网络拓扑结构的稳定，进一步提高网络的吞吐量。 

3.组网过程 

根据系统模型建立网络拓扑图G(V,E)，同时给定可用信道组C、链路容量组{c(e)}e∈E、流量组{f(e)}e∈E以及全局效用阈值λ₀，并为网络拓扑图中的链路手动分配信道c及速率r_m。 

由管理器节点周期性计算当前全局效用函数，周期间隔L可根据网络需求自行设定。当网络负载值过大时，L值的选取可小一些，否则可取大一些。当前全局效用函数满足条件T_u＞λ₀时，触发网络组网过程。 

如图2所示为网络重组主过程。管理器计算当前全局效用函数T_u，判断当前全局效用函数值是否满足条件T_u≤λ₀。若满足，则等待下一个重组周期的到来。否则将当前所有链路插入优先队列Q，链路的优先级根据链路的流量与容量比值p来确定，p的值越大优先级越高，优先级高的链路最先进行信道和速率分配，目的是为了通过较少的链路信道和速率分配就可以达到最优全局效用函数的目的，提高网络拓扑结构的稳定性。当优先队列Q非空时，启动信道和速率分配过程为链路分配合适的信道和速率。若优先队列Q为空，则网络组网过程结束。依次调用信道设置过程，为当前链路的两个端口设置相应的信道。继续为链路中断队列Q_p中的链路分配信道和速率。其目的是为了保证网络中的所有链路都能分配合理的信道和速率，维护网络拓扑的稳定。 

如图3所示为信道和速率分配过程。该过程通过为当前链路分配一系列的潜在信道和速率，分析得到最合适的信道和速率，使得当前全局效用函数最优。该过程分为两个阶段，首先调用最小中断信道分配过程为当前链路分配合适的信道，然后调用速率分配过程为当前链路分配合适的速率。 

如图4所示为最小中断信道分配过程。在该过程中定义链路中断组W_k，即当 把节点u的当前链路所分配的信道k切换到新信道c时，所引起的中断链路组。 

定义权重ω_k： 

${\mathrm{\ω}}_k=\frac{{\mathrm{count}}_u\left(k\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k_0\∈C_u}{\mathrm{count}}_u\left(k_0\right)}---\left(5\right)$

其中，count_u(k)指节点u上信道k的切换次数，C_u为节点u上的信道组。权重ω_k越大表示信道k被信道c替换掉的可能性就越小，表示与节点u共享信道k的邻居节点越多，若切换该信道，则造成的中断越多。 

该过程采用信道c替换掉权重ω_k最小的信道k。同时更新优先队列Q和链路中断队列Q_p，在优先队列Q中取出中断链路组W_k，在链路中断队列Q_p中加入中断链路组W_k。 

如图5所示为速率分配过程。该过程采用迭代过程选择最合适的速率。取m=M，同时使得当m>1时，m依次减1，并从速率组选取相应的速率r_m，同时计算相应的全局效用函数，直到满足条件时返回最佳速率r_m。 

如图6所示为信道设置过程。在管理器节点设置节点u的相应端口链路的信道和速率，同时在该过程中定义参数count_u(c)记录替换当前链路的信道k为信道c的次数，并更新当前节点u所分配的信道组R_u。 

R_u＝R_u-k∪c    （6） 。

Claims (10)

1.一种基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，包括以下步骤： 

构建工业无线mesh回程网络； 

根据干扰的物理模型信噪比SNR建立网络拓扑图G(V,E)； 

定义全局效用函数； 

根据给定的可用信道组C、链路容量组{c(e)}e∈E、流量组{f(e)}e∈E以及全局效用阈值λ₀，为网络拓扑图G(V,E)中的链路手动分配信道c及速率r_m，由管理器节点周期性计算当前全局效用函数，当前全局效用函数满足条件T_u＞λ₀时，触发网络组网过程，实现网络重组。 

2.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述工业无线mesh回程网络中的节点包括：mesh路由器，mesh网关，mesh接入点，以及管理器；其中mesh路由器负责回程网内的数据转发，mesh网关负责回程网和骨干网之间的连接，mesh接入点负责回程网和现场网络的连接，而管理器则负责整个网络的管理，包括组网过程。 

3.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述网络拓扑图G(V,E)中，V为链路端口集合，E为方向链路集合；定义接收端口r收到发送端口s的信号时的信噪比SNR为： 

式中，P_s为端口s的发送功率，n_r为端口r处的干扰； 

给定信噪比阈值γ_r，端口s、r建立s→r方向链路需满足： 

SNR_sr≥γ_r    （2）。 

4.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述全局效用函数为： 

式中，c(e₀)为节点各链路容量上限，f(e₀)为链路实际流量，e₀为链路，E为方向链路集合。 

5.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述网络重组包括以下步骤： 

管理器计算当前全局效用函数T_u，判断当前全局效用函数值是否满足条件T_u≤λ₀； 

若满足，则等待下一个重组周期的到来；否则，将当前所有链路插入优先队列Q； 

当优先队列Q非空时，启动信道和速率分配过程为链路分配合适的信道和速率；依次调用信道设置过程，为当前链路的两个端口设置相应的信道；继续为链路中断队列Q_p中的链路分配信道和速率；若优先队列Q为空，则网络组网过程结束。 

6.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述链路的优先级根据链路的流量与容量比值p来确定，p的值越大优先级越高，优先级高的链路最先进行信道和速率分配。 

7.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述信道和速率的分配过程分为两个阶段，首先调用最小中断信道分配过程为当前链路分配合适的信道，然后调用速率分配过程为当前链路分配合适的速率。 

8.根据权利要求7所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述最小中断信道分配过程包括以下步骤： 

定义链路中断组W_k，即当把节点u的当前链路所分配的信道k切换到新信道c时，所引起的中断链路组； 

定义权重ω_k： 

其中，count_u(k)指节点u上信道k的切换次数，C_u为节点u上的信道组； 

采用信道c替换掉权重ω_k最小的信道k；同时更新优先队列Q和链路中断队列Q_p，在优先队列Q中取出中断链路组W_k，在链路中断队列Q_p中加入中断链路组W_k。 

9.根据权利要求7所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述速率分配过程采用迭代过程选择最合适的速率：取m=M，同时使得当m>1时，m依次减1，并从速率组选取相应的速率r_m，同时计算相应的全局效用函数，直到满足条件时返回最佳速率r_m。 

10.根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述信道设置过程为：在管理器节点设置节点u的相应端口链路的信道和速率，同时在该过程中定义参数count_u(c)记录替换当前链路的信道k为信道c的次数，并更新当前节点u所分配的信道组R_u： 

R_u＝R_u-k∪c    （6）。