CN105704756A - 多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法，该方法如下：确定多速率无线Mesh网络中的源节点到达目的节点的最短路径及对应的转发节点和所需传输速率，得到路由度量后的多速率无线Mesh网络；基于速率分离原则对网络各节点上不同速率链路进行分离，将不同速率链路分配到不同接口上，使各节点吞吐量权值最大化；以节点上的接口为单位，进行信道分配。本发明考虑了节点上不同速率链路间的竞争，能够有效解决多速率无线Mesh网络性能异常问题，实现链路速率分离，提高网络吞吐量。

Description

多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法

技术领域

本发明涉及无线Mesh网络路多速率传输领域，更具体地，涉及一种多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法。

背景技术

无线Mesh网络(WirelessMeshNetworks，WMNs)作为给用户提供Internet访问的下一代无线宽带网络，正受到全球范围的标准化组织以及各学术研究机构的广泛关注。WMNs可以有效的解决宽带Internet网络接入的“最后一公里”问题，在部署中具有显著的成本优势，并且灵活度高，部署后可以大范围的进行无线链路的重组。WMNs由一组固定的Mesh路由器形成无线骨干网，为无线Mesh客户端提供Internet的接入访问服务，部分Mesh路由器作为网关，通过高速有线链路连接至Internet。

在多信道IEEE802.11协议的网络中，每个节点可以配备多个IEEE802.11接口，当两个相邻的接口在一个公共的信道上进行操作时，即可创建链路。IEEE802.11提供数量有限的非重叠信道，如IEEE802.11a和802.11b分别支持12个和3个互不干扰的非重叠信道。由于有限的信道数，WMNs的部分链路可能会使用相同的信道，导致使用相同信道的链路互相干扰，不能同时传输，限制了并行传输的数量，极大的降低了多信道WMNs网络的性能。

现有的IEEE802.11协议中支持多速率传输的能力。例如，IEEE802.11b协议可以支持包括1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps四种数据传输速率，IEEE802.11a协议根据信道条件支持6Mbps-54Mbps中的八种速率。在非动态系统中，如固定Mesh路由器的WMNs，无线链路数据传输速率和两个路由器之间的距离有反比例关系。因此，如果两个路由器之间的距离较大，通常选择以较低的速率进行传输。

通常情况下，在基于IEEE802.11协议的WMNs中，逻辑链路可以通过不同的数据速率传输。这就意味着，部分相邻的干扰链路可能在同一信道上使用不同的数据速率进行传输。Heusse在2003年指出，当多种传输速率并存时，会产生“性能异常”现象，即干扰链路共享一个公共的无线信道时，高速率的链路的容量会受到低速率链路的严重影响。这是由于IEEE802.11协议中链路公平竞争信道，链路在竞争获取信道时拥有均等的机会。在传输同等的数据量时，相较于高速率链路，较低速率的链路会占用较长的信道时间，导致高速率的链路不能充分发挥其速率优势，使网络整体性能急剧下降。目前，已有多种路由度量方法与信道分配方法被提出来解决多速率网络环境下的传输问题。但现有的针对多速率网络路由度量方法或信道分配方法中，并未考虑两者之间互相的影响，在路由度量后一般假设使用外部代理确定了信道分配并且信道分配不频繁改变，而信道分配一般假设以固定网络结构或生成树为基础进行分配，这并不能真实的体现网络的实际性能。

综上，为缓解多信道多速率无线Mesh网络的性能异常问题，应联合路由度量与信道分配，在路由度量过程中充分考虑网络中的节点到网关的开销情况，反映网络的路由状况，并在路由度量的基础上，通过为不同大小的速率链路分配不同的信道，避免高速率与低速率链路进行竞争，减轻性能异常现象影响，提升网络整体性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效解决多速率网络性能异常问题，实现链路速率分离，提高网络吞吐量的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法。

为解决上述技术问题，本发明的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法的步骤如下：

步骤1)确定多速率无线Mesh网络中的源节点到达目的节点的最短路径及对应的转发节点和所需传输速率，得到路由度量后的多速率无线Mesh网络；

步骤2)基于速率分离原则对步骤1)得到的路由度量后的多速率无线Mesh网络各节点上不同速率链路进行分离，将不同速率链路分配到不同接口上，使各节点吞吐量权值最大化；对于其中任意节点i吞吐量权值最大化步骤如下：

(1)网络中的传输节点i有3个接口m₀、m₁、m₂，将节点i上的链路移入目标接口设为接口m₁；

(2)将连接到节点i的所有链路按照传输所需的预估时间T值的递增顺序进行排序，若连接到节点i的链路数为偶数，则将链路按照序列顺序从中间分开为数量相等的高速率与低速率两部分，若连接到节点i的链路数为奇数，则将处于中间的链路分配到高速率部分当中；将排序后高速率部分的链路分配给接口m₀，低速率部分的链路分配给接口m₂；对于当前的链路分配情况，计算出当前的节点i吞吐量权值；

(3)将m₀接口队列中按照排序序列T值最高的链路暂时从接口m₀移动到目标接口m₁，并计算链路重分配后的节点i新的吞吐量权值；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值小，那么将此链路移回接口m₀，节点吞吐量权值不变；逐次将m₀接口队列中T值最高的链路移动到目标接口m₁并重复上述步骤；直至移动到m₀接口上的链路不使节点i的吞吐量权值产生新的增益为止，将此时移动的链路移回原接口m₀，m₀接口链路分配结束；

(4)将m₂接口队列中按照排序序列T值最低的链路暂时从接口m₂移动到目标接口m₁，并计算当前链路重分配后节点i的新的吞吐量权值；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值更大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新，如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值小，那么将此链路移回接口m₁，节点i吞吐量权值不变；逐次将m₂接口队列中T值最高的链路移动到目标接口m₁并重复上述步骤，直至移动到m₂接口上的链路不使节点i的吞吐量权值产生新的增益为止，将此时移动的链路移回原接口m₂，m₂接口链路分配结束；节点i的链路分配结束；

其中路由度量后的多速率无线Mesh网络中任意节点i的吞吐量权值S_i的确定方法如下：

首先根据式(5)、式(6)、式(7)计算节点i的链路速率偏差V_i：

$V_i=\underset{m\∈M_i}{\Σ}{v}_m---\left(5\right)$

$v_m=1/(1+{\left(\frac{1}{L_m}\·\underset{l\∈C_m}{\Σ}{\left(T_l-\frac{1}{L_m}\·\underset{l\∈C_m}{\Σ}{T}_l\right)}^2\right)}^{1/2})---\left(6\right)$

$T_l=\frac{s_l}{r_l}---\left(7\right)$

式中：m为节点i上的接口；v_m为节点i的接口m上链路速率偏差，M_i是节点i上接口的集合；l为接口m上的链路，L_m为接口m上的链路数，C_m为接口m上链路的集合；T_l为节点i的接口m上链路l传输所需的预估时间，s_l是节点i的接口m上链路l传输的数据包大小，r_l是节点i的接口m上链路l传输时所使用的速率；

根据式(9)求得节点i的Jain公平性指数J(i)为：

$J\left(i\right)=\frac{{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=1}^D{L}_m\right)}^2}{D\·{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^D{L}_m^2}---\left(9\right)$

式中：m为节点i上的接口；L_m为接口m上的链路数，D为节点i的接口数；

根据式(10)求得节点i的吞吐量权值S_i：

S_i＝V_i×J(i)(10)

式中：V_i是式(5)得出的节点i链路速率偏差；J(i)是式(9)得出的节点i的Jain公平性指数；

步骤3)在步骤2)的基础上，以节点上的接口为单位，进行信道分配。

所述步骤1)中在多速率网络环境下，采取从目的节点逆向找路的方式，进行多速率最短路径路由度量，通过计算不同条件下源节点到目的节点的路径开销，获取源节点路径的最小开销，得到源节点到达目的节点的最短路径，并得出转发节点和所需传输速率；步骤如下：

(1)给定网络图G＝(V,E)，V是非空的由有限个节点所构成的集合，E是由节点对组成的边的集合；R为网络可用传输速率的集合；节点d为目的节点；将节点集V分为两组：置定节点集G_p和未置定节点集G_u，G_u＝G-G_p，其中G_p内的所有置定节点，是已完成最短路径的计算的节点，G_u内的节点是未置定节点；

(2)调整各未置定节点的最短路径：对G_u中的任一节点x，x∈G_u，将G_p中的所有可连接的节点作为其转发节点，对每种速率r∈R，依次计算从节点x使用速率r连接到G_p中各置定节点的路径开销；若节点x新计算出的路径开销小于上次计算的路径开销值，则更新节点x的路径开销W_x、转发节点F_x和传输速率R_x，否则该节点的路径开销、转发节点和传输速率均不变，直至遍历所有G_p中的可连接转发节点和可用传输速率为止，获得节点x的最小路径开销W_x、转发节点F_x和传输速率R_x；无法使用任一速率r通过置定节点集G_p中的节点作为转发节点连接到目的节点d的节点，路径开销为无穷大；G_u中所有节点获得最小路径开销后，对未置定节点集G_u中所有参与计算的节点x，x∈G_u，选出其中拥有最小路径开销的节点i，确定节点i的路径开销W_i，并确定此时节点i的转发节点F_i与所使用的传输速率R_i，之后将i划归到G_p中；在更替的过程中，需要总保持从目的节点d到G_p中各节点的最小路径开销不大于从目的节点d到G_u中任何节点的最小路径开销；

(3)重复步骤(2)，至G_u最终成为空集时，即求得所有节点到目的节点d的最短路径。

所述步骤3)中，以节点上的接口为单位，进行信道分配的方法如下：

首先从目的节点开始，根据到达目的节点的跳数多少依次进行信道分配，到达目的节点跳数少的节点优先进行信道分配；对任一节点i上的接口m分配信道时，取节点2跳或3跳范围内的邻居节点为干扰节点，干扰节点上的传输链路为干扰链路，根据式(11)，分别求在各可用信道上节点接口上链路传输所需的预估时间；

$T_{total}\left(i_m^k\right)=\underset{l_m\∈C_m}{\Σ}{T}_{l_m}^k+\underset{l_x\∈B}{\Σ}{T}_{l_x}^k---\left(11\right)$

式中：是节点i上的接口m分配信道k时接口m上的链路传输所需的预估时间；是节点i上的接口m分配信道k时，在无干扰节点条件下，接口m上的链路l_m传输的预估时间，为此条件下接口m上所有链路传输预估时间之和，C_m为接口m上链路的集合；是节点i的2跳或3跳范围内，与节点i的下一跳链路使用相同信道k的邻居干扰节点x上的干扰链路l_x传输预估时间；B是节点i的2跳或3跳范围内，与节点i的下一跳链路使用相同信道k的邻居干扰节点上的干扰链路的集合；

选出使得最小的信道，将该信道分配给接口m上的链路。

本发明的有益效果：

1、本发明充分利用IEEE802.11协议的可用速率资源，将IEEE802.11协议网络固有的多速率能力应用在路由度量中。路由协议除了为转发数据包选择下一跳节点外，还须从多种传输速率中选出一种合适的速率。每个节点都保持拥有转发节点和一种传输速率以到达目的节点。每两个节点间可以通过选定的路径组合构成的网络相连接，每个节点以一种选定的速率进行传输，在路由度量过程中充分利用了网络的多速率传输能力。

2、本发明采用改进的Dijkstra算法，将其应用在多速率无线Mesh网络环境下，寻找转发节点和传输速率，使数据包到达目的节点的总开销最小，以解决寻找最短路径的问题。能够找到任意两点的最短路径，还可以找到某个指定点到其他所有节点的最短路径。结合无线Mesh网络的特点，采取从目的节点逆向找路的方式，以目的节点为中心，向外扩展，直到遍历网络中所有节点为止，减小了工作量，提升了工作效率。

3、通过节点的吞吐量权值，反映同一接口上的链路之间所使用速率的影响。在多接口多信道无线Mesh网络中，避免网络中高低速率链路间的混用，将节点上不同速率链路分配在不同的接口上，使低速率链路不与相同节点上的高速率链路相竞争，提升网络的整体吞吐量。通过Jain的公平性指数，将节点各接口上的链路数均衡分配，避免某些接口上负载很大，而其余接口相对空闲的情况，防止了节点链路分配不均导致的性能下降。

4、以节点上的接口为单位，采用邻居节点内使用相同信道链路的传输时间的和，反映选择信道后干扰范围内同信道链路间的干扰状况，对节点上各接口的信道进行分配。现有的多速率网络路由度量方法或信道分配方法中，在路由度量后一般假设使用外部代理确定了信道分配并且信道分配不频繁改变，而信道分配则一般假设以固定网络结构或生成树为基础进行分配。通过路由度量与信道分配的联合方法，综合考量网络中路由度量与信道分配状况，考虑两者之间互相的影响，体现了网络的实际性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法总体流程图；

图2为多速率最短路径路由度量流程图；

图3a～图3j为多速率最短路径路由度量的举例示意图；

图4为多速率最短路径路由度量结果示意图；

图5a～图5c为不同情况下链路速率偏差值示意图；

图6a～图6h为节点上不同速率链路分配示意图；

图7为速率分离的信道分配的举例；

图8为多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法分配结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

如图1所示，本发明的一种多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法具体包括以下步骤：

步骤1)如图2所示，在多速率网络环境下，采取从目的节点逆向找路的方式，进行多速率最短路径路由度量，通过多次计算不同条件下源节点到目的节点的路径开销，获取源节点路径的最小开销，得到源节点到达目的节点的最短路径，并得出转发节点和所需传输速率。一个多速率最短路径路由度量后的多速率无线Mesh网络举例如图3所示；

(1)给定网络图G＝(V,E)，V是非空的由有限个节点所构成的集合，E是由节点对组成的边的集合。R为网络可用传输速率的集合，节点可使用这些速率传输数据包。节点d为目的节点。将节点集V分为两组：置定节点集G_p和未置定节点集G_u(G_u＝G-G_p)，其中G_p内的所有置定节点，是已完成最短路径的计算的节点，G_u内的节点是未置定节点，即目的节点d到未置定节点开销是暂时的。

对网络中的节点i(i∈V)，用W_i和F_i分别表示最小路径开销和下一跳转发节点。对节点i设置一个传输速率R_i，表示该节点到下一跳节点传输所使用的速率。

如图3a中，节点d为目的节点。节点a，节点b和节点d为置定节点(G_p＝{a,b,d})，节点c，节点e和节点f为未置定节点(G_u＝{c,e,f})。R为网络可用传输速率的集合，R＝{r₁,r₂,r₃}，其中r₁<r₂<r₃。

计算从节点i通过转发节点多跳到达一个给定的目的节点d的路径开销W_i。路径开销由路径上各链路开销组成，节点i与下一跳节点j间的链路开销w_ij取决于所使用的路由度量参量。为了支持多速率环境，本发明采用如下的系统模型。对任意的链路，将投递概率和开销与任一种传输速率r∈R相关联。在实际的无线网络中，每种传输速率也会有不同的投递概率和开销。

节点i的最小路径开销W_i由式(1)、式(2)给出：

$W_{ij}^r=w_{ij}^r+W_j---\left(1\right)$

$W_i=\underset{r\&Element;R,j\&Element;G_p}{min}\left\{W_{ij}^r\right\}---\left(2\right)$

式中：为节点i以节点j为转发节点使用速率r到达目的节点的路径开销；为节点i到下一跳节点j使用速率r的链路路径开销；W_j为下一跳节点j到目的节点的最小路径开销；W_i为节点i的最小路径开销，W_i是中的最小值；R为网络可用传输速率的集合。

考虑多速率网络情况，由文献【RoutinginMulti-radio,Multi-hopWirelessMeshNetworks】知，在源和目的节点之间选择高吞吐量的路径，根据数据包在链路上的传输开销向链路分配权重。每个速率r∈R的链路开销由式(3)、式(4)给出：

$w_{ij}^r=\frac{1}{p_{ij}^r}\&CenterDot;T---\left(3\right)$

$T=\frac{s}{r}---\left(4\right)$

式中：是节点i与节点j间使用速率r的链路的投递概率；T为传输所需的预估时间，s是数据包大小，r是所使用的速率。

是链路的丢包率和速率的函数，表示一个大小是s的数据包以速率r通过投递概率为的链路的基本时间，反映的是实际使用信道花费的时间。由于每种速率下投递概率都会发生改变，剩余路径开销W_j也取决于传输速率。链路开销和剩余路径开销同时取决于速率，所以节点i对每个转发节点j以及每种传输速率r∈R都有不同的路径开销。

(2)调整各未置定节点的最短路径。对G_u中的每个节点x(x∈G_u)，将G_p中的所有可连接的节点作为其转发节点，对每种速率r∈R，根据式(1)，依次计算从节点x使用速率r连接到G_p中各置定节点的路径开销。无法使用任一速率r通过置定节点集G_p中的节点作为转发节点连接到目的节点d的节点，路径开销为无穷大。

对G_u中节点x计算过程中，若节点x新计算出的路径开销小于上次计算的路径开销值，则更新节点x的路径开销W_x、转发节点F_x和传输速率R_x，否则该节点的路径开销、转发节点和传输速率均不变，直至遍历所有G_p中的可连接转发节点和可用传输速率为止，获得节点x的最小路径开销W_x、转发节点F_x和传输速率R_x。G_u中所有节点获得最小路径开销后，对未置定节点集G_u中所有参与计算的节点x(x∈G_u)，选出其中拥有最小路径开销的节点i，确定节点i的路径开销W_i，以反映节点i新的开销最小值，并确定此时节点i的转发节点F_i与所使用的传输速率R_i，之后将i划归到G_p中。在更替的过程中，需要总保持从目的节点d到G_p中各节点的最小路径开销不大于从目的节点d到G_u中任何节点的最小路径开销；如若不满足该条件则说明之前的度量结果有错误，需要对网络重新进行路由度量。

如图3b中所示，对G_u中的节点e，依次连接目的节点d和G_p中的可连接节点a和节点b(节点a和节点b作为转发节点)，对每种可用的速率r∈R，根据式(1)，计算从节点e连接到目的节点d和转发节点a、b的路径开销，分别为 $W_{ed}^r=\{W_{ed}^{r_1},W_{ed}^{r_2},W_{ed}^{r_3}\},W_{ea}^r=\{W_{ea}^{r_1},W_{ea}^{r_2},W_{ea}^{r_3}\},W_{eb}^r=\{W_{eb}^{r_1},W_{eb}^{r_2},W_{eb}^{r_3}\}.$ 同样对G_u中的节点f进行相同的计算，获得节点f路径开销分别为 $W_{fd}^r=\{W_{fd}^{r_1},W_{fd}^{r_2},W_{fd}^{r_3}\},$ $W_{fa}^r=\{W_{fa}^{r_1},W_{fa}^{r_2},W_{fa}^{r_3}\},W_{fb}^r=\{W_{fb}^{r_1},W_{fb}^{r_2},W_{fb}^{r_3}\}.$ 未与目的节点d直接相连，且无法通过置定节点集G_p中的节点作为转发节点连接到目的节点d的节点c，路径开销为无穷大。

如图3c中所示，根据公式(2)，求节点e的最小路径开销W_e，获得节点e的最小路径开销转发节点F_e＝{d}，传输速率R_e＝{r₂}。同理，获得节点f的最小路径开销转发节点F_f＝{b}，传输速率R_f＝{r₃}。比较未置定节点集G_u中的节点e和节点f所获得最小路径开销，得W_e＜W_f。

如图3d中所示，选出G_u中拥有最小路径开销的节点e为置定节点，确定其最小路径开销转发节点F_e＝{d}，传输速率R_e＝{r₂}，将节点e划归到G_p中。此时置定节点集G_p＝{a,b,d,e}，未置定节点集G_u＝{c,f}。

(4)重复上述步骤，至G_u最终成为空集时，即求得所有节点到目的节点d的最短路径。

如图3e中所示，对G_u中的节点f，依次连接目的节点d和G_p中作为转发节点的可连接节点a、节点b、节点e，对每种可用的速率r∈R，根据式(1)，计算从节点f连接到目的节点d和节点a、节点b、节点e的路径开销，分别为 $W_{fd}^r=\{W_{fd}^{r_1},W_{fd}^{r_2},W_{fd}^{r_3}\},W_{fa}^r=\{W_{fa}^{r_1},W_{fa}^{r_2},W_{fa}^{r_3}\},W_{fb}^r=\{W_{fb}^{r_1},W_{fb}^{r_2},W_{fb}^{r_3}\},W_{fe}^r=\{W_{fe}^{r_1},W_{fe}^{r_2},$ $W_{fe}^{r_3}\}.$ 同样对G_u中的节点c进行相同的计算，节点c可以通过G_p中的可连接节点e作为转发节点连接到目的节点d，获得节点c路径开销为

如图3f中所示，根据公式(2)，求节点f的最小路径开销W_f，获得节点f的最小路径开销转发节点F_f＝{b}，传输速率R_f＝{r₃}。同理，获得节点c的最小路径开销转发节点F_c＝{e}，传输速率R_c＝{r₃}。比较未置定节点集G_u中的节点f和节点c所获得最小路径开销，得W_f＜W_c。

如图3g中所示，选出G_u中拥有最小路径开销的节点f为置定节点，确定其最小路径开销转发节点F_f＝{b}，传输速率R_f＝{r₃}，将节点f划归到G_p中。此时置定节点集G_p＝{a,b,d,e,f}，未置定节点集G_u＝{c}。

如图3h中所示，对G_u中的节点c，可以通过G_p中的可连接节点e和节点f作为转发节点连接到目的节点d，对每种可用的速率r∈R，根据式(1)，计算从节点c连接到节点e和节点f的路径开销，分别为 $W_{ce}^r=\{W_{ce}^{r_1},W_{ce}^{r_2},W_{ce}^{r_3}\},W_{cf}^r=\{W_{cf}^{r_1},$ $W_{cf}^{r_2},W_{cf}^{r_3}\}.$

如图3i中所示，根据公式(2)，求节点c的最小路径开销W_c，获得节点c的最小路径开销转发节点F_c＝{f}，传输速率R_c＝{r₃}。

如图3j中所示，将G_u中拥有最小路径开销的节点c作为置定节点，确定其最小路径开销转发节点F_c＝{f}，传输速率R_c＝{r₃}，将节点c划归到G_p中。此时置定节点集G_p＝{a,b,d,e,f,c}，未置定节点集求得所有节点到目的节点d的最短路径。

一个多速率最短路径路由度量的举例如图4所示。图4是一个30个随机分布节点的无线Mesh网络，按照多速率最短路径路由度量后的结果示意图。

步骤2)通过多接口多信道，基于速率分离原则对节点上不同速率链路进行分离，将不同速率链路分配到不同接口上，使节点吞吐量权值最大化。

获取路由度量后的多速率无线Mesh网络中任一节点i的吞吐量权值的方法如下：

(1)根据式(5)、式(6)、式(7)计算各节点的链路速率偏差，对于任一节点i的链路速率偏差V_i：

$V_i=\underset{m\&Element;M_i}{\&Sigma;}{v}_m---\left(5\right)$

$v_m=1/(1+{\left(\frac{1}{L_m}\&CenterDot;\underset{l\&Element;C_m}{\&Sigma;}{\left(T_l-\frac{1}{L_m}\&CenterDot;\underset{l\&Element;C_m}{\&Sigma;}{T}_l\right)}^2\right)}^{1/2})---\left(6\right)$

$T_l=\frac{s_l}{r_l}---\left(7\right)$

式中：m为节点i上的接口；v_m为节点i的接口m上链路速率偏差，M_i是节点i上接口的集合；l为接口m上的链路，L_m为接口m上的链路数，C_m为接口m上链路的集合；T_l为节点i的接口m上链路l传输所需的预估时间，s_l是节点i的接口m上链路l传输的数据包大小，r_l是节点i的接口m上链路l传输时所使用的速率。

链路速率偏差为接口上的不同链路所需要的预估传输时间的总体标准偏差，用其来体现当一个接口上加入一条新链路时，速率不同，新链路加入后对原有链路的可获得吞吐量，以及对原系统的吞吐量的影响。

3种不同的情形来说明链路速率偏差的作用的举例如图5a、5b、5c所示。假设A-B为原有链路，A-C为新加入链路，r_AB＝5.5Mbps，A-B与A-C共用同一接口。新加入链路A-C的速率r_AC分别为2Mbps、5.5Mbps、11Mbps。根据IEEE802.11协议MAC层采取公平性原则，求得两链路在该情况下获得的理论吞吐量、前后吞吐量差值、链路速率偏差值。r_AC＝2Mbps时，理论吞吐量＝2.9Mbps，前后吞吐量差值＝2.6Mbps，链路速率偏差＝0.86；r_AC＝5.5Mbps时，理论吞吐量＝5.5Mbps，前后吞吐量差值＝0Mbps，链路速率偏差＝1；r_AC＝11Mbps时，理论吞吐量＝7.3Mbps，前后吞吐量差值＝1.8Mbps，链路速率偏差＝0.96。根据IEEE802.11MAC层采取的长期公平性策略，获得的理论吞吐量s由式(8)给出：

$s=\frac{1}{\underset{e\&Element;B}{\&Sigma;}{r}_e^{-1}}---\left(8\right)$

式中：e为参与计算的共用同一条信道的链路，B为共用同一条信道的链路的集合。

可以看出，第一组在加入新链路后的系统吞吐量要大于2Mbps而小于原链路系统吞吐量5.5Mbps；对于第二组，加入新链路后的系统吞吐量与原链路系统吞吐量5.5Mbps相同；对于第三组，加入新链路后的系统吞吐量大于原链路系统吞吐量5.5Mbps，但是小于新链路的11Mbps。可见，当链路间的速率不同时，新加入的链路对原有链路的理论吞吐量以及对原系统的吞吐量影响是不同的，并且吞吐量的增减与链路速率偏差成反比关系。

通过图5a、5b、5c的三组数据情况可以看出,新旧链路共享同一信道必然会影响系统的理论吞吐量，用链路速率偏差来表现网络中链路不同速率间的这种特性，当新链路接入一条信道后的链路速率偏差值较大时，说明该速率链路接入信道给系统带来的影响较小，对吞吐量产生的损失也较小。

(2)用链路速率偏差对链路进行分配时，由于总是倾向于将相同或相近速率的链路分配到一起，就会导致当节点上有多条链路时，按照链路速率偏差分配，可能会产生节点上各接口上的链路数不均衡，导致节点上某一接口上的负载会很大，而另一个接口相对空闲的情况。这样虽然避免了不同速率间链路争用产生的性能异常问题，但是由于各接口上链路数分配不均，同样不能充分发挥网络性能，使吞吐量有所下降。

为了避免节点链路分配不均导致的性能下降，由文献【AQuantitativeMeasureOfFairnessAndDiscriminationForResourceAllocationInSharedComputerSystems】知，节点i的Jain公平性指数为：

$J\left(i\right)=\frac{{\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^D{L}_m\right)}^2}{D\&CenterDot;{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^D{L}_m^2}---\left(9\right)$

式中：m为节点i上的接口；L_m为接口m上的链路数，D为节点i的接口数。当链路分配不均，极度的倾向于某一接口时，J(i)的数值会趋近于1/D，而当链路平均分配在各个接口上时，J(i)会趋近于1，以此来体现链路分配过程中的公平性。

根据式(10)求得节点i的吞吐量权值S_i：

S_i＝V_i×J(i)(10)

式中：V_i是式(5)得出的节点i链路速率偏差；J(i)是式(9)得出的节点i的Jain公平性指数。

一个基于速率分离原则对节点上不同速率链路进行分离的举例如图6所示，图6中节点可用接口数为3，节点有l₁-l₈8条链路待分配；

(1)网络中的传输节点i有3个接口m₀、m₁、m₂，将节点i上的链路移入目标接口设为接口m₁。

(2)将连接到节点i的所有链路按照传输所需的预估时间T值的递增顺序进行排序，若连接到节点i的链路数为偶数，则将链路按照序列顺序从中间分开为数量相等的高速率与低速率两部分，若连接到节点i的链路数为奇数，则将处于中间的链路分配到高速率部分当中；将排序后高速率部分的链路分配给接口m₀，低速率部分的链路分配给接口m₂；对于当前的链路分配情况，根据式(10)计算出当前的节点i吞吐量权值。

如图6a中将节点i上的8条待分配链路按照T值的递增顺序排序为l₁-l₈的顺序。如图6b将链路按照序列顺序从中间分开为数量相等的高速率部分4条链路l₁-l₄与低速率部分4条链路l₅-l₈，将排序后高速率部分的链路l₁-l₄分配给接口m₀，低速率部分的链路l₅-l₈分配给接口m₂；对于当前的链路分配情况，根据式(10)计算出当前的节点i吞吐量权值S₀。

(3)如图6c将m₀接口队列中按照排序序列T值最高的链路l₄暂时从接口m₀移动到目标接口m₁，并计算链路重分配后节点i的新的吞吐量权值；新的吞吐量权值S₄比之前的吞吐量权值S₀大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路l₄永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新为S₄，并对下一条m₀接口队列中T值最高的链路l₃重复上述步骤，如图6d，得到的新的吞吐量权值S₃比之前的吞吐量权值S₄大，将此链路l₃永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新为S₃；对下一条m₀接口队列中T值最高的链路l₂进行分配。如图6e将m₀接口队列中按照目前排序序列T值最高的链路l₂暂时从接口m₀移动到目标接口m₁，并计算链路重分配后的新的吞吐量权值S₂，得到的新的吞吐量权值S₂比之前的吞吐量权值S₃小，即吞吐量权值没有产生新的增益，将链路l₂移回原接口m₀，m₀接口链路分配结束。

如图6f将m₂接口队列中按照排序序列T值最低的链路l₅暂时从接口m₂移动到目标接口m₁，并计算链路重分配后的新的吞吐量权值S₅，得到的新的吞吐量权值S₅比之前的吞吐量权值S₃大，即吞吐量权值获得了增益，将此链路l₅永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新为S₅，并对下一条m₂接口队列中T值最低的链路l₆进行分配。如图6g将m₂接口队列中按照目前排序序列T值最低的链路l₆暂时从接口m₂移动到目标接口m₁，并计算链路重分配后的新的吞吐量权值S₆，得到的新的吞吐量权值S₆比之前的吞吐量权值S₅小，即吞吐量权值没有产生新的增益，将链路l₆移回原接口m₂，m₂接口链路分配结束。节点i的链路分配结束，如图6h所示为基于速率分离原则对节点i上不同速率链路进行分离的分配结果。

步骤3)以节点上的接口为单位，进行基于速率分离原则的速率分离信道分配。从目的节点d开始，根据到达目的节点d的跳数多少依次进行分配，到达目的节点跳数少的节点优先进行信道分配；如图7所示，目的节点d优先进行信道分配，其次为节点a、b、c进行信道分配，再次为节点e、f、g、h、i进行信道分配)。取节点2跳范围内的邻居节点为干扰节点，干扰节点上的传输链路为干扰链路，根据式(11)，分别求在各可用信道上节点接口上链路传输所需的预估时间；

$T_{total}\left(i_m^k\right)=\underset{l_m\&Element;C_m}{\&Sigma;}{T}_{l_m}^k+\underset{l_x\&Element;B}{\&Sigma;}{T}_{l_x}^k---\left(11\right)$

式中：是节点i上的接口m分配信道k时接口m上的链路传输所需的预估时间；是节点i上的接口m分配信道k时，在无干扰节点条件下，接口m上的链路l_m传输的预估时间，为此条件下接口m上所有链路传输预估时间之和，C_m为接口m上链路的集合；是节点i的2跳范围内，与节点i的下一跳链路使用相同信道k的邻居干扰节点x上的干扰链路l_x传输预估时间；B是节点i的2跳范围内，与节点i的下一跳链路使用相同信道k的邻居干扰节点上的干扰链路的集合。

选出使得最小的信道，将该信道分配给接口m上的链路。

一个以节点上的接口为单位，进行基于速率分离原则的速率分离信道分配的举例如图7所示。链路l_ng为节点n上待分配信道的接口m₀上的链路，节点d为目的节点，可用信道为3条，分别是k₀，k₁，k₂。图中节点a,b,c,e,f,g,h,i,j,p为节点n的2跳范围内的干扰邻居节点。干扰节点上的干扰链路以及干扰链路信道使用情况如图中所示。分别计算在各可用信道k₀，k₁，k₂上，节点n上待分配信道的接口m₀上链路传输所需的预估时间T_total，分别为 $T_{total}\left(n_{m_0}^{k_0}\right)=T_{l_{ng}}+(T_{l_{ea}}+T_{l_{hc}})T_{total}\left(n_{m_0}^{k_1}\right)=T_{l_{ng}}+(T_{l_{gb}}+T_{l_{ic}}+T_{l_{pe}}),$ 比较使用不同信道时链路传输所需的预估时间T_total，得故选择其中最小的预估时间为接口m₀上的链路分配使得T_total最小的信道k₀。

图8所示为一个30个随机分布节点的无线Mesh网络，在多速率最短路径路由度量的基础上，按照速率分离原则进行信道分配的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法分配结果示意图。

所述步骤1)中，还可以采用【Anintegratedroutingandrateadaptationframeworkformulti-ratemulti-hopwirelessnetworks】中方法，确定多速率无线Mesh网络中的源节点到达目的节点的最短路径及对应的转发节点和所需传输速率，得到路由度量后的多速率无线Mesh网络。所述步骤3)中还可以采用【Agroup-basedchannelassignmentprotocolforrateseparationinIEEE802.11-basedmulti-radiomulti-rateadhocnetworks】中方法，以节点上的接口为单位进行信道分配。

最后需要说明的是，以上实施案例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施案例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者同等替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法，其特征在于步骤如下：

步骤1)确定多速率无线Mesh网络中的源节点到达目的节点的最短路径及对应的转发节点和所需传输速率，得到路由度量后的多速率无线Mesh网络；

步骤2)基于速率分离原则对步骤1)得到的路由度量后的多速率无线Mesh网络各节点上不同速率链路进行分离，将不同速率链路分配到不同接口上，使各节点吞吐量权值最大化；对于其中任意节点i吞吐量权值最大化步骤如下：

(1)网络中的传输节点i有3个接口m₀、m₁、m₂，将节点i上的链路移入目标接口设为接口m₁；

(2)将连接到节点i的所有链路按照传输所需的预估时间T值的递增顺序进行排序，若连接到节点i的链路数为偶数，则将链路按照序列顺序从中间分开为数量相等的高速率与低速率两部分，若连接到节点i的链路数为奇数，则将处于中间的链路分配到高速率部分当中；将排序后高速率部分的链路分配给接口m₀，低速率部分的链路分配给接口m₂；对于当前的链路分配情况，计算出当前的节点i吞吐量权值；

(3)将m₀接口队列中按照排序序列T值最高的链路暂时从接口m₀移动到目标接口m₁，并计算链路重分配后的节点i新的吞吐量权值；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值小，那么将此链路移回接口m₀，节点吞吐量权值不变；逐次将m₀接口队列中T值最高的链路移动到目标接口m₁并重复上述步骤；直至移动到m₀接口上的链路不使节点i的吞吐量权值产生新的增益为止，将此时移动的链路移回原接口m₀，m₀接口链路分配结束；

(4)将m₂接口队列中按照排序序列T值最低的链路暂时从接口m₂移动到目标接口m₁，并计算当前链路重分配后节点i的新的吞吐量权值；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值更大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路永久的与接口m₁绑定，将节点i吞吐量权值更新，如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值小，那么将此链路移回接口m₁，节点i吞吐量权值不变；逐次将m₂接口队列中T值最高的链路移动到目标接口m₁并重复上述步骤，直至移动到m₂接口上的链路不使节点i的吞吐量权值产生新的增益为止，将此时移动的链路移回原接口m₂，m₂接口链路分配结束；节点i的链路分配结束；

其中路由度量后的多速率无线Mesh网络中任意节点i的吞吐量权值S_i的确定方法如下：

首先根据式(5)、式(6)、式(7)计算节点i的链路速率偏差V_i：

$V_i=\underset{m\&Element;M_i}{\&Sigma;}{v}_m---\left(5\right)$

$v_m=1/(1+{\left(\frac{1}{L_m}\&CenterDot;\underset{l\&Element;C_m}{\&Sigma;}{\left(T_l-\frac{1}{L_m}\&CenterDot;\underset{l\&Element;C_m}{\&Sigma;}{T}_l\right)}^2\right)}^{1/2})---\left(6\right)$

$T_l=\frac{s_l}{r_l}---\left(7\right)$

式中：m为节点i上的接口；v_m为节点i的接口m上链路速率偏差，M_i是节点i上接口的集合；l为接口m上的链路，L_m为接口m上的链路数，C_m为接口m上链路的集合；T_l为节点i的接口m上链路l传输所需的预估时间，s_l是节点i的接口m上链路l传输的数据包大小，r_l是节点i的接口m上链路l传输时所使用的速率；

根据式(9)求得节点i的Jain公平性指数J(i)为：

$J\left(i\right)=\frac{{\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^D{L}_m\right)}^2}{D\&CenterDot;{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^D{L}_m^2}---\left(9\right)$

式中：m为节点i上的接口；L_m为接口m上的链路数，D为节点i的接口数；

根据式(10)求得节点i的吞吐量权值S_i：

S_i＝V_i×J(i)(10)

式中：V_i是式(5)得出的节点i链路速率偏差；J(i)是式(9)得出的节点i的Jain公平性指数；

步骤3)在步骤2)的基础上，以节点上的接口为单位，进行信道分配。

2.根据权利要求1所述的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法，其特征在于所述步骤1)中在多速率网络环境下，采取从目的节点逆向找路的方式，进行多速率最短路径路由度量，通过计算不同条件下源节点到目的节点的路径开销，获取源节点路径的最小开销，得到源节点到达目的节点的最短路径，并得出转发节点和所需传输速率；步骤如下：

(1)给定网络图G＝(V,E)，V是非空的由有限个节点所构成的集合，E是由节点对组成的边的集合；R为网络可用传输速率的集合；节点d为目的节点；将节点集V分为两组：置定节点集G_p和未置定节点集G_u，G_u＝G-G_p，其中G_p内的所有置定节点，是已完成最短路径的计算的节点，G_u内的节点是未置定节点；

(2)调整各未置定节点的最短路径：对G_u中的任一节点x，x∈G_u，将G_p中的所有可连接的节点作为其转发节点，对每种速率r∈R，依次计算从节点x使用速率r连接到G_p中各置定节点的路径开销；若节点x新计算出的路径开销小于上次计算的路径开销值，则更新节点x的路径开销W_x、转发节点F_x和传输速率R_x，否则该节点的路径开销、转发节点和传输速率均不变，直至遍历所有G_p中的可连接转发节点和可用传输速率为止，获得节点x的最小路径开销W_x、转发节点F_x和传输速率R_x；无法使用任一速率r通过置定节点集G_p中的节点作为转发节点连接到目的节点d的节点，路径开销为无穷大；G_u中所有节点获得最小路径开销后，对未置定节点集G_u中所有参与计算的节点x，x∈G_u，选出其中拥有最小路径开销的节点i，确定节点i的路径开销W_i，并确定此时节点i的转发节点F_i与所使用的传输速率R_i，之后将i划归到G_p中；在更替的过程中，需要总保持从目的节点d到G_p中各节点的最小路径开销不大于从目的节点d到G_u中任何节点的最小路径开销；

(3)重复步骤(2)，至G_u最终成为空集时，即求得所有节点到目的节点d的最短路径。

3.根据权利要求1所述的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法，其特征在于所述步骤3)中，以节点上的接口为单位，进行信道分配的方法如下：

首先从目的节点开始，根据到达目的节点的跳数多少依次进行信道分配，到达目的节点跳数少的节点优先进行信道分配；对任一节点i上的接口m分配信道时，取节点2跳或3跳范围内的邻居节点为干扰节点，干扰节点上的传输链路为干扰链路，根据式(11)，分别求在各可用信道上节点接口上链路传输所需的预估时间；

$T_{total}\left(i_m^k\right)=\underset{l_m\&Element;C_m}{\&Sigma;}{T}_{l_m}^k+\underset{l_x\&Element;B}{\&Sigma;}{T}_{l_x}^k---\left(11\right)$

式中：是节点i上的接口m分配信道k时接口m上的链路传输所需的预估时间；是节点i上的接口m分配信道k时，在无干扰节点条件下，接口m上的链路l_m传输的预估时间，为此条件下接口m上所有链路传输预估时间之和，C_m为接口m上链路的集合；是节点i的2跳或3跳范围内，与节点i的下一跳链路使用相同信道k的邻居干扰节点x上的干扰链路l_x传输预估时间；B是节点i的2跳或3跳范围内，与节点i的下一跳链路使用相同信道k的邻居干扰节点上的干扰链路的集合；

选出使得最小的信道，将该信道分配给接口m上的链路。