CN105898871A - 一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法，该方法将所有频点上信道资源划分为时频资源块；计算每个节点在每个时频资源块上的所受到的干扰大小；对参与业务流的节点，根据业务的QoS要求设置约束条件，并根据约束条件选择节点自己的资源分配策略进行重复博弈；当重复博弈终止条件满足时停止重复博弈；若重复博弈所得的节点资源分配方案能够提高网络吞吐量，则更新总的资源分配方案并广播，若不能，则资源分配失败；各个节点在接收到携带有新的分配方案信息的广播帧后，依据新的资源分配方案进行业务传输。本发明利用重复博弈的方法，对多频点的信道资源进行分配并复用，有效提高了网络容量和可承载的业务量。

Description

一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线Mesh网中的资源分配领域，尤其是一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法。

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。

目前针对无线Mesh网络资源分配的研究较少，并且这些研究通常基于竞争方式。这种方式运用在多跳无线Mesh网络中存在路径建立延时大、隐藏终端、暴露终端等问题。现有的分布式预留协议则无法支持多信道条件下的资源复用。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种支持多信道条件下的资源复用的无线Mesh网络资源分配方案，本发明提出一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：一种多跳多频点无线 Mesh网的资源分配方法，所述Mesh网包括目的节点、源节点和路由转发节点，各节点具有两种状态，当接收信号时为接收节点，当发射信号时，为发射节点；该方法包括步骤：

(1)将Mesh网络中所有频点上的信道资源划分为时频资源块RB_{n ， t}，RB_{n ， t}表示第n个信道的第t个时隙的时频资源；定义业务流在Mesh网络中传输的过程中的每一跳节点为一个博弈参与者，该节点对时频资源块的占用情况为该节点的资源分配策略；

(2)获取Mesh网络中参与业务流的每一跳节点在各个时频资源块上的信噪比和数据传输速率，根据业务流的传输要求设置各节点进行策略选择的约束条件；参与业务流的各节点从满足约束条件的时频资源块中选择自己的策略并参与博弈；

(3)以所有参与者所占有的时频资源块总数量最少为目标问题构建资源分配策略问题模型；设置参与者博弈顺序表，每个参与者按照博弈顺序表分配的博弈顺序依次参与博弈，每轮博弈仅有一个参与者进行策略博弈，资源分配策略问题模型解决目标问题的流程为：

(3-1)博弈开始前，首先将Mesh网络中现有业务流的每一跳节点对时频资源块的占用情况作为所有参与者的初始策略，并计算现有参与者所占有的时频资源块总数量，作为目标问题的参考基准；

(3-2)每个参与博弈的参与者根据约束条件预选择自己的策略，并判断预选择的策略是否能使所有参与者所占有的时频资源块总数量小于参考基准；若判断结果为是，则该参与者更新自己的策略，同时将该参与者更新策略后的所有参与者所占有的时频资源块总数量作为新的参考基准；若判断结果为否，则保持该节点的原策略，并将该节点从博弈顺序表中删除；

(3-3)在后的参与者基于在先参与者更新后的策略重新按照约束条件选择自己的策略，并按照重新选择的策略参与博弈；

(3-4)当博弈顺序表中没有参与者可以参与博弈时，博弈流程终止，资源分配策略重复博弈模型输出的结果为所述Mesh网络的资源分配方案；

(4)计算基于资源分配策略问题模型输出的资源分配方案的网络吞吐量，并与初始网络吞吐量进行比较，判断执行该资源分配方案的网络吞吐量是否大于初始网络吞吐量；若判断结果为是，则执行该资源分配方案并向全Mesh网络广播；若判断结果为否， 则保持原有的资源分配方案。

上述技术方案的实施步骤如下：

1)准备阶段：

将整个频带划分为N个子信道，设业务源数为K，参与业务流的每跳节点的发射功率为P_max。用n表示子信道序号，t表示时隙序号，则时频资源块RB_{n ， t}代表第t个时隙的第n个子信道。业务流k的第h_k跳在资源块RB_{n ， t}上的信噪比表示为：

其中，是业务流k的第h_k跳节点在RB_{n ， t}上的参考点发射功率，所述参考点为距离源节点R米的一个功率测量位置点；d₀为参考节点与发射节点距离为d₀，为表示业务源k的第h_k跳发射节点与接收节点间的距离，N₀为噪声功率，为业务流k的第h_k跳节点的同频干扰项，表示与业务流k的第h_k跳节点存在同频干扰的节点所产生的干扰功率；

式(2)中，表示与业务流k的第h_k跳节点存在同频干扰的节点，表示第m个同频干扰点的参考点功率，所述参考点为距离发射节点距离为d₀的一个功率测量位置点；d₀业务流k的第h_k跳节点与其功率参考点的距离，表示业务流k的第h_k跳节点与同频干扰点的距离；

业务流k的第h_k跳节点在资源块RB_{n ， t}上的数据传输速率为

式(3)中，w表示时频资源块RB_{n ， t}的带宽。

2)博弈过程

在上述技术方案中，将每一个业务源k的第h_k跳视作一个博弈的参与者，记参与当前轮博弈的参与者为(k，h_k)，整个博弈过程中参与者的集合记为：

Ω＝{(h_k，k)|h_k≤H_k，k≤K}

参与者个数为|Ω|，每个参与者的策略即它的时频资源块的占用情况，定义正在参与博弈的参与者的策略为其他参与者的策略记为：整个Mesh网中业务流的总策略表示为

在该技术方案中，我们希望在满足业务速率要求的情况下，进行时频资源块的分配，使得用户所占用的时频资源块总数量最小，这样既可以减小系统总的节点间干扰，又可以使系统可接入的用户数量增加。为实现该目的，本技术方案构建资源分配策略重复博弈模型，步骤为：

定义每个参与者所占用的时频资源块数量为：

所以博弈中所有参与者所占有的时频资源块总数量为：

以所有参与者所占有的时频资源块总数量最少为目标问题构建资源分配策略重复博弈模型为：

参与业务流的各节点选择的策略需同时满足以下条件：

约束条件1：

t，k，h_k，分配方案只存在0和1两种结果，其中，0表示不占用对应时频资源块，1表示占用对应时频资源块。

约束条件2：

时频资源块RB_{n ， t}若分配给业务源k的第h_k跳，需要满足信噪比条件，业务源k的第h_k跳在该时频资源块上的SINR需要大于一个阈值，阈值的选择可以根据灵敏度、误帧率、BER vs SNR曲线等确定，即：

约束条件3：

业务源k中多跳中的每一跳的速率都大于业务源的速率最低要求，即

综上，各参与者选择策略的约束条件表示为：

表示业务流k的第h_k跳所占用时频资源块的集合。

在资源分配策略问题模型中，新一轮博弈的参与者(k，h_k)根据其他参与者已经更新的来选择自己的以改进目标问题U，如果U可以被参与者(k，h_k)改进，则整个模型进入一个新的循环。为了防止震荡，同一时间只能有一个参与者改变其策略为了做到这一点，可生成一张参与者博弈顺序表bit-map标明参与者的行动顺序。另外，还需要设置标志位M，标记当前还剩余多少参与者可以通过改变策略来改进U，M_initial＝|Ω|。每个节点都可以参与博弈，直至M＝0表示没有参与者可以改进U时，博弈流程终止。

整个重复博弈的流程分为以下几个阶段：

1、起始阶段：每个参与者(k，h_k)根据其他参与者的策略，计算自己在每个时频资源块RB_{n ， t}上的信噪比并且读取自己在bit-map中的位置，等待自己回合的到来。

2、改进阶段：起始阶段结束后，参与者依据bit-map等待直至轮到自己改进U。若参与者在第r轮进入自己的回合，它会根据其他参与者最新的策略来计算自己在每 个时频资源块的上的信噪比和数据传输速率，从满足约束条件的时频资源块中，预选择自己的策略若存在策略使得其中表示参与者当前的策略，则令并更新所有参与者的总策略s，M值不变，从bit-map中的下一个参与者开始进行改进。若参与者无法改进U，那么参与者保持当前策略，并且M＝M-1，bit-map中的下一个参与者进入改进阶段进行U改进。

3、结束阶段：当在第R轮，标志位递减为0，则意味着系统中，没有参与者再能改进U(s)，则算法终止。此时的资源分配策略问题模型输出的资源分配方案s^R则为资源分配算法的重复博弈的最终结果。

4、博弈后续过程：重复博弈得到的资源分配方案s^R，依据s^R计算网络吞吐量，若该资源分配方案能够提高网络吞吐量，则表示通过博弈，网络中能够容纳新产生的业务，则向全网广播新的资源分配方案，网络中的所有节点在接收到新的资源分配方案后按照新的资源分配方案进行数据传输；若该分配方案无法提高网络吞吐量，则表示网路容量已经饱和，该业务无法在不影响其他业务的前提下被分配资源，那么该业务不能接入到网络中。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过重复博弈解决目标问题，使得在满足一定约束条件的情况下，网络中的节点可以对同一个时频资源块进行复用，并且在重复博弈中，以最小化时频资源块占用为目标，这两个特性，可以明显提高网络容量和业务接入率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的流程图；

图2为60节点多频点多跳无线Mesh网络的使用场景；

图3为60节点的坐标分布和连通性示意图；

图4为重复博弈过程的伪代码；

图5为实施例技术方案和普通多跳预约方法在接入视频业务时的网络吞吐量对比图；

图6为实施例技术方案和普通多跳预约方法在接入VoIP业务时的网络吞吐量对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面提供一个实施例，该实施例的实施流程如图1所示。该实施例中的多频点多跳无线Mesh网络有60个节点，60个节点的坐标分布和连通性如图2和图3所示，图4为重复博弈过程的伪代码，本实施例通过Matlab进行仿真，具体步骤如下：

1.设置仿真中所需要的环境参数，仿真环境参数设置如表1所示：

表1仿真环境参数

2.设置好环境参数后，进行路由发现环节，将节点的坐标值、作为源节点的多跳路径值、每条路径的跳数、多跳路径数均记录在节点信息结构体node_info中。网络中所有节点的时频资源块占用信息由node_strategy表记录，该表由网络中所有节点维护并同步。

3.发射节点产生业务，为了简化说明，这里假设有两种业务流，分别为视频业务流和VoIP业务流，其QoS参数分别为速率400kbps、误帧率10％和速率15.6kbps和误帧率1％。业务流的速率要求R_min、误帧率要求FER_max、路由表数组，每一跳博弈结果数组，都记录在RSV结构体当中，当节点有业务到达时，开始重复博弈过程。

4.假设网络中已有三个视频业务，其相关参数如表2所示：

表2现有业务资源占用信息

其中，每跳占用资源块编号[(9，10)，(11，12)，(13，14)]表示当前跳占用第9至第14时频资源块。将现有的各业务的各节点的资源占用策略复制到node_temp表中。重复博弈开始，每个业务的每个节点按照顺序，根据约束条件，寻找可用时频资源块，进行资源占用策略的选择，若该策略使得该跳的速率达到业务速率要求，则判断成功选择了策略，则在RSV结构体记录该跳成功，记state＝1；若无可用视频资源块或有可用资源块但是不满足约束条件，那么判断该跳选择资源占用策略失败，记state＝2。当一个节点在重复博弈中，改变了资源占用策略，则剩余博弈节点数M＝node_num，若当前节点未改变策略，则M＝M-1，当M＝0时重复博弈停止。重复博弈之后，每个业务流及其资源占用情况如下表：

表3重复博弈后业务资源占用信息

5.重复博弈结束后，根据每个业务流每一跳节点资源占用状态，得知业务流占用时频资源成功与否，并统计整个网络的吞吐量，若新的策略可以不影响更高优先级的业务传输的情况下，提高网络的吞吐量和业务接入率，则更新新的资源分配策略到node_strategy表中并广播告知其他节点，当网络中所有节点都收到新的资源分配策略表，开始按照新的资源分配策略传输业务。

图5、图6显示了使用了重复博弈算法和未使用博弈算法的多跳预约方法在网络吞 吐量和业务接入率上的对比，可以看到因为使用了博弈算法可以明显提高网络容量和业务接入率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法，所述Mesh网包括目的节点、源节点和路由转发节点，各节点具有两种状态，当接收信号时为接收节点，当发射信号时，为发射节点；其特征在于该方法包括步骤：

(1)将Mesh网络中所有频点上的信道资源划分为时频资源块RB_n，t，RB_n，t表示第n个信道的第t个时隙的时频资源；定义业务流在Mesh网络中传输的过程中的每一跳节点为一个博弈参与者，该节点对时频资源块的占用情况为该节点的资源分配策略；

(2)获取Mesh网络中参与业务流的每一跳节点在各个时频资源块上的信噪比和数据传输速率，根据业务流的传输要求设置各节点进行策略选择的约束条件；参与业务流的各节点从满足约束条件的时频资源块中选择自己的策略并参与博弈；

(3)以所有参与者所占有的时频资源块总数量最少为目标问题构建资源分配策略问题模型；设置参与者博弈顺序表，每个参与者按照博弈顺序表分配的博弈顺序依次参与博弈，每轮博弈仅有一个参与者进行策略博弈，资源分配策略问题模型解决目标问题的流程为：

(3-1)博弈开始前，首先将Mesh网络中现有业务流的每一跳节点对时频资源块的占用情况作为所有参与者的初始策略，并计算现有参与者所占有的时频资源块总数量，作为目标问题的参考基准；

(3-2)每个参与博弈的参与者根据约束条件预选择自己的策略，并判断预选择的策略是否能使所有参与者所占有的时频资源块总数量小于参考基准；若判断结果为是，则该参与者更新自己的策略，同时将该参与者更新策略后的所有参与者所占有的时频资源块总数量作为新的参考基准；若判断结果为否，则保持该节点的原策略，并将该节点从博弈顺序表中删除；

(3-3)在后的参与者基于在先参与者更新后的策略重新按照约束条件选择自己的策略，并按照重新选择的策略参与博弈；

(3-4)当博弈顺序表中没有参与者可以参与博弈时，博弈流程终止，资源分配策略重复博弈模型输出的结果为所述Mesh网络的资源分配方案；

(4)计算基于资源分配策略问题模型输出的资源分配方案的网络吞吐量，并与初始网络吞吐量进行比较，判断执行该资源分配方案的网络吞吐量是否大于初始网络吞吐量；若判断结果为是，则执行该资源分配方案并向全Mesh网络广播；若判断结果为否，则保持原有的资源分配方案。

2.根据权利要求1所述的一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)中参与业务流的每一跳节点在各个时频资源块上的信噪比和数据传输速率的计算方法为：

定义业务流总数为K，业务流k的第h_k跳节点在时频资源块RB_n，t上的信噪比为：

${\mathrm{\η}}_{k,n,t}^{h_k}=\frac{P_{n,k,t}^{h_k}\left(d_0\right)\×{\left(\frac{d_0}{d_{k,h_k}}\right)}^{\mathrm{\γ}}}{I_{k,n,t}^{h_k}+N_0}---\left(1\right)$

其中，是业务流k的第h_k跳节点在RB_n，t上的参考点发射功率，所述参考点为距离发射节点距离为d₀的一个功率测量位置点；为表示业务流k的第h_k跳发射节点与接收节点间的距离，N₀为噪声功率，为业务流k的第h_k跳节点的同频干扰项，表示与业务流k的第h_k跳节点存在同频干扰的节点所产生的干扰功率；

$I_{k,n,t}^{h_k}=\underset{m=1}{\overset{M_k^{h_k}}{\Σ}}{p}_{k,h_k,m}\left(d_0\right){\left(\frac{d_0}{d_{k,h_k,m}}\right)}^{\mathrm{\γ}}---\left(2\right)$

式(2)中，表示与业务流k的第h_k跳节点存在同频干扰的节点，表示第m个同频干扰点的参考点功率，d₀表示业务流k的第h_k跳节点与其功率参考点的距离，表示业务流k的第h_k跳节点与同频干扰点的距离；

业务流k的第h_k跳节点在资源块RB_n，t上的数据传输速率为

$r_{k,n,t}^{h_k}={\mathrm{wlog}}_2(1+{\mathrm{\η}}_{k,n,t}^{h_k})---\left(3\right)$

式(3)中，w表示时频资源块RB_n，t的带宽。

3.根据权利要求2所述的一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)中参与业务流的各节点选择策略的方法为：

定义业务流k的第h_k跳为参与者(k，h_k)，该参与者的策略表示为 同时满足以下约束条件：

$\begin{array}{cc}s.t.& \{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{k,n,t}^{h_k}\≥{\mathrm{SINR}}_{\min },(n,t)\∈D_k^{h_k},\∀k,\∀h_k\\ r_{k,n,t}^{h_k}\≥r_{k,\min },\∀k,h_k\\ x_{k,n,t}^{h_k}=\{0,1\}\end{array}---\left(4\right)\end{array}$

式(4)中，SINR_min表示信噪比的阈值；r_k，min表示业务流k对每一跳的速率最低要求；0表示不占用对应时频资源块，1表示占用对应时频资源块；

$D_k^{h_k}=\left\{(n,t)\right|x_{k,n,t}^{h_k}=1,\∀n,\∀t\}---\left(5\right)$

表示业务流k的第h_k跳所占用时频资源块的集合。

4.根据权利要求3所述的一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法，其特征在于，所述步骤(3)中构建资源分配策略问题模型的方法为：

定义每个参与者所占用的时频资源块数量为：

$U_k^{h_k}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{x}_{k,n,t}^{h_k}---\left(6\right)$

所有参与者所占有的时频资源块总数量为：

$U=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{h=1}{\overset{H_k}{\Σ}}{m}_k^{h_k}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{h=1}{\overset{H_k}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{x}_{k,n,t}^{h_k}---\left(7\right)$

以所有参与者所占有的时频资源块总数量最少为目标问题构建资源分配策略问题模型为：

$\underset{X}{min}U=\underset{X}{min}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{h=1}{\overset{H_k}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{x}_{k,n,t}^{h_k}---\left(8\right).$