CN106376013A - 一种自组织网络的高可靠性链路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对自组织网络可靠性低问题，提出一种自组织网络的高可靠性链路设计方法，采用基于网络损害和损害风险的优化建模，根据应用场景，选择合适的链路高可靠性设计优化模型，实现了自组织网络链路的高可靠性。

Description

一种自组织网络的高可靠性链路设计方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及业务调度，以及优化技术。

背景技术

移动自组织网络,是一种没有基础设施支持,完全由移动终端构成的网络。自组织网络最初只是应用于军事领域,它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项日。在自组织网络中,当两个移动终端在彼此的通信覆盖范围内时,它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限,如果两个相距较远的主机要进行通信,则需要通过它们之间的其他节点转发才能实现。因此在自组织网络中,终端同时还是路由器,担负着寻找路由和转发报文的工作，自组织网络的典型结构如图1所示。

对等终端直接通信,而无需任何固定设备的支持,这是自组织网络和传统的无线网络,如蜂窝网或是无线局域网之间非常显著的区别。通过将业务分散在整个网络,自组织网络避免了星形网络受制于中心节点瓶颈效应的缺陷,使得自组织网络在系统容量上和传统蜂窝网相比具有很大的优势。但是路由上中间节点的增多也会给数据包带来额外的延迟负担。此外,由于自织织网络采用分布式技术,没有中心控制节点的管理,当网络中某些节点或链路发生故障时,还可以通过其他节点的中继继续通信。整个网络由移动节点自由组合,不依赖于任何有线设备,因此自组织网络具有较强的自组性和可扩展性,并且由于自组网简单,具有很高的机动性,所以非常适合战场等恶劣通信环境。日前,一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统,在恶劣的战场环境中,那些很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成的通信任务可以通过自组织网络实现。因此,自组织网络的研究对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。

综上所述：为实现自组织网络中的业务高效传输，需建立高效链路优化机制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用基于最小平均网络损坏风险的链路保护设计建模、基于最小化最大网络损坏的链路保护设计建模以及基于最小化最大网络损坏风险的链路保护设计建模，实现了自组织网络的链路可靠性提升。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤，如图2所示：

A、当网络负载为均匀分布时，进行基于最小平均网络损坏风险的链路保护设计建模；

B、当网络负载为正态分布时，进行基于最小化最大网络损坏的链路保护设计建模；

C、当网络节点为空间均匀分布时，进行基于最小化最大网络损坏风险的链路保护设计建模。

所述步骤A中，具体为：

$\begin{array}{cc}& \underset{{\mathrm{bp}}_i,f_i^q}{\min }NR\\ s.t.& \underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i^q={\mathrm{bp}}_i,i\∈L\\ & h_{s,i}=\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i^q{\mathrm{\ζ}}_{s,i}^q+1-{\mathrm{bp}}_i,s\∈S,i\∈L\\ & e_{s,i}={\mathrm{state}}_{s,i}{h}_{s,i},s\∈S,i\∈L\\ & y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\mathrm{\Σ}}{e}_{s,i}{p}_{r,i},s\∈S,i\∈L\\ & {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ & D_s=\underset{r\∈R}{\mathrm{\Σ}}{z}_{s,r}{\mathrm{dam}}_r,s\∈S\\ & NR=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{sp}}_s\×D_s\\ & \underset{i\∈L}{\mathrm{\Σ}}\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j\∈L}{\mathrm{\Σ}}{c}_j{w}_i{f}_i^q{\mathrm{\δ}}_{i,j}^q\≤B\end{array},$

其中N,L,R,S分别为网络的节点、链路、路径以及网络状态集合，P＝{p_r,i}_|R|×|L|为决策变量，若路径r使用链路i，则p_r,i＝1，反之则p_r,i＝0，m＝{m_r}_|R|，m_r为路径r的数据速率，u_i为链路i的不可利用率，w_i为链路i的容量，为决策变量，若节点n为链路i的源节点或目的节点则b_n,i＝1，反之则b_n,i＝0，d_r,n为决策变量，若节点n为路径r的源节点或目的节点则d_r,n＝1，反之则d_r,n＝0，STATE＝{state_s,i}_|S|×|L|为决策变量，当网络处于状态S时，链路i被中断则state_s,i＝1，反之则state_s,i＝0，stateprob＝{sp_S}_|S|为网络处于状态S的概率，dam_r为由路径r失效产生的网络损害，D_s为网络处于状态s时的网络损害，c_i为链路i的容量分配的单位使用代价，B为网络设计的固定开销和使用代价，K为大于50的正常数，risk_s为网络处于状态s时的累计网络损害风险，NR为网络的总体损害风险，g_s,r为决策系数，若网络处于状态s时，路径r中的某一子路径失效则g_s,r>0，反之则g_s,r＝0，y_s,r为决策系数，若网络处于状态s时，路径r失效则y_s,r>0，反之则y_s,r＝0，若网络处于状态s时，路径r失效则z_s,r＝1，反之则z_s,r＝0，TI为网络处于损害或存在损害风险时的时延，bp＝{bp_i}_|L|，若链路i处于保护状态则bp_i＝1，反之则bp_i＝0，Q＝{q_i,j}_|L|×|L|，若链路i处于保护状态，其具有备用链路j，且q_i,j＝1，反之则q_i,j＝0，h_s,i为决策系数，若网络处于状态s时，链路i未处于保护状态则h_s,i>0，反之则h_s,i＝0，e_s,i为决策系数，若链路i失效且其不具有具有备用链路j，则e_s,i＝1，反之则e_s,i＝0，Q_i为链路i的可用备份路径集合，f_i ^q均为决策变量，若Q_i中的链路i的第q个备份路径包含链路j，则反之则若网络处于状态s时，Q_i中的链路i的第q个备份路径失效，则反之则若链路i出于保护状态，并且使用Q_i中的第q个备份路径作为其备份路径，则f_i ^q＝1，反之则f_i ^q＝0，k1和k2均为设计参数。

所述步骤B中，具体为：

$\underset{{\mathrm{bp}}_i,f_i^q}{min}k1\×NR+k2\max damage$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q={\mathrm{bp}}_i,i\∈L\end{array}$

$h_{s,i}=\underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q{\mathrm{\ζ}}_{s,i}^q+1-{\mathrm{bp}}_i,s\∈S,i\∈L$

e_s,i＝state_s,ih_s,i,s∈S,i∈L

$y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\Σ}{e}_{s,i}{p}_{r,i},s\∈S,i\∈L$

Kz_s,r>y_s,r,s∈S,r∈R

$D_s=\underset{r\∈R}{\Σ}{z}_{s,r}{\mathrm{dam}}_r,s\∈S$

$\max damage\≥D_s,\∀s\∈S.$

所述步骤C中，具体为：

$\begin{array}{c}\underset{{\mathrm{bp}}_r,f_r^q}{\min }k1\×NR\×k2\×\max risk\\ \begin{array}{cc}s.t.& {\mathrm{risk}}_s=D_s\×{\mathrm{sp}}_s,\∀s\∈S\end{array}\\ \max risk\≥{\mathrm{risk}}_s,\\ NR=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{risk}}_s\\ \underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_r^q={\mathrm{bp}}_r,r\∈R\\ h_{s,r}=\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_r^q{\mathrm{\ζ}}_{s,r}^q+1-{\mathrm{bp}}_r,s\∈S,r\∈R\\ y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\mathrm{\Σ}}{g}_{s,r}{h}_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ D_s=\underset{r\∈R}{\mathrm{\Σ}}{z}_{s,r}{d}_r,s\∈S\\ NR=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{sp}}_s\×D_s\end{array}.$

本发明的有益效果为：一种自组织网络的高可靠性链路设计方法，采用基于最小平均网络损坏风险的链路保护设计建模、基于最小化最大网络损坏的链路保护设计建模以及基于最小化最大网络损坏风险的链路保护设计建模，实现了自组织网络的链路可靠性提升。

附图说明

图1为自组织网络典型结构示意图

图2为可靠性链路设计流程示意图

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明:

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

第一步，当网络负载为均匀分布时，进行基于最小平均网络损坏风险的链路保护设计建模，具体为：

$\underset{{\mathrm{bp}}_i,f_i^q}{\min }NR$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i^q={\mathrm{bp}}_i,i\∈L\\ & h_{s,i}=\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_i^q{\mathrm{\ζ}}_{s,i}^q+1-{\mathrm{bp}}_i,s\∈S,i\∈L\\ & e_{s,i}={\mathrm{state}}_{s,i}{h}_{s,i},s\∈S,i\∈L\\ & y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\mathrm{\Σ}}{e}_{s,i}{p}_{r,i},s\∈S,i\∈L\\ & {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ & D_s=\underset{r\∈R}{\mathrm{\Σ}}{z}_{s,r}{\mathrm{dam}}_r,s\∈S\\ & NR=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{sp}}_s\×D_s\\ & \underset{i\∈L}{\mathrm{\Σ}}\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j\∈L}{\mathrm{\Σ}}{c}_j{w}_i{f}_i^q{\mathrm{\δ}}_{i,j}^q\≤B\end{array},$

其中N,L,R,S分别为网络的节点、链路、路径以及网络状态集合，P＝{p_r,i}_|R|×|L|为决策变量，若路径r使用链路i，则p_r,i＝1，反之则p_r,i＝0，m＝{m_r}_|R|，m_r为路径r的数据速率，u_i为链路i的不可利用率，w_i为链路i的容量，为决策变量，若节点n为链路i的源节点或目的节点则b_n,i＝1，反之则b_n,i＝0，d_r,n为决策变量，若节点n为路径r的源节点或目的节点则d_r,n＝1，反之则d_r,n＝0，STATE＝{state_s,i}_|S|×|L|为决策变量，当网络处于状态s时，链路i被中断则state_s,i＝1，反之则state_s,i＝0，stateprob＝{sp_S}_|S|为网络处于状态s的概率，dam_r为由路径r失效产生的网络损害，D_s为网络处于状态s时的网络损害，c_i为链路i的容量分配的单位使用代价，B为网络设计的固定开销和使用代价，K为大于50的正常数，risk_s为网络处于状态s时的累计网络损害风险，NR为网络的总体损害风险，g_s,r为决策系数，若网络处于状态s时，路径r中的某一子路径失效则g_s,r>0，反之则g_s,r＝0，y_s,r为决策系数，若网络处于状态s时，路径r失效则y_s,r>0，反之则y_s,r＝0，若网络处于状态s时，路径r失效则z_s,r＝1，反之则z_s,r＝0，TI为网络处于损害或存在损害风险时的时延，bp＝{bp_i}_|L|，若链路i处于保护状态则bp_i＝1，反之则bp_i＝0，Q＝{q_i,j}_|L|×|L|，若链路i处于保护状态，其具有备用链路j，且q_i,j＝1，反之则q_i,j＝0，h_s,i为决策系数，若网络处于状态s时，链路i未处于保护状态则h_s,i>0，反之则h_s,i＝0，e_s,i为决策系数，若链路i失效且其不具有具有备用链路j，则e_s,i＝1，反之则e_s,i＝0，Q_i为链路i的可用备份路径集合，f_i ^q均为决策变量，若Q_i中的链路i的第q个备份路径包含链路j，则反之则若网络处于状态s时，Q_i中的链路i的第q个备份路径失效，则反之则若链路i出于保护状态，并且使用Q_i中的第q个备份路径作为其备份路径，则f_i ^q＝1，反之则f_i ^q＝0，k1和k2均为设计参数；

第二步，当网络负载为正态分布时，进行基于最小化最大网络损坏的链路保护设计建模，具体为：

$\underset{{\mathrm{bp}}_i,f_i^q}{min}k1\×NR+k2\max damage$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q={\mathrm{bp}}_i,i\∈L\end{array}$

$h_{s,i}=\underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q{\mathrm{\ζ}}_{s,i}^q+1-{\mathrm{bp}}_i,s\∈S,i\∈L$

e_s,i＝state_s,ih_s,i,s∈S,i∈L

$y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\Σ}{e}_{s,i}{p}_{r,i},s\∈S,i\∈L$

Kz_s,r>y_s,r,s∈S,r∈R

$D_s=\underset{r\∈R}{\Σ}{z}_{s,r}{\mathrm{dam}}_r,s\∈S$

$\max damage\≥D_s,\∀s\∈S;$

第三步，当网络节点为空间均匀分布时，进行基于最小化最大网络损坏风险的链路保护设计建模，具体为：

$\begin{array}{c}\underset{{\mathrm{bp}}_r,f_r^q}{\min }k1\×NR\×k2\×\max risk\\ \begin{array}{cc}s.t.& {\mathrm{risk}}_s=D_s\×{\mathrm{sp}}_s,\∀s\∈S\end{array}\\ \max risk\≥{\mathrm{risk}}_s,\\ NR=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{risk}}_s\end{array}$

$\begin{array}{c}\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_r^q={\mathrm{bp}}_r,r\∈R\\ h_{s,r}=\underset{q\∈Q_i}{\mathrm{\Σ}}{f}_r^q{\mathrm{\ζ}}_{s,r}^q+1-{\mathrm{bp}}_r,s\∈S,r\∈R\\ y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\mathrm{\Σ}}{g}_{s,r}{h}_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ D_s=\underset{r\∈R}{\mathrm{\Σ}}{z}_{s,r}{d}_r,s\∈S\\ NR=\underset{s\∈S}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{sp}}_s\×D_s\end{array}.$

本发明提出一种自组织网络的高可靠性链路设计方法，采用基于最小平均网络损坏风险的链路保护设计建模、基于最小化最大网络损坏的链路保护设计建模以及基于最小化最大网络损坏风险的链路保护设计建模，实现了自组织网络的链路可靠性提升。

Claims (4)

1.一种自组织网络的高可靠性链路设计方法，根据网络负载和网络节点分布采用相关网络损坏及其风险的优化建模方法，实现了自组织网络链路性能提升，包括如下步骤：

A、当网络负载为均匀分布时，进行基于最小平均网络损坏风险的链路保护设计建模；

B、当网络负载为正态分布时，进行基于最小化最大网络损坏的链路保护设计建模；

C、当网络节点为空间均匀分布时，进行基于最小化最大网络损坏风险的链路保护设计建模。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：具体为：

$\begin{array}{cc}& \underset{{\mathrm{bp}}_i,f_i^q}{\min }NR\\ s.t.& \underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q={\mathrm{bp}}_i,i\∈L\\ & h_{s,i}=\underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q{\mathrm{\ζ}}_{s,i}^q+1-{\mathrm{bp}}_i,s\∈S,i\∈L\\ & e_{s,i}={\mathrm{state}}_{s,i}{h}_{s,i},s\∈S,i\∈L\\ & y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\Σ}{e}_{s,i}{p}_{r,i},s\∈S,i\∈L\\ & {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ & D_s=\underset{r\∈R}{\Σ}{z}_{s,r}{\mathrm{dam}}_r,s\∈S\\ & NR=\underset{s\∈S}{\Σ}{\mathrm{sp}}_s\×D_s\\ & \underset{i\∈L}{\Σ}\underset{q\∈Q_i}{\Σ}\underset{j\∈L}{\Σ}{c}_j{w}_i{f}_i^q{\mathrm{\δ}}_{i,j}^q\≤B\end{array},$

其中L,S分别为网络的链路和网络状态集合，P＝{p_r,i}_|R|×|L|为决策变量，若路径r使用链路i，则p_r,i＝1，反之则p_r,i＝0，m＝{m_r}_|R|，m_r为路径r的数据传输速率，u_i为链路i的不可利用率，w_i为链路i的容量，b_n,i为决策变量，若节点n为链路i的源节点或目的节点则b_n,i＝1，反之则b_n,i＝0，d_r,n为决策变量，若节点n为路径r的源节点或目的节点则d_r,n＝1，反之则d_r,n＝0，STATE＝{state_s,i}_|S|×|L|为决策变量，当网络处于状态s时，链路i被中断则state_s,i＝1，反之则state_s,i＝0，stateprob＝{sp_s}_|S|为网络处于状态s的概率，dam_r为由路径r失效产生的网络损害，D_s为网络处于状态s时的网络损害，c_i为链路i的容量分配的单位使用代价，B为网络设计的固定开销，K为大于50的正常数，risk_s为网络处于状态s时的累计网络损害风险，NR为网络的总体损害风险，g_s,r为决策系数，若网络处于状态s时，路径r中的某一子路径失效则g_s,r>0，反之则g_s,r＝0，y_s,r为决策系数，若网络处于状态s时，路径r失效则y_s,r>0，反之则y_s,r＝0，若网络处于状态s时，路径r失效则z_s,r＝1，反之则z_s,r＝0，TI为网络处于损害或存在损害风险时的时延，bp＝{bp_i}_|L|，若链路i处于保护状态则bp_i＝1，反之则bp_i＝0，Q＝{q_i,j}_|L|×|L|，若链路i处于保护状态，且其具有备用链路j，则q_i,j＝1，反之则q_i,j＝0，h_s,i为决策系数，若网络处于状态s时，链路i未处于保护状态则h_s,i>0，反之则h_s,i＝0，e_s,i为决策系数，若链路i失效且其不具有备用链路j，则e_s,i＝1，反之则e_s,i＝0，Q_i为链路i的可用备份路径集合，均为决策变量，若Q_i中的链路i的第q个备份路径包含链路j，则反之则若网络处于状态s时，Q_i中的链路i的第q个备份路径失效，则反之则若链路i出于保护状态，并且使用Q_i中的第q个备份路径作为其当前备份路径，则反之则k1和k2分别为NR和damage的设计参数，damage为网络平均损害，risk为网络平均损坏风险，d_r为网络处于状态s时的网络损害幅值。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：具体为：

$\underset{{\mathrm{bp}}_i,f_i^q}{min}k1\×NR+k2\max damage$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q={\mathrm{bp}}_i,i\∈L\\ & h_{s,i}=\underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_i^q{\mathrm{\ζ}}_{s,i}^q+1-{\mathrm{bp}}_i,s\∈S,i\∈L\\ & e_{s,i}={\mathrm{state}}_{s,i}{h}_{s,i},s\∈S,i\∈L\\ & y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\Σ}{e}_{s,i}{p}_{r,i},s\∈S,i\∈L\\ & {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ & D_s=\underset{r\∈R}{\Σ}{z}_{s,r}{\mathrm{dam}}_r,s\∈S\\ & \max damage\≥D_s,\∀s\∈S.\end{array}$

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：

$\begin{array}{c}\underset{{\mathrm{bp}}_r,f_r^q}{\min }k1\×NR+k2\×\max risk\\ \begin{array}{cc}s.t.& {\mathrm{risk}}_s=D_s\×{\mathrm{sp}}_s,\∀s\∈S\end{array}\\ \max risk\≥{\mathrm{risk}}_s,\\ NR=\underset{s\∈S}{\Σ}{\mathrm{risk}}_s\\ \underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_r^q={\mathrm{bp}}_r,r\∈R\\ h_{s,r}=\underset{q\∈Q_i}{\Σ}{f}_r^q{\mathrm{\ζ}}_{s,r}^q+1-{\mathrm{bp}}_r,s\∈S,r\∈R\\ y_{s,r}=\underset{i\∈L}{\Σ}{g}_{s,r}{h}_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ {\mathrm{Kz}}_{s,r}>y_{s,r},s\∈S,r\∈R\\ D_s=\underset{r\∈R}{\Σ}{z}_{s,r}{d}_r,s\∈S\\ NR=\underset{s\∈S}{\Σ}{\mathrm{sp}}_s\×D_s\end{array}.$