CN106856618B - 一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法。该方法在无碰撞调度的条件下寻找提高总路由吞吐量的额外路径，然后通过空间复用时隙来评估路由吞吐量，最终找到最大的路由吞吐量。在预先规定好的路由路径流的约束下，本发明在确保无线Mesh网络在一次干扰和二次干扰下无碰撞传输的同时，路径分配更多时隙，找到提高吞吐量的路由路径。时间复杂度比穷举算法更低。

Description

一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法。

背景技术

无线Mesh网络是由无线路由器组成的多跳网络。主要由无线路由节点、接入点和用户节点组成。因其易于部署，成本较低等特性，无线Mesh网络最初被开发应用于战争和自然灾害等需要快速部署通信网络的情景，又被应用于解决“最后一公里”网络问题。尽管无线Mesh网络具有许多优点，但无线Mesh网络对时变的业务传输能力较差。因此，有必要设计一种提高无线Mesh网络的传输能力的方法。

提高网络传输能力具体体现在，在尽可能短的时间里以尽可能高的传输速率实现信息传输，也就是提高单位时间内的信息传输速率，即吞吐率。目前已经有很多针对Mesh网络算法的研究来实现高效路由，这些算法大都是通过使用路由算法来寻找高吞吐率的路径从而提高无线Mesh网络的路由吞吐率。然而现行无线Mesh网络路由方案存在只考虑一次干扰而忽视二次干扰、只优化了每对节点间的单一最佳路径等不足。需要注意，一次干扰指在任何时间间隔内，每个节点仅可以与至多一个节点通信。二次干扰指不同节点间通信产生的干扰。当两个或更多的传输短时间内或同时在空间中传输，二次干扰发生。传输的接收者受到另一个同时传输的发送者的干扰。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种无线Mesh网络中最大化吞吐率的方法。该方法在无碰撞调度的条件下寻找提高总路由吞吐率的额外路径，然后通过空间复用时隙来评估路由吞吐率，最终找到最大的路由吞吐率。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，包括以下步骤：步骤一：建立无线Mesh网络拓扑结构；步骤二：确保无线Mesh网络的无碰撞传输；步骤三：确定路由路径；步骤四：基于空间复用的时隙分配；步骤五：寻找额外路径来提高吞吐率。

进一步根据所述实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，步骤一中建立无线Mesh网络拓扑结构，按如下步骤进行：

(1-1)建立全向无线传播的无线Mesh网络，并用无向无环简单图G＝(R,L)表示，R是节点的集合，L是节点间路径的集合，网络中所有节点均为静态且不移动；R_i表示Mesh网络中的节点，R_i∈R；l_ij表示节点R_i到节点R_j(1≤i,j≤|R|,i≠j)间的传输路径，l_ij∈L；c_ij表示l_ij的路径容量，即该路径单位时间内所能传输的信息量，也称为传输速率，单位为bit/s(bps)；

(1-2)建立时隙集合T，所述无线Mesh网络中，有k个时隙，用t₁,t₂,…,t_k表示，组成时隙集合{t₁，t₂，…，t_k}；表示节点R_j在时隙t_k内接收到的来自节点R_i的信息，的单位为bits；

在无线Mesh网络中，假设只有发端节点Rs可创建数据包，且发端节点总有数据包可传输，不考虑收端节点收到重复的数据包，同时假设节点使用MAC协议实现数据传输，则无线Mesh网络传输标准为IEEE制定的802.11a/b/g，从而实现多速率传输。

进一步根据所述实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，步骤二中确保无线Mesh网络的无碰撞传输；

R_i为无线Mesh网络中的一个节点，N(R_i)表示R_i的相邻节点集合；

无线Mesh网络中节点在一次干扰下无碰撞传输，网络中任一节点R_m向其相邻节点R_n传输时，不再接收任何其他相邻节点R_j传输的信息，网络中节点在一次干扰下无碰撞传输的约束条件为：

且

其中R_j∈N(R_m)，j≠n，表示如果R_m传输信息至其相邻节点R_n，R_m不能接收任何来自其他相邻节点R_j传输的信息；

确保无线Mesh网络中节点在二次干扰下无碰撞传输，网络中任一节点R_n在接收其相邻节点R_m的传输时，R_n的其他相邻节点R_i不能同时传输信息，并且确保在R_n在接收R_m的传输时不能同时传输信息至R_n的其他相邻节点R_i(i≠m)；

网络中节点在二次干扰下无碰撞传输的约束条件为：

表示当R_n在接收R_m的传输时，那么R_n的相邻节点，除R_m外，不能同时传输信息至R_n；表示当R_n在接收R_m的传输时，R_n不能同时传输信息至其相邻节点。

进一步根据所述实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，步骤三中确定路由路径，其思想是从选择一条路径开始搜索，能够到达接收端节点就采用该路径，不能到达接收端节点就返回上一节点重新选择其相邻节点尝试搜索，直至找到发端到收端的路径；

无线Mesh网络的发端节点R_s，从R_s开始查询R_s的相邻节点，如果查找到其邻居节点是收端节点R_d；否则，选择R_s的相邻节点R_1x，查询R_1x的相邻节点，查找收端节点R_d；否则，选择R_1x的相邻节点R_2x，查询R_2x的相邻节点，查找收端节点R_d；直到查找到收端节点R_d，建立路径L_sd；

发端节点R_s到收端节点R_d存在多条路径，删除不必要的路径以减少计算成本，其中不必要的路径指存在某一时隙，使得在该条路径上有信息正在进行传输，即若存在一条路径，该路径中两节点R_i和R_j，在某一时隙t_k，使得则称L_ij为不必要的路径；

删除所有不必要的路径，组成路径发端节点R_s到收端节点R_d的路由路径集合L(p)。

进一步根据所述实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，步骤四中基于空间复用的时隙分配，以空间复用作为基础，给每条路径分配时隙，时隙集合{t₁，t₂，…，t_k}，按如下步骤进行：

(4-1)记路径p分配的时隙数为T_a(p)，L(t)为路径集合L(p)中时隙分配包含第t个时隙的路径集合，并初始化T_a(p)＝0，L(t)＝NULL，t＝1；

(4-2)所述路径中，任选一条分配时隙数最少的路径p₁，为其分配时隙t，即将路径p₁作为集合L(t)的元素，同时执行T_a(p₁)+1；

(4-3)对于已经分配的任一时隙t，在L(p)-L(t)中，如果当前时隙中的任一路径p₂与路径p₁具有相同的节点，则这两条路径不能分配同一时隙；如果当前时隙中的任一路径p₂与路径p₁具有完全不同的节点，则这两条路径可以分配同一时隙，即给路径p₂也分配时隙t，同时将路径p₂加入L(t)，T_a(p₂)+1；

(4-4)每分配一个时隙，时隙序号t＝t+1，然后对所有路径按照各路径目前分配的时隙数T_a从小到大重新排序，对时隙t进行分配，若所有路径均分配到至少一个时隙，则结束时隙分配，否则返回步骤(4-2)，继续分配时隙；

(4-5)将所有分配好的时隙记为T＝{t₁，t₂，…，t_t}，t≤k，按这种方法分配保证了分配到的时隙数最少，即最小。

进一步根据所述实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，步骤五中寻找额外路径来提高吞吐率：

g为路径集合L(p)中的路径总数，f代表其中的一条路径，c_ij(f)表示路径f中每一条路径的路径容量，一条路径的瓶颈路径容量为min{c_ij(f)}，时隙t_k的持续时间为d(t_k)；

路径吞吐率为所有路径的瓶颈路径容量之和与已分配时隙的总时间之比，即总的路径吞吐率：

所述最小，可以得到最大化的吞吐率；

若步骤四中分配的时隙数t满足t<k，则在步骤三中删除的不必要路径中查找额外路径；若存在路径满足在时隙m∈(t,k]内有f_ij,tm＝0，即在未分配的时隙内，存在不必要路径处于空闲状态，则将该不必要路径作为额外路径；反之，则不存在额外路径；所述分配的时隙数t＝k，则同样不存在额外路径；

将上述找到的额外路径记为l(g+1)，用δ表示额外路径l(g+1)所分配时隙的持续时间，若该额外路径满足加上该路径后整体路由吞吐率比原来有增加，即：

则在已给出路径流量的情况下，只有增加一条额外路径l(g+1)可以使得整体路由吞吐率比原本路由吞吐率更大时，才能增加额外路径；

在无线Mesh网络中，若存在一条从发端到收端的路径满足使得路径吞吐率提高，则可以添加该路径达到吞吐率最大化。

本发明的有益效果是：

1、在预先规定好的路由路径流的约束下，本发明在确保无线Mesh网络在一次干扰和二次干扰下无碰撞传输的同时，可以使用回溯算法找到提高吞吐率的路由路径。

2、时间复杂度比穷举算法更低。

3、在寻找路径时同时使用剪枝搜索技术，有效减少计算成本。

附图说明

图1是本发明所述的一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法的基本流程；

图2是本发明所述方法步骤四中所涉及的一种时隙分配的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明所述方案和效果作进一步详细描述。

如图1所示，本发明所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立无线Mesh网络拓扑结构。

(1-1)建立全向无线传播的无线Mesh网络，并用无向无环简单图G＝(R,L)表示，R是节点的集合，L是节点间路径的集合，网络中所有节点均为静态且不移动。令R_i表示Mesh网络中的节点，R_i∈R；令l_ij表示节点R_i到节点R_j(1≤i,j≤|R|,i≠j)间的传输路径，l_ij∈L；令c_ij表示l_ij的路径容量，即该路径单位时间内所能传输的信息量，也称为传输速率，单位为bit/s(bps)。

(1-2)建立时隙集合T。

所述无线Mesh网络中，有k个时隙，用t₁,t₂,…,t_k表示，组成时隙集合{t₁，t₂，…，t_k}。用表示节点R_j在时隙t_k内接收到的来自节点R_i的信息，的单位为bits。

在无线Mesh网络中，假设只有发端节点Rs可创建数据包，且发端节点总有数据包可传输，不考虑收端节点收到重复的数据包，同时假设节点使用MAC协议实现数据传输，则无线Mesh网络传输标准为IEEE制定的802.11a/b/g，从而实现多速率传输。

步骤二：确保无线Mesh网络的无碰撞传输。

R_i为无线Mesh网络中的一个节点，N(R_i)表示R_i的相邻节点集合。

无线Mesh网络中节点在一次干扰下无碰撞传输，网络中任一节点R_m向其相邻节点R_n传输时，不再接收任何其他相邻节点R_j传输的信息，网络中节点在一次干扰下无碰撞传输的约束条件为：

且

其中R_j∈N(R_m)，j≠n，表示如果R_m传输信息至其相邻节点R_n，R_m不能接收任何来自其他相邻节点R_j传输的信息。

确保无线Mesh网络中节点在二次干扰下无碰撞传输，网络中任一节点R_n在接收其相邻节点R_m的传输时，R_n的其他相邻节点R_i不能同时传输信息，并且确保在R_n在接收R_m的传输时不能同时传输信息至R_n的其他相邻节点R_i(i≠m)。网络中节点在二次干扰下无碰撞传输的约束条件为：

表示当R_n在接收R_m的传输时，那么R_n的相邻节点，除R_m外，不能同时传输信息至R_n；表示当R_n在接收R_m的传输时，R_n不能同时传输信息至其相邻节点。

步骤三：确定路由路径。

本发明所述确定路由路径方法，其思想是从选择一条路径开始尝试搜索，能够到达接收端节点就采用该路径，不能到达接收端节点就返回上一节点重新选择其相邻节点尝试搜索，直至找到发端到收端的路径。

无线Mesh网络的发端节点R_s，从R_s开始查询R_s的相邻节点，如果查找到其邻居节点是收端节点R_d；否则，选择R_s的相邻节点R_1x，查询R_1x的相邻节点，查找收端节点R_d；否则，选择R_1x的相邻节点R_2x，查询R_2x的相邻节点，查找收端节点R_d。如上所述，直到查找到收端节点R_d，建立路径L_sd。

发端节点R_s到收端节点R_d存在多条路径，同时删除不必要的路径以减少计算成本，其中不必要的路径指存在某一时隙，使得在该条路径上有信息正在进行传输，若存在一条路径，该路径中两节点R_i和R_j，在某一时隙t_k，使得则称L_ij为不必要的路径。

删除不必要的路径后，组成路径发端节点R_s到收端节点R_d的路由路径集合L(p)。

步骤四：基于空间复用的时隙分配。

本方法以空间复用作为基础，具体介绍了一种时隙分配策略，给每条路径分配时隙，时隙集合{t₁，t₂，…，t_k}。为使本方法更加清楚明白，以下结合图2对本方法作进一步详细描述。

(4-1)记路径p分配的时隙数为T_a(p)，L(t)为路径集合L(p)中时隙分配包含第t个时隙的路径集合，并初始化T_a(p)＝0，L(t)＝NULL，t＝1。

(4-2)所述路径中，任选一条分配时隙数最少的路径p₁，为其分配时隙t，即将路径p₁作为集合L(t)的元素，同时执行T_a(p₁)+1；

(4-3)对于已经分配的任一时隙t，在L(p)-L(t)中，如果当前时隙中的任一路径p₂与路径p₁具有相同的节点，则这两条路径不能分配同一时隙；如果当前时隙中的任一路径p₂与路径p₁具有完全不同的节点，则这两条路径可以分配同一时隙，即给路径p₂也分配时隙t，同时将路径p₂加入L(t)，T_a(p₂)+1。

(4-4)每分配一个时隙，时隙序号t＝t+1，然后对所有路径按照各路径目前分配的时隙数T_a从小到大重新排序，对时隙t进行分配。若所有路径均分配到至少一个时隙，则结束时隙分配，否则返回步骤(4-2)，继续分配时隙；

(4-5)将所有分配好的时隙记为T＝{t₁，t₂，…，t_t}，t≤k，按这种方法分配保证了分配到的时隙数最少，即最小。

步骤五：寻找额外路径来提高吞吐率。

确定总的路径吞吐率，g为路径集合L(p)中的路径总数，f代表其中的一条路径，c_ij(f)表示路径f中每一条路径的路径容量。令一条路径的瓶颈路径容量为min{c_ij(f)}，时隙t_k的持续时间为d(t_k)。路径吞吐率为所有路径的瓶颈路径容量之和与已分配时隙的总时间之比，即总的路径吞吐率：

所述最小，因此可以得到最大化的吞吐率。

如果在步骤四中分配的时隙数t满足t<k，则在步骤三中删除的不必要路径中查找额外路径。若存在路径满足在时隙m∈(t,k]内有f_ij,tm＝0，即在未分配的时隙内，存在不必要路径处于空闲状态，则将该不必要路径作为额外路径；反之，则不存在额外路径。

所述分配的时隙数t＝k，则同样不存在额外路径。

将上述找到的额外路径记为l(g+1)，用δ表示额外路径l(g+1)所分配时隙的持续时间。若该额外路径满足加上该路径后整体路由吞吐率比原来有增加，即：

表明在已给出路径流量的情况下，只有增加一条额外路径l(g+1)可以使得整体路由吞吐率比原本路由吞吐率更大时，才能增加额外路径。

在无线Mesh网络中，若存在一条从发端到收端的路径满足使得路径吞吐率提高，则可以添加该路径达到吞吐率最大化。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (1)

1.一种实现无线Mesh网络最大吞吐率方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立无线Mesh网络拓扑结构：

(1-1)建立全向无线传播的无线Mesh网络，并用无向无环简单图G＝(R,L)表示，R是节点的集合，L是节点间路径的集合，网络中所有节点均为静态且不移动；R_i表示Mesh网络中的节点，R_i∈R；l_ij表示节点R_i到节点R_j(1≤i,j≤|R|,i≠j)间的传输路径，l_ij∈L；c_ij表示l_ij的路径容量，即该路径单位时间内所能传输的信息量，也称为传输速率，单位为bit/s(bps)；

(1-2)建立时隙集合T，所述无线Mesh网络中，有k个时隙，用t₁,t₂,…,t_k表示，组成时隙集合{t₁，t₂，…，t_k}；表示节点R_j在时隙t_k内接收到的来自节点R_i的信息，的单位为bits；

在无线Mesh网络中，假设只有发端节点R_s可创建数据包，且发端节点总有数据包可传输，不考虑收端节点收到重复的数据包，同时假设节点使用MAC协议实现数据传输，则无线Mesh网络传输标准为IEEE制定的802.11a/b/g，从而实现多速率传输；

步骤二：确保无线Mesh网络的无碰撞传输：

R_i为无线Mesh网络中的一个节点，N(R_i)表示R_i的相邻节点集合；

无线Mesh网络中节点在一次干扰下无碰撞传输，网络中任一节点R_m向其相邻节点R_n传输时，不再接收任何其他相邻节点R_j传输的信息，网络中节点在一次干扰下无碰撞传输的约束条件为：

且

其中R_j∈N(R_m)，j≠n，表示如果R_m传输信息至其相邻节点R_n，R_m不能接收任何来自其他相邻节点R_j传输的信息；

确保无线Mesh网络中节点在二次干扰下无碰撞传输，网络中任一节点R_n在接收其相邻节点R_m的传输时，R_n的其他相邻节点R_i不能同时传输信息，并且确保在R_n在接收R_m的传输时不能同时传输信息至R_n的其他相邻节点R_i(i≠m)；

网络中节点在二次干扰下无碰撞传输的约束条件为：

表示当R_n在接收R_m的传输时，那么R_n的相邻节点，除R_m外，不能同时传输信息至R_n；表示当R_n在接收R_m的传输时，R_n不能同时传输信息至其相邻节点；

步骤三：确定路由路径：

从选择一条路径开始搜索，能够到达接收端节点就采用该路径，不能到达接收端节点就返回上一节点重新选择其相邻节点尝试搜索，直至找到发端到收端的路径；

无线Mesh网络的发端节点R_s，从R_s开始查询R_s的相邻节点，如果查找到其邻居节点是收端节点R_d；否则，选择R_s的相邻节点R_1x，查询R_1x的相邻节点，查找收端节点R_d；否则，选择R_1x的相邻节点R_2x，查询R_2x的相邻节点，查找收端节点R_d；直到查找到收端节点R_d，建立路径L_sd；

发端节点R_s到收端节点R_d存在多条路径，删除不必要的路径以减少计算成本，其中不必要的路径指存在某一时隙，使得在该条路径上有信息正在进行传输，若存在一条路径，该路径中两节点R_i和R_j，在某一时隙t_k，使得则称L_ij为不必要的路径；

删除所有不必要的路径，组成路径发端节点R_s到收端节点R_d的路由路径集合L(p)；

步骤四：基于空间复用的时隙分配：

以空间复用作为基础，给每条路径分配时隙，时隙集合{t₁，t₂，…，t_k}，按如下步骤进行：

(4-1)记路径p分配的时隙数为T_a(p)，L(t)为路径集合L(p)中时隙分配包含第t个时隙的路径集合，并初始化T_a(p)＝0，L(t)＝NULL，t＝1；

(4-2)所述路径中，任选一条分配时隙数最少的路径p₁，为其分配时隙t，即将路径p₁作为集合L(t)的元素，同时执行T_a(p1)+1；

(4-3)对于已经分配的任一时隙t，在L(p)-L(t)中，如果当前时隙中的任一路径p₂与路径p₁具有相同的节点，则这两条路径不能分配同一时隙；如果当前时隙中的任一路径p₂与路径p₁具有完全不同的节点，则这两条路径可以分配同一时隙，即给路径p₂也分配时隙t，同时将路径p₂加入L(t)，T_a(p₂)+1；

(4-4)每分配一个时隙，时隙序号t＝t+1，然后对所有路径按照各路径目前分配的时隙数T_a从小到大重新排序，对时隙t进行分配，若所有路径均分配到至少一个时隙，则结束时隙分配，否则返回步骤(4-2)，继续分配时隙；

(4-5)将所有分配好的时隙记为T＝{t₁，t₂，…，t_t}，t≤k，按这种方法分配保证了分配到的时隙数最少，即最小；

步骤五：寻找额外路径来提高吞吐率：

g为路径集合L(p)中的路径总数，f代表其中的一条路径，c_ij(f)表示路径f中每一条路径的路径容量，一条路径的瓶颈路径容量为min{c_ij(f)}，时隙t_k的持续时间为d(t_k)；

路径吞吐率为所有路径的瓶颈路径容量之和与已分配时隙的总时间之比，即总的路径吞吐率：

所述最小，可以得到最大化的吞吐率；

若步骤四中分配的时隙数t满足t<k，则在步骤三中删除的不必要路径中查找额外路径；若存在路径满足在时隙m∈(t,k]内有f_ij,tm＝0，即在未分配的时隙内，存在不必要路径处于空闲状态，则将该不必要路径作为额外路径；反之，则不存在额外路径；所述分配的时隙数t＝k，则同样不存在额外路径；

将上述找到的额外路径记为l(g+1)，用δ表示额外路径l(g+1)所分配时隙的持续时间，若该额外路径满足加上该路径后整体路由吞吐率比原来有增加，即：

则在已给出路径流量的情况下，只有增加一条额外路径l(g+1)可以使得整体路由吞吐率比原本路由吞吐率更大时，才能增加额外路径；

在无线Mesh网络中，若存在一条从发端到收端的路径满足使得路径吞吐率提高，则可以添加该路径达到吞吐率最大化。