CN106912057A

CN106912057A - 基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法

Info

Publication number: CN106912057A
Application number: CN201710258230.1A
Authority: CN
Inventors: 张海林; 赵永磊; 卢小峰; 李凯; 杨二周; 韩丛端; 许源
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2017-06-30

Abstract

本发明提出了一种基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法，用于解决现有基于博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法中节点资源分配公平性差的问题，实现步骤为：设置无线Mesh网络中的任意节点i的权重因子为w_i,r(c)，发送接口P_send和接收接口P_receive，其中，c是任意节点i的信道，r是博弈次数；计算网络中任意节点i的相邻两跳节点的数目；判断任意节点i是否为首次分配；对任意节点i的权重因子进行优化；利用优化后的权重因子w_i,r'(c)，计算任意节点i分配信道c的概率P_c(i)；利用概率P_c(i)，把任意节点i的接收接口切换到信道c上。本发明的资源分配公平，网络吞吐量高且传输时延低。

Description

基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种无线Mesh网络信道分配方法，具体涉及一种基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法，可用于无线Mesh网络，保证网络中各个节点资源分配的公平性。

背景技术

在无线局域网中，网络中的客户端需要通过一条和AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这样的网络结构叫做单跳网络。在无线局域网中的另一种网络—无线Mesh网络，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以和网络中的一个或多个进行直接通信，这样的访问方式叫做多跳，无线Mesh网络就是一种多跳网络。无线Mesh网络中的信道分配又是研究中的重要内容。

博弈论可以看作是分析和预测利益相互矛盾的个体之间的行为的一种数学工具，即研究当多个参与者之间存在利害关系的情况下，各参与者应该如何解析各方面的局势，权衡轻重，以及采取怎样的措施来获得对自己最有利的结果。而无线Mesh网络部署速度快，网络稳定，具有多跳和自组织等特点，可以将每个Mesh节点看作是一个自主的个体，即博弈者。无线Mesh网络的信道分配方式按照无线Mesh网络中控制由一个中心或者各个节点信道分配的方式可以分为分布式和集中式信道分配方法。而基于博弈论的信道分配算法是集中式信道分配方法的一种，例如申请公布号为CN105898871A、名称为“一种多跳多频点无线Mesh网的资源分配方法”的专利申请中，提出了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。这种信道分配算法可以提高网络的吞吐量，增强网络的性能，但是在考虑网络中的每个节点的资源需求时，不能够进行公平性分配，不能够满足各个节点的资源需求；论文为“一种基于博弈论的无线Mesh网信道分配方法”中，提出一种基于博弈论的信道分配(GBCA)算法，该算法将无线Mesh网络中各节点信道分配过程看作一个博弈过程，信道分配策略作为节点的选择策略，信噪比作为博弈的效用函数，该算法可以提升网络的吞吐量，但是在考虑节点资源分配时，不能够是每个节点的资源按需分配，信道分配的公平性比较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法，用于解决现有基于博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法中节点资源分配公平性差的技术问题。

本发明的技术思路是，将博弈论融合在无线Mesh网的信道分配问题中，根据计算出来的权重因子对信道资源分配进行优化，使得网络中节点的资源分配能够做到按需分配，达到一种节点资源分配公平性的目的。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案，包括如下步骤：

(1)设置无线Mesh网络中的任意节点i的权重因子为w_i,r(c)，发送接口为P_send和接收接口为P_receive，其中，c是任意节点i的信道，r是博弈次数；

(2)计算无线Mesh网络中任意节点i的相邻两跳节点的数目；

(2a)网络中每一个节点向其相邻节点发送Hello信号，并将相邻节点反馈的信号存储在该节点的链表中；

(2b)统计网络中任意节点i相邻节点的链表集合，并从该链表集合中将与任意节点i的链表中重复的节点去除，得到新的链表集合；

(2c)计算新的链表集合中的节点个数，得到任意节点i的相邻两跳节点的数目；

(3)判断任意节点i是否为首次分配：任意节点i的任一相邻节点向该任意节点i广播一个信号，根据任意节点i是否做出回应判断该任意节点i是否为首次分配，若是，令任意节点i的权重因子w_i,r(c)＝1，并计算概率P_c(i)＝w_i,r(c)，执行步骤(6)，否则，执行步骤(4)；

(4)对权重因子w_i,r'(c)进行优化：

(4a)判断任意节点i的信道c是否被非通信节点占用：任意节点i向其相邻节点发送Hello信号，若任意节点i未收到相邻节点的回应，则信道c被非通信节点占用，执行步骤(4b)，否则，计算任意节点i的概率P_c(i)＝w_i,r(c)，并执行步骤(6)；

(4b)计算任意节点i上的带宽损耗B_c(i)：

其中，T_c,o(i)是信道c相邻可造成干扰信道被占用时对信道c的干扰的时间，T_c,f(i)是信道c相邻可造成干扰信道未被占用空闲时的时间；

(4c)利用任意节点i上的带宽损耗B_c(i)，计算损耗指数因子σ_c(i,S_-i)：

其中，N_i为任意节点i在其干扰范围内的节点的个数，f_i指的是任意节点i在它的干扰范围内其他节点的干扰集合，S_-i表示的意思是说除了任意节点i之外所有其他节点的一个选择策略；

(4d)利用任意节点i上的损耗指数因子σ_c(i,S_-i)，更新权限w_i,r'(c)，任意节点i前一轮的博弈权重w_i,r'(c)和后一轮的博弈权重w_i,r+1'(c)的关系：

其中，σ_c(i,S_-i)指的是损耗指数因子，ε为权重优化因子(ε∈[0,1])，ε主要指权重改变大小的程度；

(4e)重复执行步骤(4a)～步骤(4d)，进行优化重复博弈，得到优化后的权重因子w_i,r'(c)；

(5)利用优化后的权重因子w_i,r'(c)，计算任意节点i分配信道c的概率P_c(i)，

其中，N为博弈的总次数；

(6)根据任意节点i分配信道c的概率P_c(i)，将任意节点i的接收接口P_receive切换到信道c上，实现无线Mesh网络的信道分配。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明根据任意节点i的概率P_i(c)将任意节点i切换到信道c上实现无线Mesh网络的信道分配，在计算概率P_i(c)时，得到权重因子w_i,r(c)和重复博弈后优化的权重因子w_i,r'(c)，在优化w_i,r'(c)的过程中，使得概率P_i(c)和权重w_i,r'(c)成对应关系，根据信道分配的公平性表达式，避免了现有基于博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法中因权重因子固定不变导致的资源分配公平性差的缺陷，进而增加了网络的吞吐量和降低了网络的传输时延。

附图说明

图1是本发明的的实现流程图；

图2是本发明和现有技术的的信道分配公平性仿真对比图；

图3是本发明和现有技术的网络吞吐量随节点数目变化的仿真对比图；

图4是本发明和现有技术的网络传输时延随结点数变化的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1，设置无线Mesh网络中的任意节点i的权重因子为w_i,r(c)，发送接口为P_send和接收接口为P_receive，其中，c是任意节点i的信道，r是博弈次数；

步骤2，计算无线Mesh网络中任意节点i的相邻两跳节点的数目；

(2a)网络中每一个节点向其相邻节点发送Hello信号，并将相邻节点反馈的信号存储在该节点的链表中，存储的过程是一个单链表插入的过程，使用单链表在进行插入和删除的时候操比较简单，时间复杂度较低；

(2b)统计网络中任意节点i相邻节点的链表集合，并从该链表集合中将与任意节点i的链表中重复的节点去除，得到新的链表集合，去除重复节点的过程是一个单链表删除的过程；

(2c)计算新的链表集合中的节点个数，得到任意节点i的相邻两跳节点的数目，计算链表集合中的个数就是统计各个链表中元素后相加的过程；

步骤3，判断任意节点i是否为首次分配：任意节点i的任一相邻节点向该任意节点i广播一个信号，根据任意节点i是否做出回应判断该任意节点i是否为首次分配，若是，令任意节点i的权重因子w_i,r(c)＝1，并计算概率P_c(i)＝w_i,r(c)，执行步骤6，否则，执行步骤4；

步骤4，对权重因子w_i,r'(c)进行优化：

(4a)判断任意节点i的信道c是否被非通信节点占用：任意节点i向其相邻节点发送Hello信号，若任意节点i未收到相邻节点的回应，则信道c被非通信节点占用，执行步骤(4b)，否则，计算任意节点i的概率P_c(i)＝w_i,r(c)，并执行步骤6；

(4b)计算任意节点i上的带宽损耗B_c(i)：

其中，T_c,o(i)是信道c相邻可造成干扰信道被占用时对信道c的干扰的时间，T_c,f(i)是信道c相邻可造成干扰信道未被占用空闲时的时间，在网络中的各个信道进行资源分配以前，网络中的各个节点都处在一种感应信道的状态，每个节点之间的信道状态只有两种，占用和未被占用，在感应的时候，每个节点都会去监视信道的状态，查看该信道是否被占用了；

其中，N_i为任意节点i在其干扰范围内的节点的个数，f_i指的是任意节点i在它的干扰范围内其他节点的干扰集合，S_-i表示的意思是说除了任意节点i之外所有其他节点的一个选择策略，从协议模型中可以知道，网络中一个节点的干扰距离大约在节点的两跳之间，也就是说这个距离是相邻节点的两跳距离左右。N_i里面的节点的接收接口P_receive连到信道c的数目为R_i(c)，所以，

R_i(c)＝f_i

这样占用在信道c上节点i的干扰节点的密度是d_i(c)：

利用上面两个式子,计算得到带宽损耗σ_c(i,S_-i)：

步骤5，利用优化后的权重因子w_i,r'(c)，计算任意节点i分配信道c的概率P_c(i)，

其中，N为博弈的总次数，无线Mesh网中信道分配的本质就是各个WMN节点为了得到更多的网络资源而要和其他的节点来互相竞争，网络中的节点能够得到资源的概率和节点的权重因子是一种相互关联的关系。表示网络中信道分配的公平性表达式：

由于上式可以变换为：

步骤6，根据任意节点i分配信道c的概率P_c(i)，将任意节点i的接收接口P_receive切换到信道c上，实现无线Mesh网络的信道分配。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行详细说明。

1.仿真条件和内容。

仿真条件：采用Matlab软件平台；无线Mesh网络的拓扑范围为1000m×1000m的场景，网络中的任意节点i的发送接口P_send和接收接口P_receive，网络中使用的节点数为25，信道的个数是12，网络中节点的传输距离为100m，传输带宽为5Mb/s。

仿真内容：对本发明和现有的基于博弈论的无线Mesh网信道分配方法的信道分配公平性、网络吞吐量随节点数目变化和网络传输时延随节点数变化进行对比仿真，其结果如图2、图3和图4所示。

2.仿真结果分析。

参照图2，横坐标表示的是网络中节点的数目，纵坐标表示的是节点资源分配的公平性指标；从图中可以看出，在节点数增大的过程中，本发明的信道分配公平性指标比现有技术要好一些，本发明的信道分配方法充分考虑了各个节点的资源需求，按需分配，具有较好的公平性。

参照图3，横坐标表示的是网络中节点的数目，纵坐标表示的是网络的吞吐量；从图中可以看出，随着网络中节点数目的增加，网络中的吞吐量也变得越来越大，本发明的网络吞吐量明显比现有技术的要好，这是因为本发明考虑到Mesh网络中不同节点的资源需求，进而增大了网络的吞吐量。

参照图4，横坐标表示的是网络中节点的数目，纵坐标表示的是网络的传输延时；从图中可以看出，随着网络中节点数目的增加，节点的传输负载也会变大，从而网络中的传输时延就会变的越来越大，本发明在图中5个节点之前网络的传输时延和现有技术没有很大的差异，在5个节点以后本发明的传输时延明显低于现有技术的传输时延。本发明充分考虑了节点资源分配的公平性指标，使节点的资源能够按需分配，进而降低了网络的传输时延。

Claims

1.一种基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法，其特征在于包括如下步骤：

(2)计算无线Mesh网络中任意节点i的相邻两跳节点的数目；

(4)对权重因子w_i,r'(c)进行优化：

(4b)计算任意节点i上的带宽损耗B_c(i)：

B_{c} (i) = \frac{T_{c, o} (i)}{T_{c, o} (i) + T_{c, f} (i)}

σ_{c} (i, S_{- i}) = \frac{\frac{f_{i}}{N_{i}} + B_{c} (i)}{2}

{w_{i, r + 1}}^{'} (c) = {w_{i, r}}^{'} (c) ϵ^{σ_{c} (i, S_{- i})}

P_{c} (i) = \frac{{w_{i, r}}^{'} (c)}{N}

其中，N为博弈的总次数；

2.根据权利要求1所述的一种基于优化博弈算法的无线Mesh网络信道分配方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的链表，采用单链表。