CN106998541A - 一种无线Mesh应急通信网络部署及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署及优化方法，包括：步骤100，放置最少数量的AP，使得每个终端节点能够连接到一个AP，并且满足降级的吞吐量通信需求；步骤200，继续添加AP，满足每个终端节点正常的通信量需求；步骤300，核查任何在第一个阶段放置的AP失效情况下的终端节点的最低通信量的带宽限制公式是否满足，然后在需要的情况下继续放置一些AP。该方法可有效提高WMN的网络连通率及性能，为山区灾害情况下的无线应急通信能力的提升提供了有效途径。

Description

一种无线Mesh应急通信网络部署及优化方法

技术领域

本发明涉及无线网络领域，具体为一种无线Mesh应急通信网络部署及优化方法。

背景技术

山区灾害情况下的无线Mesh网络(WMN，Wireless Mesh Network)应急通信由于受到复杂地形条件的限制而使网络连通状态不稳定，常常因信息不能及时传递，导致应急救援无法有效展开，最终对人民的生命财产安全造成较大威胁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线Mesh应急通信网络部署及优化方法，以解决上述背景技术中提出的山区灾害情况下的无线Mesh网络应急通信由于受到复杂地形条件的限制而使网络连通状态不稳定的问题。

针对山区灾害情况下WMN的部署和优化问题，首先要解决的是失效容忍的WMN网络部署方法。在一个无线网络中，给定一个无线终端节点的集合以及各自的通信量需求，那么失效容忍的网络部署方法的基本目标就是放置最少数量的访问点(AP，Access Point)，使得当有一个AP失效的情况下，受这个AP失效影响的无线终端节点能够从其它的AP得到可接受的服务。其中，考虑障碍物环境下WMN的网络环境并不可靠，因此定义基本的网络QoS对网络部署效果进行约束，分别是最小网关数、最小AP到网关平均跳数和最小负载均衡指数这三个网络部署的目标参数。围绕这三个目标参数，在AP和网关确定的情况下，需要考虑整个网络的无线终端节点接入问题，这涉及到WMN的拓扑结构构建方法，需要考虑的问题包括：a)以什么样的方式把接入节点逐个加入到拓扑树中；b)如何设置各个接入节点的传输功率，从而得到相应的数据传输率，进而得到该链路的活动时间；c)如何确定每个接入节点的通信量；d)如何构造拓扑来达到各个接入节点所构成的树之间的干扰负载平衡；e)如何在连接终止或信道冲突的情况下设置功率控制阀值和限制连 接跳数，以使节点更好的进行邻近节点发现和自动感知加入网络。

因此，在给出山区条件下QoS目标参数(最小网关数、最小平均跳数和最小负载均衡指数)的约束下，本发明给出了WMN网络部署方法和基于冲突负载均衡的WMN网络优化方法，以提升WMN整体网络性能和高性价比的连通效率。

网络部署要解决的问题是如何在目标区域里部署合适数量的AP来为无线终端节点来提供无线访问服务。尽管通过部署足够数量的AP能够满足网络数据率和失效容忍的需求，但是成本会非常高，所以如何部署尽可能少的AP来减少部署成本，同时满足WMN网络QoS和容错性的需求，是一个重要的研究方向。下面给出网络部署问题的数学形式化描述。

本发明中的WMN系统包括两种类型的节点，终端节点和接入节点(AP)。给定一个位置固定和通信量需求确定的移动终端节点集合以及一个用来放置AP的候选位置集合。一般的，每个终端节点只能够连接到一个AP。通过障碍物移动模型图可以抽象的用来表示用户节点和AP节点的连接。对于图中任何边，它表示终端节点连接到AP。这样，通过一个或多个连接的的边可以表示终端节点和它的AP之间的链路。

本发明考虑的QoS需求主要指每个终端节点的通信量需求。当系统中不存在AP故障的情况下，所有用户的通信量需求应该得到满足。一旦一个AP发生故障，由这个AP提供服务的用户应该切换到其它的AP，并且每个终端节点通信量的一定百分比应当得到满足。也就是说，在AP失效的情况下，对于终端节点，至少终端节点的最低通信量应当得到满足。在本发明中，终端节点通信量的百分比被称为AP失效情况下的吞吐量降级比率。

假设所有的终端节点和AP使用相同的通信信道，通信链路是双向的。每个AP能够调节它的传输功率来覆盖它服务的所有终端节点。每个终端节点能够选择相应的功率来保证AP和它之间的成功通信。终端节点和AP之间是否能够通信取决于它们的传输功率和二者之间的物理距离。

考虑最保守的情况，也就是说为了保证成功的传输，同一个干扰集合里的任何两个链路不能够同时通信。相互干扰的用户将会通过竞争方式来使用无线信道，从而共享信道带宽。对于连接用户u到一个AP的链路l_u来说，它和连接到这个AP的所有链路共享信道带宽。这样，用户的带宽限制可以被 表述为：

其中W为所有AP节点的集合，U为连接到W的所有用户的集合，u为连接到W的任一用户，l_u为用户u连接到W的链路，B(l_u)为链路l_u的带宽，C为所有AP节点集合W的总带宽。

在本发明中，考虑了对于AP故障的容忍。在所有的AP部署完毕之后，如果所有AP正常运作来提供服务的话，那么公式1中的带宽限制应当得到满足。但是，当系统中有一个APw_f失效时，由这个AP提供服务的所有用户应当切换到其它的AP进行无线访问。因为AP的失效，系统的性能将会有所下降。定义性能降级率为α，0≤α≤1，存在AP失效情况下的带宽限制可被描述为：

其中w_f为失效的AP节点，W-{w_f}为其余正常工作的AP节点，C_W为其余正常工作的AP节点的总带宽。

在一个区域中，给定一个用户的集合V和一个放置AP的候选地点的集合，任务是在这些候选点当中，找出最少数量的AP放置点来安放AP，同时调整AP和用户的传输功率，使得在所有AP正常运行的情况下，带宽限制公式1能够被实现，并且当有一个AP失效的情况下，带宽限制公式2能够得到满足。目标是最小化部署在这个区域内的AP的总数量，也就是：Min|W|。

从以上描述中，我们可形式化的定义出满足所有无干扰终端节点的最低通信量的带宽限制公式，由此可得出最小化部署在这个区域内的AP的总数量，这个数量必须能够保证即使有单个AP失效，带宽限制公式2也成立。

本发明提出了一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署的方法，包括：

步骤100，放置最少数量的AP，使得每个终端节点能够连接到一个AP，并且满足降级的吞吐量通信需求；

步骤200，继续添加AP使得对每个终端节点，满足其正常的通信量需求；在此之后，在当前部署的所有AP的基础上，所有用户正常的通信量需求都能够得到满足，并且任何在步骤200中放置的AP失效的情况下，系统仍然能够满足降级的通信量需求；

步骤300，核查任何在第一个阶段放置的AP失效情况下的终端节点的最 低通信量的带宽限制公式是否满足，如果满足，终止部署；如果不满足，继续放置一些AP直至最低通信量的带宽限制公式成立。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的技术方案能够在山区灾害条件下，保证山区应急通信无线Mesh网的通信质量，即使在有个别AP失效的情况下，依然能够满足所有用户降级的通信要求，从而能够方便在山区灾害条件下，应急救援工作的开展，较好的保护了人民的生命和财产安全。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种实施例：

一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署的方法，包括：

步骤100，放置最少数量的AP，使得每个终端节点能够连接到一个AP，并且满足降级的吞吐量通信需求；

步骤200，继续添加AP使得对每个终端节点，满足其正常的通信量需求；在此之后，在当前部署的所有AP的基础上，所有用户正常的通信量需求都能够得到满足，并且任何在步骤200中放置的AP失效的情况下，系统仍然能够满足降级的通信量需求；

步骤300，核查任何在第一个阶段放置的AP失效情况下的终端节点的最低通信量的带宽限制公式是否满足，如果满足，终止部署；如果不满足，继续放置一些AP直至最低通信量的带宽限制公式成立。

本发明提供的另外一种实施例：

一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署的方法，包括：

步骤100，放置最少数量的AP，使得每个终端节点能够连接到一个AP， 并且满足降级的吞吐量通信需求；

步骤100进一步包括：

步骤110，确定需要接入应急通信网络的用户集合U，部署完毕的AP集合W′，可被部署的AP集合APs以及每个AP能够覆盖用户的映射关系，部署完毕的AP集合初始化为空集；

步骤120，根据AP能够覆盖的用户数量，从可被部署的AP集合APs中选择最大功率模式下覆盖用户最多的AP部署到应急通信网络；

步骤130，将部署完毕的AP从集合APs中移除，将部署完毕的AP加入到集合W′中，将被覆盖的用户从集合U中移除；

步骤140，重复步骤120和步骤130，直至所有用户都被覆盖，即集合U变为空集，此时部署完毕的AP集合记为W1；

步骤150，所有用户重新连接到最近的AP；

步骤160，将每个AP的功率设置为能够满足连接到该AP的所有用户的需求的最低功率；

步骤170，继续添加AP到系统中直到对于所有的用户，带宽限制(公式2)得到满足；

在本发明中，一个链路的通信负载被定义为这个链路连接的用户能够被投递的实际带宽。一个链路的干扰负载为这个链路的干扰集合里的所有链路的通信负载之和。首先，系统干扰负载定义如下：

定义1：系统干扰负载被定义为系统中所有链路中的最大干扰负载。

由于信道带宽是确定的，每个节点(用户节点)的带宽和系统干扰负载成反比。

应急通信网络的带宽满足如下定理1。

定理1：如果添加一个AP节点到系统中，那么每个用户的带宽将会增加。

证明：

在添加一个AP，比如说w，到系统中之后，离APw比它原来的AP更近的这些用户将会切换到这个新加入的AP来进行Internet访问。因此，这些用户将会使用较小的传输功率。相应地，它们原来的AP将会调低它们的传输功率。在做了这些调整之后，系统干扰负载被降低了。因为用户节点的带宽和系统干扰负载成反比，这样就进一步增加了每个用户节点的带宽。

证毕。

步骤170的具体方法为：设置每个用户的通信量需求为αλ_u，基于上面的理论，每次添加一个AP来使得系统干扰负载最小化。重复这种操作直到带宽限制(公式2)被满足。

特别的，步骤170进一步包括：

步骤171，获取步骤140得到的部署完毕的AP集合W1，获取步骤140后可被部署的AP集合APs；

步骤172，将所有用户的带宽设置为αB(l_u)；

步骤173，如果有用户的带宽没有得到满足，那么可被部署的AP集合APs中选择能够满足用户的带宽并且引起系统干扰负载最小的AP；

步骤174，将步骤173选中的AP加入部署完毕的AP集合W1并从APs中移除，

步骤175，最后得到的部署完毕的AP集合即为满足要求的集合，记为W2。

步骤200，继续添加AP使得对每个终端节点，满足其正常的通信量需求；在此之后，在当前部署的所有AP的基础上，所有用户正常的通信量需求都能够得到满足，并且任何在步骤200中放置的AP失效的情况下，系统仍然能够满足降级的通信量需求；

为实现步骤200的要求，需要调用步骤170的方法，并且将性能降级率α 设置为1即可；

步骤300，核查任何在第一个阶段放置的AP失效情况下的终端节点的最低通信量的带宽限制公式是否满足，如果满足，终止部署；如果不满足，继续放置一些AP直至最低通信量的带宽限制公式成立。

因为在步骤100找到集合W1之后，已经能够确保每个用户至少连接到一个AP，并且它的吞吐量至少为αB(l_u)，如果任何在步骤200中部署的AP∈W2失效了，系统不仅能保证受影响的用户能够连接到其它的AP，并且仍然能够确保每个用户u的降级通信量需求αB(l_u)。因此，仅仅需要考虑在步骤100中部署的AP失效的情况。当一个AP失效时，由这个AP提供服务的所有用户应当切换到其它的AP。因此，需要重新配置这些用户和剩余的AP。

步骤300进一步包括：

步骤310，将步骤100中部署的AP集合W1按照用户数量进行降序排列；

步骤320，获取所有与集合W1相连接的用户集合U1；

步骤330，如果U1中的所有用户能够连接到集合W2，那么终止部署；如果U1中的用户不能连接到集合W2，那么记这些用户集合为U2；

步骤340，选择可被部署的AP集合APs中选择能够覆盖U2中最多用户的AP，将之部署到应急通信网络并从集合APs中移除；

步骤350，重复步骤340，直至U2中所有用户都被覆盖；

步骤360，调用步骤170方法，使得所有用户满足公式2的限制条件。

使用这种方法来部署应急通信网络的好处在于：每个阶段都能部署最少数量的AP，因此最终的AP放置布局将会达到满足失效容忍和部署成本最小化的目标。

上表给出了当部署不同数量的AP节点时，在满足节点最低通信要求的情况下，应急网络允许失效的AP最大数量，从表中数据可以看出，本发明的应急通信网络部署方法与随机部署方法相比，数量较多，而且随着网络节点数量的增加，可容忍失效的节点比例增加，因此，本发明的应急网络部署方法取得了意想不到的效果，与现有技术相比具有显著的进步。

在应急网络的部署及优化工作中，拓扑控制是非常重要的一个方面，好的拓扑控制方法能够优化网络性能，减少网络冲突，提升网络效率。

拓扑控制主要关注点在于：通信节点间低干扰，接入节点负载均衡，节点间通信高吞吐量，尽量减少连接跳数。这里总结起来，关注最小网关数、最小平均跳数、最小负载均衡指数这三个优化目标。

构建有向树间冲突通信量负载均衡拓扑控制算法，此方法包括两个步骤。第一步，基于冲突负载均衡方法，以一种贪心的方式来构建网络路由树。第二步，通过调整系统中节点的通信投递率来最大化网络吞吐量。

1)数学模型与问题描述

将网关节点作为有向树拓扑结构的根节点，V用来表示系统中的路由节点集合，W用来表示系统中的网关节点的集合。假定通信链路是双向的，并且所有的通信量都是到达/来自Internet。同时考虑上下行通信量。一个节点v，v∈V，的上行通信量用来表示，相应地，下行通信量为节点v的总通信量λ_v，可表示为：

α_v用来表示节点v的通信投递率，这里0≤α_v≤1。也就是说，对于节点v，由于系统带宽有限，在终端用户的通信量中，仅仅只有α_vλ_v能够确保投递到 Internet。在本发明中关注的QoS为最小的通信投递率要求，表述为α₀。也就是说，对于每个节点v，希望能够保证至少α₀λ_v的终端用户通信量能够成功的传送到Internet中。假设所有的节点都使用相同的信道。目标是构造一个逻辑拓扑，允许每个节点能够通过网关路由它们的终端用户的通信量到Internet，同时设置每个节点的传输功率，使得每个节点的最小通信投递率要求得到满足，同时系统吞吐量最大化。因为从一个节点到网关，仅仅考虑单路径路由，所有节点到网关的路径构成一个森林，森林里的每棵树都以一个网关节点为根。终端用户的通信量在树节点合并，这些树节点朝着网关方向向它们的父节点传递数据。T_v用来表示根节点为v的子树。L_v用来表示连接子树T_v和它的父节点的双向链路。从节点v到其父节点的上行链路，以及从父节点到它的下行链路分别用和来表示。

对于一个节点v_i，相应的上行链路和下行链路的通信量负载分别表示为L^up(v_i)和L^dn(v_i)。这样可以得到，

和

链路的速率取决于发送节点的传输功率和链路两端点间的物理距离。Pv_i用来表示节点v_i的传输功率，D(l)用来表示链路l两个端点之间的距离。那么上行链路的数据率可以用如下函数来表示：

相应地，下行链路的数据率为

这里v′_i是v_i的父节点。需要注意的是，对于同一个链路来说，由于两个端点的传输功率不同，它的上行速率可能不同于下行速率。节点的干扰范围由它的发送功率决定。如果节点v_i从v_j接收到的信号超过阈值，也就是说，

那就认为节点v_i被v_j干扰。在这里，A(v_j,v_i)是从v_j到v_i的信号衰减比率。两个节点的距离在其干扰范围的时候，两个节点之间就相互干扰。因为本发明考虑的通信链路是双向的，当且仅当链路l₁的一个节点和链路l₂的一个节点相互干扰，链路l₁和链路l₂相互干扰。对于一个双向链路它的冲突集合被定义为或者干扰它，或者被它干扰的链路的集合，同时包含它本身。用来表示这个冲突集合，也就是

在无线通信系统中，因为信号干扰，两个相互干扰的链路不能够同时活动。考虑最保守的情况，也就是，为了能够确保成功的传输，在同一个冲突集合中，不允许两个链路同时传输数据。这样可以得出如下限制：在单位时间中，同一个冲突集合中的所有链路的活动时间之和不能够超过1。给定链路 的上行负载L^up(v_i)和下行负载L^dn(v_i)，每个单位时间内链路的传输时间可以被表示为：

用来表示冲突集合里所有链路的活动时间之和，即

一条链路的活动时间代表了这条链路应当发送的通信量负载。这样， 可以用来表示冲突集合里所有链路的通信负载之和。被称之为链路冲突负载(linkcollision load)。因为同一个冲突集合里的两条链路不能同时传输数据，对于V中的一个节点v_i来说，它的冲突集合的活动时间之和不能超过1，也就是，

此外，系统也应当满足通信投递率的限制，也就是说，对于每个节点v_i，它的实际投递率必须大于或等于阈值α⁰。

发明的目标是最大化系统总的吞吐量。它由系统所有节点通过网关节点实际传输的通信总量来衡量。即，

通过上面的分析，应急通信网络拓扑控制所研究的问题可以描述如下：给定一个节点的集合V，它们的位置和通信量需求已知，同时给定一个网关的集合W，研究的任务是从V中构建一个路由树的集合，这些树都以网关为根，同时设置每个节点的传输功率，设定它们的通信投递率，使得不等式(公式12)中的带宽约束和不等式(公式13)中的通信投递率约束同时得到满足，发明的目标是使得系统总的吞吐量最大化。

本发明提供的一种实施例，一种山区灾害无线Mesh应急通信网络拓扑控制方法，包括：

步骤S100，获取给定的网关节点集合W，每个路由节点的通信投递率设置成阈值α⁰，以W中的每个网关节点为根，建立多棵路由树；

步骤S200，在所有的路由树中，选中冲突负载最小的路由树作为候选树；

需要说明的是，在这里，定义路由树的冲突负载为路由树中所有链路的最大冲突负载。

步骤S300，通过比较所有从候选树延伸出来的链路(一个点在当前树中，另外一个点还没添加进拓扑中)，选择冲突负载最小的那条链路添加进候选树中；

步骤S400，重复步骤S200和S300，直至应急通信网络中所有节点都被加入到候选树中；

步骤S500，根据节点位置，调整候选树中节点的通信投递率，完成基于冲突负载均衡的路由树的构造。

进一步的，步骤S300中从候选树延伸出来的链路是指，在候选树中的节点和不属于路由树森林的节点，在各自的传输功率之内进行通信所形成的链路；

进一步的，步骤S300中判断冲突负载最小的链路的方法为：

定义传输功率p_v的自由节点v连接到传输功率为p_u的候选树节点u所形成的链路的冲突负载为：

进一步的，步骤S500中，调整候选树中节点通信投递率的方法包括：

步骤S510，根据路由树中第i个节点v_i到根节点的跳数，对链路l_vi做升序排列；

步骤S520，获取链路的冲突链路集合，记为LS；

步骤S530，对LS中的每条冲突链路，根据公式(10)(11)(12)计算 的通信投递率，并且取最小值作为的通信投递率，记为α_v；

步骤S540，检验α_v是否满足的冲突集合的活动时间之和不能超过1的要求；

步骤S550，如果α_v满足公式(12)，那么α_v为该节点调整后的通信投递率；

步骤S560，如果α_v不满足公式(12)，那么将α_v调整为半值，即

步骤S570，如果α_v≤α₀，那么α_v＝α₀，结束调整；如果α_v＞α₀，那么转入步骤S540。

节点数量	10	20	30	40	50	60	80	100
									洪泛路由	0.05	0.11	0.35	0.57	0.69	0.89	0.93	0.95
本发明方法	0.03	0.08	0.13	0.27	0.23	0.43	0.51	0.49
									洪泛路由	0.93	0.88	0.83	0.87	0.73	0.78	0.75	0.56
本发明方法	0.95	0.91	0.93	0.92	0.87	0.89	0.75	0.79

在网络节点数量不同的情况下，采用洪泛路由方法和使用本发明方法为构造网络路由树以及调整节点通信投递率，上表给出了结果。表中第一行是网络节点数量，第二行和第三行分别给出了洪泛路由方法和使用本发明方法的情况下网络中最大冲突负载值，第四行和第五行分别给出了洪泛路由方法和使用本发明方法的情况下网络中平均节点投递率。由上表可以看出，与洪泛路由方法相比，本发明方法构造的基于冲突负载均衡的路由树在最大冲突负载上较低，经过本发明方法调整后的网络平均投递成功率较高，由此可见，本发明方法效果优于洪泛路由方法，产生了意想不到的效果，较现有技术有显著的进步。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署的方法，其特征在于，包括：

步骤100，放置最少数量的AP，使得每个终端节点能够连接到一个AP，并且满足降级的吞吐量通信需求；

步骤200，继续添加AP使得对每个终端节点，满足其正常的通信量需求；在此之后，在当前部署的所有AP的基础上，所有用户正常的通信量需求都能够得到满足，并且任何在步骤200中放置的AP失效的情况下，系统仍然能够满足降级的通信量需求；

步骤300，核查任何在第一个阶段放置的AP失效情况下的终端节点的最低通信量的带宽限制公式是否满足，如果满足，终止部署；如果不满足，继续放置一些AP直至最低通信量的带宽限制公式成立。

2.根据权利要求1所述的一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署的方法，其特征在于：

步骤100进一步包括：

步骤110，确定需要接入应急通信网络的用户集合U，部署完毕的AP集合W′，可被部署的AP集合APs以及每个AP能够覆盖用户的映射关系，部署完毕的AP集合初始化为空集；

步骤120，根据AP能够覆盖的用户数量，从可被部署的AP集合APs中选择最大功率模式下覆盖用户最多的AP部署到应急通信网络；

步骤130，将部署完毕的AP从集合APs中移除，将部署完毕的AP加入到集合W′中，将被覆盖的用户从集合U中移除；

步骤140，重复步骤120和步骤130，直至所有用户都被覆盖，即集合U变为空集，此时部署完毕的AP集合记为W1；

步骤150，所有用户重新连接到最近的AP；

步骤160，将每个AP的功率设置为能够满足连接到该AP的所有用户的需求的最低功率；

步骤170，继续添加AP到系统中直到对于所有的用户，带宽限制得到满足；带宽限制为：

$\∀w_f\∈W,FORW-\left\{w_f\right\}:\∀u\∈U,\mathrm{\Σ}\mathrm{\α}B\left(l_u\right)\≤C_w;$

其中w_f为失效的AP节点，W-{w_f}为其余正常工作的AP节点，C_W为其余正常工作的AP节点的总带宽。

3.根据权利要求2所述的一种山区灾害无线Mesh应急通信网络部署的方法，其特征在于：

步骤170进一步包括：

步骤171，获取步骤140得到的部署完毕的AP集合W1，获取步骤140后可被部署的AP集合APs；

步骤172，将所有用户的带宽设置为αB(l_u)；

步骤173，如果有用户的带宽没有得到满足，那么在可被部署的AP集合APs中选择能够满足用户的带宽并且引起系统干扰负载最小的AP；

步骤174，将步骤173选中的AP加入部署完毕的AP集合W1并从APs中移除，

步骤175，最后得到的部署完毕的AP集合即为满足要求的集合，记为W2。