CN107959977B - 基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法 - Google Patents

基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，该方法通过改进无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构，在改进的帧结构基础上调度时隙资源，利用着色理论提高时隙资源的复用率。本发明的优点是：重新设计帧结构，根据Node ID调度时隙资源保证了节点发送业务数据的最低需求，而在此基础上提出的基于着色理论的时隙资源分配方案进一步满足了节点发送大量业务的需求以及提高了整个网络的时隙利用率，在一定程度上缓解了网络拥塞。

Description

基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于着色理论的无线网格Mesh网络资源调度方法。本发明可用于无线Mesh网络资源调度，提高时隙资源利用率。
背景技术
无线Mesh网络从Ad hoc网络分化而来，并且融合部分无线局域网技术，逐渐成为一种广受关注的无线接入网络，它具有快速部署、自组织、易维护的特点。无线Mesh网络和ad hoc网络相比具有较弱移动性，特别是路由器节点，一般是固定不动的。在承载的业务类型上两者有着明显的区别，无线Mesh网络的业务主要是接入外网的业务，而ad hoc网络主要是节点之间的业务。由于无线Mesh网络的上述优点，其已被认为是解决“最后一公里”无线接入的关键技术。基于IEEE 802.16d标准的无线Mesh网络MAC层资源调度设计方案，在一定程度上解决了无线宽带资源的共享问题，其中MAC层的调度机制分为两类不同的形式：集中式调度机制和分布式调度机制，该标准中无论是集中式调度机制还是分布式调度机制都没有提出具体的调度算法，更没有提出对时隙资源的复用的算法，所以当节点数目增多或者业务量多的情况下就会出现拥塞、时延、丢包率增加的情况，网络性能会急剧下降。
北京交通大学在其申请的专利文件“一种集中式时隙调度方法和系统”(公开号102158966B，申请号201110046697.2，申请日2011-02-25)中公开了一种集中式时隙调度方法，该方法首先构建MBS调度树，并通过发送MSH-CSCF消息沿调度树广播调度树信息；MSS通过向MBS发送MSH-CSCH请求消息请求发送数据的时隙；MBS依据接收的MSH-CSCH请求消息对各个MSS进行时隙授权和时隙分配，并通过发送MSH-CSCH授权消息将时隙分配结果通知调度树中的各个MSS；MSS根据接收到的MSH-CSCF消息和MSH-CSCH授权消息获取发送数据的时隙。该方法存在的不足之处是，集中式调度因为其过于依赖网格Mesh网络基站BS节点，在基站出现故障时，整个网络就会陷入瘫痪状态。
重庆邮电大学在其申请的专利文件文献“支持多跳资源预留的IEEE802.16Mesh网络资源预留方法”(公开号101808371A，申请号201010136379.0，申请日2010-03-30)中公开了一种基于IEEE802.16的Mesh网络的协同分布式调度资源预留方法。该方法首先在Mesh网络路径上的各节点在接收到上游节点的数据时隙请求消息后，在回复授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本次业务预留数据时隙。该方法存在的不足之处是，没有提出对时隙资源的复用，不能高效利用时隙资源，大业务量下容易导致网络拥塞。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，该调度方法不仅能够保证节点发送业务的需求，也提高了时隙资源的复用率，在一定程度上解决了网络拥塞问题。
本发明实现上述目的的具体思路是，通过对无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh网络的帧结构进行改进，在改进的帧结构的基础上提出根据节点Node ID对时隙资源的调度，应用着色理论提高时隙资源的复用率。
本发明实现上述目的的具体步骤如下：
(1)优化无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构：
去掉无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构中控制子帧部分的调度子帧部分，得到一个超帧中包括一个网络控制子帧和至少一个数据子帧的帧结构；
(2)根据节点编号Node ID调度时隙资源：
(2a)每个节点分配一个网络配置NCFG时隙，该网络配置NCFG时隙编号与该节点的节点编号Node ID值相同；
(2b)当分配好网络配置NCFG时隙的节点的网络配置NCFG时隙到来时，发送自己的网络配置消息；
(2c)为每个发送完自己的网络配置消息的节点分配一个用户设备UE时隙，该用户设备UE时隙编号与该节点的节点编号Node ID值相同；
(2d)当分配好用户设备UE时隙的节点的用户设备UE时隙到来时，发送自己的用户数据，得到配置完成节点；
(3)分配虚拟编号Virtual ID：
对配置完成节点分配虚拟编号Virtual ID；
(4)应用着色理论调度用户设备UE时隙资源：
(4a)按照虚拟编号Virtual ID值从小到大的顺序，将虚拟编号Virtual ID对应的节点，按照用户设备UE时隙编号从小到大，应用着色理论，在对节点进行用户设备UE时隙分配的过程中，对已经分配给该节点的邻近干扰域中节点的用户设备UE时隙不进行分配，继续分配下一个用户设备UE时隙，直到满足节点下一帧待发送的业务量所需要的用户设备UE时隙数目时为止，得到时隙分配完成节点；
(4b)将每个时隙分配完成节点的用户设备UE时隙配置给该节点通信链路。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明通过优化无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构，根据Node ID调度时隙资源，克服了现有技术中集中式调度因为其过于依赖网格Mesh网络基站BS节点，在基站BS节点出现故障时，整个网络就会陷入瘫痪状态的问题，使得本发明具有不依赖某个节点，保证各节点发送业务的基本需求，降低节点时延的优点。
第二，由于本发明应用着色理论调度时隙资源，克服了现有技术中没有提出对时隙资源的复用，不能高效利用时隙资源，大业务量下容易导致网络拥塞的问题，使得本发明具有提高时隙资源复用率，有更多的可用时隙来传输业务数据，大业务量下缓解网络拥塞程度的优点。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明中的帧结构图；
图3是本发明中的节点时隙需求图；
图4是本发明中的节点分配虚拟ID图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照图1，对本发明的实现步骤做进一步的详细描述如下。
步骤1，优化无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构。
本发明对无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构改进，是对其中时隙出现的频率和位置进行改动，并去掉调度控制子帧。
参照图2，本发明改动后的帧结构的一个超帧仅包括一个控制子帧Cm和k个数据子帧D，其中，控制子帧Cm由一个网络接入NENT时隙和M2个网络控制NCFG时隙构成，每个数据子帧D由N3个用户设备UE时隙构成。
步骤2，根据Node ID调度时隙资源。
Node ID是指，对控制子帧的所有网络配置NCFG时隙和数据子帧的所有用户设备UE时隙的全网唯一编号。每个节点分配一个网络配置NCFG时隙，该网络配置NCFG时隙编号与该节点的节点编号Node ID值相同。当分配好网络配置NCFG时隙的节点的网络配置NCFG时隙到来时，发送自己的网络配置消息。为每个发送完自己的网络配置消息的节点分配一个用户设备UE时隙，该用户设备UE时隙编号与该节点的节点编号Node ID值相同。当分配好用户设备UE时隙的节点的用户设备UE时隙到来时，发送自己的用户数据，得到配置完成节点。由于一个配置完成节点占用一个时隙，不会与别的配置完成节点发生冲突，降低了节点时延。
步骤3，分配虚拟编号Virtual ID。
配置完成节点分配虚拟编号Virtual ID是指按照下述三种情况进行虚拟编号Virtual ID分配：
第一种情况：对下一帧待发送的业务量不同的配置完成节点，按照配置完成节点的下一帧待发送的业务量从大到小，从小到大给每个节点分配虚拟编号Virtual ID；
第二种情况：对下一帧待发送的业务量相同并且距离初始节点的跳数不同的配置完成节点，按照距离初始节点的跳数从小到大，从小到大分配虚拟编号Virtual ID，其中，初始节点为节点编号Node ID值最小的节点；
第三种情况：对下一帧待发送的业务量相同并且距离初始节点的跳数相同的配置完成节点，按照配置完成节点编号Node ID值从小到大，从小到大分配虚拟编号VirtualID，其中，初始节点为节点编号Node ID值最小的节点。
参照图3，节点SS1、SS2、SS3、SS4、SS5、SS6、SS7、SS8、SS9、SS10、SS11下一帧待发送的业务分别需要3、2、1、2、1、2、1、1、2、1、1个用户设备UE时隙，其中各节点需求用户设备UE时隙数目用图中的对应节点向外发散的箭头数量表示，虚线连接的两个节点为一跳节点并且没有业务发送。
节点分配的Virtual ID为如图4所示，各节点按照Node ID从小到大，依次分配得到虚拟编号Virtual ID为，Virtual ID1、Virtual ID2、Virtual ID6、Virtual ID3、Virtual ID9、Virtual ID4、Virtual ID7、Virtual ID8、Virtual ID5、Virtual ID10、Virtual ID11。
步骤4，应用着色理论调度用户设备UE时隙资源。
着色理论是用来对图进行着色的一种算法，该算法可以保证共用一条边的图形区域被着上不同的颜色，考虑到无线网格Mesh网络中的用户设备UE时隙资源分配也可以抽象成对图进行着色，因此利用着色理论来调度用户设备UE时隙资源，即在无线网格Mesh网络中的节点调度用户设备UE时隙资源时，保证本节点与其邻近干扰域不使用同一用户设备UE时隙，其中一个节点的邻近干扰域是指该节点的一跳以及两跳范围内节点。该做法在用户设备UE时隙重复利用的情况下，避免了邻近干扰域内两个节点分配同一时隙产生干扰。
虚拟编号Virtual ID分配完成后，对节点按照虚拟编号Virtual ID从小到大的顺序进行用户设备UE时隙的分配。首先为虚拟编号Virtual ID1的节点分配用户设备UE时隙，根据它需要分配的时隙数目从第一个用户设备UE时隙开始分配，每次分配都从第一个用户设备UE时隙搜索来提高时隙资源复用率，直到分配数目达到要求即可，然后为虚拟编号Virtual ID2的节点分配资源，也是从第一个用户设备UE时隙分配开始，如果该用户设备UE时隙已经分配给它的邻近干扰域，则不分配，再看第二个用户设备UE时隙分配情况，以此类推逐个节点进行分配，直到所有节点得到所需的用户设备UE时隙数目为止。将每个时隙分配完成节点的用户设备UE时隙配置给该节点通信链路。
每个节点应用着色理论调度用户设备UE时隙资源具体流程如下：
根据Virtual ID从小到大为节点分配用户设备UE时隙的顺序为：SS1，SS2，SS4，SS6，SS9，SS3，SS7，SS8，SS5，SS10，SS11。首先为节点SS1分配3个用户设备UE时隙，除本身占用UE1时隙还需申请2个，从UE1时隙开始搜索分配，由于本身占用UE1时隙，所以从UE2时隙开始分配，由于其邻近干扰域有节点SS2，故不能占用，接下来分配UE3时隙，由于其邻近干扰域有节点3，故不能占用，接下来分配UE4时隙，符合条件，分配UE4时隙，然后分配UE5时隙，符合条件，所以节点SS1占用UE1、UE4、UE5时隙。结果如表1所示：
表1节点SS1用户设备UE时隙分配结果一览表
节点SS1分配得到UE1、UE4、UE5时隙，其余节点尚未分配用户设备UE时隙。
第二，为节点SS2分配2个用户设备UE时隙，除本身占用UE2时隙还需申请1个，节点SS1、SS3、SS4、SS6、SS7、SS8、SS9为其邻近干扰域节点，所以遍历时隙时发现UE1、UE3、UE4、UE5、UE6、UE7、UE8、UE9时隙已经分配给邻近干扰域节点，故搜索可知时隙UE10符合条件，故节点2分配得到时隙UE2、UE10，结果如表2所示：
表2节点SS2用户设备UE时隙分配结果一览表
节点SS1分配得到UE1、UE4、UE5时隙，节点SS2分配得到UE2、UE10时隙，其余节点尚未分配用户设备UE时隙。
第三，为节点SS4分配2个用户设备UE时隙，除本身占用UE4时隙外还需申请一个，节点SS2、SS3、SS5均位于其邻近干扰域，所以遍历时隙时发现UE1时隙可用，故将没有分配给邻近干扰域的UE1时隙分配给节点2，结果如表3所示：
表3节点SS4用户设备UE时隙分配结果一览表
节点SS1分配得到UE1、UE4、UE5时隙，节点SS2分配得到UE2、UE10时隙，节点SS4分配得到UE1、UE4时隙，其余节点尚未分配用户设备UE时隙。
第四，为节点SS6分配2个用户设备UE时隙，除本身占用UE6时隙外还需申请一个，节点SS1、SS2、SS3、SS7、SS8、SS9均位于其邻近干扰域，所以遍历时隙时发现UE1、UE2、UE3、UE4、UE5、UE7、UE8、UE9、UE10时隙已经分配给邻近干扰域节点，故将没有分配给邻近干扰域的UE11时隙分配给节点SS6，结果如表4所示：
表4节点SS6用户设备UE时隙分配结果一览表
节点SS1分配得到UE1、UE4、UE5时隙，节点SS2分配得到UE2、UE10时隙，节点SS4分配得到UE1、UE4时隙，节点SS6分配得到UE6、UE11时隙，其余节点尚未分配用户设备UE时隙。
依次分配下去直到为所有节点分配用户设备UE时隙完成，结果如表5所示：
表5所有节点用户设备UE时隙分配结果
节点SS1分配得到UE1、UE4、UE5时隙，节点SS2分配得到UE2、UE10时隙，节点SS4分配得到UE1、UE4时隙，节点SS6分配得到UE6、UE11时隙，节点SS9分配得到UE1、UE9时隙，节点SS3分配得到UE3时隙，节点SS5分配得到UE5时隙，节点SS7分配得到UE7时隙，节点SS8分配得到UE8时隙，节点SS10分配得到UE10时隙，节点SS11分配得到UE11时隙。

Claims (5)

1.一种基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)优化无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构：
去掉无线通信标准IEEE802.16的网格Mesh帧结构中控制子帧部分的调度子帧部分，得到一个超帧中包括一个网络控制子帧和至少一个数据子帧的帧结构；
(2)根据节点编号Node ID调度时隙资源：
(2a)每个节点分配一个网络配置NCFG时隙，该网络配置NCFG时隙编号与该节点的节点编号Node ID值相同；
(2b)当分配好网络配置NCFG时隙的节点的网络配置NCFG时隙到来时，发送自己的网络配置消息；
(2c)为每个发送完自己的网络配置消息的节点分配一个用户设备UE时隙，该用户设备UE时隙编号与该节点的节点编号Node ID值相同；
(2d)当分配好用户设备UE时隙的节点的用户设备UE时隙到来时，发送自己的用户数据，得到配置完成节点；
(3)分配虚拟编号Virtual ID：
按照下述三种情况，对配置完成节点分配虚拟编号Virtual ID：
第一种情况：对下一帧待发送的业务量不同的配置完成节点，按照配置完成节点的下一帧待发送的业务量从大到小，从小到大给每个节点分配虚拟编号Virtual ID；
第二种情况：对下一帧待发送的业务量相同并且距离初始节点的跳数不同的配置完成节点，按照距离初始节点的跳数从小到大，从小到大分配虚拟编号Virtual ID，其中，初始节点为节点编号Node ID值最小的节点；
第三种情况：对下一帧待发送的业务量相同并且距离初始节点的跳数相同的配置完成节点，按照配置完成节点编号Node ID值从小到大，从小到大分配虚拟编号Virtual ID，其中，初始节点为节点编号Node ID值最小的节点；
(4)应用着色理论调度用户设备UE时隙资源：
(4a)按照虚拟编号Virtual ID值从小到大的顺序，将虚拟编号Virtual ID对应的节点，按照用户设备UE时隙编号从小到大，应用着色理论，在对节点进行用户设备UE时隙分配的过程中，对已经分配给该节点的邻近干扰域中节点的用户设备UE时隙不进行分配，继续分配下一个用户设备UE时隙，直到满足节点下一帧待发送的业务量所需要的用户设备UE时隙数目时为止，得到时隙分配完成节点；
(4b)将每个时隙分配完成节点的用户设备UE时隙配置给该节点通信链路。
2.根据权利要求1所述的基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，其特征在于，步骤(1)中所述的网络控制子帧是由一个网络接入NENT时隙和至少一个网络控制NCFG时隙组成。
3.根据权利要求1所述的基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，其特征在于，步骤(1)中所述的数据子帧是由至少一个作为网格Mesh用户的数据载荷传输时隙的用户设备UE时隙组成。
4.根据权利要求1所述的基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的节点编号Node ID是指，对控制子帧的所有网络配置NCFG时隙和数据子帧的所有用户设备UE时隙的全网唯一编号。
5.根据权利要求1所述的基于着色理论的无线Mesh网络资源调度方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的邻近干扰域是指由每个节点的一跳及两跳邻节点组成的集合。
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