CN108599898B - 无线多跳网络中基于网络编码的背压调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线多跳网络中基于网络编码的背压调度方法，包括：构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵；将编码机会概率矩阵作为邻接矩阵构建网络编码图，并将基于网络编码的背压调度问题转化为最大权重团问题；搜索网络编码图中权重和最大的团W_max并对团W_max中的顶点流进行编码。本方法将流间网络编码与背压调度相结合，以最大化编码后选择最大权重团为目标，与传统的不考虑网络编码的背压调度算法相比，自然释放更多背压，提高了网络吞吐量；通过限定选择最大顶点权重次数n来限制搜索到的最大权重团个数；同时限制在每次找到最大权重顶点之后，再寻找包含此顶点的最大权重团的最大团大小m，从而进一步较低计算复杂度。

Description

无线多跳网络中基于网络编码的背压调度方法

技术领域

本发明涉及无线多跳网络中节点的调度方法，尤其涉及基于网络编码的背压调度方法，属于网络编码技术领域和无线通信资源调度技术领域。

背景技术

背压算法用在无线多跳网络资源分配和路由调度中，是众所周知的跨层调度算法。他由Tassiulas和Ephremides在"IEEE Trans.Auto.Control,vol.37,no.12,Dec.1992,pp.1936–48"上所发表的论文“Stability Properties of Constrained QueueingSystems and Scheduling Policies for Maximum Throughput in Multihop RadioNetworks”中提出，已经证明是吞吐量最优的。由背压调度算法获得的调度策略能达到任意其它资源分配策略所支持的到达速率，背压算法已经被用在拥塞控制和有效的路由协议中。

然而在广泛应用之前，有很多问题急需解决，例如如何有效降低端到端时延、如何有效降低队列复杂度、如何取得有效的跨层设计、如何提高网络的吞吐量等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于网络编码的背压调度方法，能够使得每次调度释放更多的背压，提高了网络的吞吐量，减小延时。

为解决上述技术问题，本发明提供无线多跳网络中基于网络编码的背压调度方法，其特征是，具体包括：

(1)构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵；

(2)将步骤(1)确定的编码机会概率矩阵作为邻接矩阵构建网络编码图，并将基于网络编码的背压调度问题转化为最大权重团问题；

(3)搜索网络编码图中权重和最大的团W_max并对团W_max中的顶点流进行编码。

进一步地，构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵时考虑有干扰模式和无干扰模式。

更进一步地，在无干扰模式下，流之间满足编码条件就可以编码；在有干扰模式下，满足编码条件的流能否编码由编码机会概率决定。

再进一步地，构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵的具体步骤为：

S1：在无干扰模式下，满足编码条件的流之间的编码机会概率为1；

S2：在有干扰模式下，满足编码条件的流之间的编码机会概率是区间(0,1)上的随机小数；

S3：设置编码门限值δ，大于等于此门限时可编码，其编码机会概率设置为1，否则不可编码，其编码机会概率置0；根据确定的流之间的编码机会概率确定编码机会概率矩阵P。进一步地，步骤S3将有干扰和无干扰模式用编码机会概率矩阵统一起来，构建网络编码图并将基于网络编码的背压调度问题转化为最大权重团问题具体包括：

用无向图G(V,E)表示网络编码图，其中顶点集V＝{v_i|i＝1,2,…,k}表示流f_i(i＝1,2,…,k)，边集E＝{e_ij|i,j＝1,2,…,k}表示流之间的编码关系；顶点权重W＝{w_i|i∈1,2,…,k}表示每个流到下一跳的背压，边权重P＝{p_ij|i,j∈V}表示流之间编码机会概率。假设存在一个候选团C，用x_j∈(0,1)表示顶点v_j的状态，当υ_j∈C时x_j＝1，否则x_j＝0；G的一个补图用

表示，即有

且

基于网络编码的背压调度问题可用如下表达式建模：

s.t.x_i∈{0,1},i＝1,…,k (3)

此模型即为一个最大权重团问题，其中约束(2)确保每两个顶点是相邻的。

进一步地，步骤(3)具体包括：

S31：选择顶点权重最大的顶点v_i；

S32：搜索包含v_i的最大权重的团并记录第j次搜索得到的最大团权重和

以及其对应的流

S33：删除权重最大的顶点v_i及与之相连的边；

S34：在剩余图中重复步骤S31-S33操作n次；

S35:找到n次搜索的最大团中权重和最大的，表达式如下：

S36：选择W_max这个团对应的顶点流进行编码。

更进一步地，搜索包含υ_i的最大权重的团时设定选择最大顶点权重次数n和包含最大权重顶点的最大权重团的最大团大小m。

本发明所达到的有益效果：本方法将流间网络编码与背压调度相结合，以最大化编码后选择最大权重团为目标，与传统的不考虑网络编码的背压调度算法相比，自然释放更多背压，提高了网络吞吐量，减小了端到端时延；通过限定选择最大顶点权重次数n来限制搜索到的最大权重团个数；同时限制在每次找到最大权重顶点之后，再寻找包含此顶点的最大权重团的最大团大小m，从而进一步较低计算复杂度。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明方法实施例所适用的无线多跳网络某中间节点的模型图；

图3为本发明方法具体实施例的过程示意图；

图4为本发明方法具体实施方式中仿真实验的结果图；

图5为本发明方法具体实施例的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

无线多跳网络包括至少一对信源节点-接收节点和至少一个中间节点，该无线多跳网络中某中间节点每次调度时，考虑当前时刻队列缓冲状态及网络编码条件，选择网络编码后背压最大的流进行调度。

图1示出了本发明方法的流程示意图，图1示出了

(1)构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵；

分别考虑无干扰和有干扰模式，在无干扰模式下，流之间满足编码条件就可以编码；在有干扰模式下，满足编码条件的流能否编码由编码概率决定。用编码概率矩阵表示流之间的编码关系，无干扰模式可以看作是有干扰模式编码概率全为1的一个特例。

在无干扰模式下，流之间满足编码条件即可在下游节点译码成功，所以满足编码条件的流之间的编码概率为1；在有干扰模式下，流之间满足编码条件不一定能在下游节点成功解码，故此模式下满足编码条件的流之间的编码概率是区间(0,1)上的随机小数，设置编码门限δ，大于等于此门限时可编码，其编码概率设置为1，否则不可编码，其编码概率置0。此时编码概率矩阵P就是一个主对角线为0，其他元素为0或1的对称阵。

将无干扰模式和有干扰模式统一起来，引入网络编码图，将每个流视为一个顶点，每个流的背压看作是顶点的权重，两个流可编码在一起则两个顶点之间有相连的边。网络编码概率矩阵即为网络编码图中的邻接矩阵。选择最优的调度问题即转化为搜索最大权重团问题。

图2为本发明方法实施例所适用的无线多跳网络某中间节点的模型图；在图2中在无线多跳网络中，来自不同上游节点的流f_i(i＝1,2,…,k)在某中间节点N汇聚，已知这k个非空流队列到其下一跳的背压w_i(i＝1,2,…,k)和流之间的编码关系P

图3为本发明方法具体实施例的过程示意图；在图3中通过设置编码门限δ＝0.6，将小于0.6的边删除，大于等于0.6的边设为1，编码概率矩阵P₁变成矩阵P₂

(2)将步骤(1)确定的编码机会概率矩阵作为邻接矩阵构建网络编码图，并将基于网络编码的背压调度问题转化为最大权重团问题；假设某一中间节点t时刻保持着来自不同上游节点的流f_i(i＝1,2,…,k)，并且已知这k个非空流队列到其下一跳的背压w_i(i＝1,2,…,k)，根据拓扑结构可知流之间的编码关系为P，在多跳范围内可译码。用无向图G(V,E)表示网络编码图，其中顶点集V＝{v_i|i＝1,2,…,k}表示流f_i(i＝1,2,…,k)，边集E＝{e_ij|i,j＝1,2,…,k}表示流之间的编码关系，顶点权重W＝{w_i|i∈1,2,…,k}表示每个流到下一跳的背压，边权重P＝{p_ij|i,j∈V}表示流之间编码机会概率。假设存在一个候选团C，用x_j∈(0,1)表示顶点v_j的状态，当v_j∈C时x_j＝1，否则x_j＝0；G的一个补图用

表示，即有

且

基于网络编码的背压调度问题可用如下表达式建模：

s.t.x_i∈{0,1},i＝1,…,k (3)

此模型即为一个最大权重团问题，其中约束(2)确保每两个顶点是相邻的。判断是否找到最大权重团依据是，能否在已有团的补集中再找到一个顶点，加入此顶点后团的权重和增加。若无这样的顶点了，即现有的团已经达到最大。此模型的目标是最大化团的权重，即使得调度时能释放更多的背压。

从简化计算复杂度，且尽可能释放更多背压的角度设计最大权重团的算法，具体方法如下：

1)选择顶点权重最大的顶点v_i；

2)找到包含v_i的最大权重的团(最大团搜索截止到m)并记录第j次搜索得到的最大团权重和

以及其对应的流

3)删除权重最大的顶点v_i及与之相连的边；

4)在剩余图中重复步骤1)-3)操作n次；

5)找到n次搜索的最大团中权重和最大的

6)选择W_max这个团对应的顶点流进行编码；

图5为本发明方法具体实施例的算法流程图，在图5中示出了实现本发明方法的具体步骤。

本方法相较于传统的寻找最大权重团算法复杂度底，计算时延小。通过限定选择最大顶点权重次数n来限制搜索到的最大权重团个数；同时限制在每次找到最大权重顶点之后，再寻找包含此顶点的最大权重团的最大团大小m，从而进一步较低计算复杂度。

如图2所示，背压调度转化为最大权重团问题后，顶点V＝{1,2,3,4,5}，背压W＝{6,3,2,4,9}，流之间的编码关系为矩阵P₂。第一次选择最大顶点权重9，其对应顶点5，检查P₂的第5列全为0，表示没有与5编码的流，则第一次搜索最大团

flow¹＝{5}，将节点5对应权重9设置为0；第二次选择最大顶点权重是5，其对应顶点是1，由P₂的第1列知顶点1与3,4有边相连，检查发现3和4之间没有连接边，所以

flow²＝{1,4}，将节点1对应权重以及P₂对应的第4行4列设置为0；假设n＝2,此时重复找了2个最大权重团后不再继续搜索，此时比较

选择flow²＝{1,4}方案。

我们可以利用仿真实验分别得到采用本发明方法与传统不考虑网络编码的调度方法平均背压释放比。平均背压释放比定义为平均释放背压/总背压。所采用的仿真实验具体为：某节点N的流个数k在(2:20)区间取值，每个流的背压权重W是在[W_min,W_max]＝[1,9]之间随机产生的k个正整数。每个流之间编码概率考虑在(0,1)之间均匀分布。经过多次仿真后设置合适的n值和m值，分别为3和5，多次实验求得平均的背压释放比，最终得到的结果如附图4所示。从该图可以看出，随着节点N中流数目的增加，本发明提出的基于网络编码的背压调度NCBP要比传统的No-coding BP释放更多的背压。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.无线多跳网络中基于网络编码的背压调度方法，其特征是，具体包括：

(1)构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵；

(2)将步骤(1)确定的编码机会概率矩阵作为邻接矩阵构建网络编码图，并将基于网络编码的背压调度问题转化为最大权重团问题；

(3)搜索网络编码图中权重和最大的团W_max并对团W_max中的顶点流进行编码；

步骤(2)具体包括：用无向图G(V，E)表示网络编码图，其中顶点集V＝{v_i|i＝1，2，...，k}表示流f_i(i＝1，2，...，k)，边集E＝{e_ij|i，j＝1，2，...，k}表示流之间的编码关系；顶点权重W＝{w_i|i∈1，2，...，k}表示每个流到下一跳的背压，边权重P＝{p_ij|i，j∈V}表示流之间编码机会概率；

用x_j∈(0，1)表示顶点v_j的状态，当v_j∈C时x_j＝1，否则x_j＝0，其中C为候选图；G的一个补图用

表示，即有

目

基于网络编码的背压调度问题可用如下表达式建模：

s.t.x_i∈{0，1}，i＝1，...，k (3)，

步骤(3)具体包括：

S31：选择顶点权重最大的顶点v_i；

S32：搜索包含v_i的最大权重的团并记录第j次搜索得到的最大团权重和

以及其对应的流

S33：删除权重最大的顶点v_i及与之相连的边；

S34：在剩余图中重复步骤S31-S33操作n次；

S35:找到n次搜索的最大团中权重和最大的，表达是如下：

S36：选择W_max这个团对应的顶点流进行编码。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的背压调度方法，其特征是，构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵时考虑有干扰模式和无干扰模式。

3.根据权利要求2所述的基于网络编码的背压调度方法，其特征是，在无干扰模式下，流之间满足编码条件就可以编码；在有干扰模式下，满足编码条件的流能否编码由编码机会概率决定。

4.根据权利要求3所述的基于网络编码的背压调度方法，其特征是，构建表示流之间编码关系的编码机会概率矩阵的具体步骤为：

S1：在无干扰模式下，满足编码条件的流之间的编码机会概率为1；

S2：在有干扰模式下，满足编码条件的流之间的编码机会概率是区间(0,1)上的随机小数；

S3：设置编码门限值δ，大于等于此门限时可编码，其编码机会概率设置为1，否则不可编码，其编码机会概率置0；根据确定的流之间的编码机会概率确定编码机会概率矩阵P。

5.根据权利要求1所述的基于网络编码的背压调度方法，其特征是，搜索包含v_i的最大权重的团时设定选择最大顶点权重次数n。

6.根据权利要求1所述的基于网络编码的背压调度方法，其特征是，搜索包含v_i的最大权重的团时设定包含最大权重顶点的最大权重团的最大团大小m。

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