CN109842889B - 一种无线多跳网络中测量节点可用带宽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线多跳网络中基于马尔科夫模型的节点可用带宽测量方法，该发明针对现有测量方法准确性不足或者需要额外资源消耗的缺陷，提出一种基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法。该方法为节点的工作状态建立马尔科夫链模型，节点的工作状态分为三类：“空闲”、“发送”和“干扰”；节点在某个时刻工作在一个状态，在下一时刻可以跳转到其它的工作状态，节点的状态符合时间马尔科夫性质；通过统计的方法获得或者计算出包括状态跳转概率、节点处于某个状态的概率等模型参数；最后，计算出节点的准确可用带宽。

Description

一种无线多跳网络中测量节点可用带宽的方法

技术领域

本发明涉及无线多跳网络领域，具体涉及一种无线多跳网络中测量节点可用带宽的方法，更具体的涉及了基于马尔科夫链模型，对无线多跳网络中的节点可用带宽进行准确测量的方法。

背景技术

随着互联网技术的普及和发展，网络应用也越来越多。其中，包括语音和视频等多媒体应用正在越来越受到网民的欢迎。另一方面，通过无线方式连接互联网正在成为普遍流行的方式。

网络多媒体应用需要网络提供很高的服务质量(QualityofService，QoS)支持。因此在网络中传输多媒体应用需要网络预留带宽等资源，然而计算网络中的可用带宽资源一直是网络技术研究中的一个难点问题，特别是在无线多跳网络这种拓扑动态性较高的网络环境中。

目前在无线多跳网络中计算节点的可用带宽大概有两类方法：主动测量和被动测量。主动测量的方法需要节点发送一些探测帧，用于探测网络中的带宽情况，从而计算出网络中还能容忍的新注入的流量情况；被动测量不需要向网络中发送探测帧，而是通过监测的方式，用统计的方法计算网络的带宽情况。

然而无论是主动测量或者被动测量都存在一定的问题。主动测量出的可用带宽一般相对于被动测量较准确，但是主动测量需要发送一些探测帧，而探测帧本身会消耗一些网络带宽资源；被动测量不用发送探测帧，因此它没有额外的带宽消耗，然而被动测量通过统计的方法计算的可用带宽可能会存在不准确的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，为无线多跳网络提出一种基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，所述的可用带宽测量方法包括以下步骤：

S1、将无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模，过程如下：无线多跳网络中节点的状态分为“空闲”、“发送”和“干扰”，其中，“空闲”记为状态“0”，“发送”记为状态“1”，“干扰”记为状态“2”；

将节点j在时刻t，处于状态“0”、“1”和“2”的概率分别记为：α_t(j,0)、α_t(j,1)和α_t(j,2)＝1-α_t(j,0)-α_t(j,1)；

将节点j从状态“k”转移到状态“1”的概率记为p_j,k，其中，k＝0，1或者2；

将节点j在邻居节点“空闲”的状态下发送或者转发数据包的概率记为q_j，在邻居节点“空闲”的状态下不发送或者转发数据包的概率记为q′_j＝1-q_j；

S2、基于马尔科夫链模型中，采用以下公式计算节点j的可用带宽AB(j)为：

AB(j)＝α_t(j,0)*DR_j， (1)

其中，DR_j为节点j的发送速率。

进一步地，在无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模中，节点处于“空闲”状态，表示节点本身以及它的邻居节点都没有在发送数据包；节点处于“发送”状态，表示节点在发送数据包，而此时它的邻居节点都没有发送数据包；节点处于“干扰”状态，表示节点的邻居节点此时正在发送数据包。

进一步地，所述的节点j在时刻t处于状态“2”、“1”和“0”的概率分别为：

α_t(j,1)＝[1-α_t(j,2)]q_j， (3)

α_t(j,0)＝1-α_t(j,1)-α_t(j,2), (4)

其中，n_i,j为一个矩阵N的第i行第j列元素，该矩阵表示无线多跳网络中节点间的邻居关系，当n_i,j为1时，表示节点i和j是邻居节点，当n_i,j为0时，表示节点i和j是非邻居节点，该矩阵N的所有主对角元素都设为0。

进一步地，在无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模中，假设节点在不同的时刻，状态可以跳转，节点j在某一个时刻的状态为“k”，则它在下一个时刻的状态跳转到状态“1”的概率为p_j,k，其中，k＝0，1或者2。

进一步地，在无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模中，某一个时刻无线多跳网络中的节点可以发送数据包，也可以不发送数据包；节点j在它的邻居节点处于“空闲”的状态下发送或者转发数据包的概率为q_j，在邻居节点“空闲”的状态下不发送或者转发数据包的概率为q′_j＝1-q_j。

进一步地，所述的无线多跳网络中节点的可用带宽为在当前时间节点保证自己能正常转发数据包流量的前提下，能够容忍的其它节点的转发数据包流量大小。

进一步地，所述的节点j的发送速率由以下公式计算：

DR_j＝L/T_data (5)

其中，L是节点发送的数据包载荷长度，T_data是发送一个数据包所用的时间长度。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明为无线多跳网络中的节点建立了一种基于马尔科夫链的模型，能准确测量节点的可用带宽。

(2)本发明提出的测量可用带宽方法，不需要发送额外的探测帧，不会消耗网络中额外的资源。

附图说明

图1是本发明无线多跳网络中节点邻居关系示意图；

图2是本发明节点马尔科夫链模型工作状态跳转示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例

如图1所示无线多跳网络中邻居关系示意图，左边虚线圆圈为节点j的传输距离，右边虚线圆圈为节点i的传输距离。节点i和g是节点j的邻居节点，而节点j为节点i的邻居节点。

本发明中节点的工作状态有三种可能：“空闲”(状态“0”)、“发送”(状态“1”)和“干扰”(状态“2”)。节点处于“空闲”状态，则表示节点本身以及它的邻居节点都没有在发送数据包；节点处于“发送”状态，则表示节点在发送数据包，而此时它的邻居节点都没有发送数据包；节点处于“干扰”状态，则表示节点的邻居节点此时正在发送数据包。以节点j为例说明节点的这三种工作状态。若节点j处于“空闲”状态，则表示节点i、j和g都没有在发送数据包；若节点j处于“发送”状态，则表示节点j在发送数据包，而节点i和g未在发送数据包；若节点j处于“干扰”状态，则表示节点i和g中有一个或者两个同时在发送数据包。

节点在某一时刻以某个概率处于以上三种状态之一。比如节点j在时刻t处于状态“0”、“1”和“2”的概率分别为：α_t(j,0)、α_t(j,1)和α_t(j,2)＝1-α_t(j,0)-α_t(j,1)。该概率值可由以下公式计算：

α_t(j,1)＝[1-α_t(j,2)]q_j， (3)

α_t(j,0)＝1-α_t(j,1)-α_t(j,2), (4)

公式(2)中n_i,j为一个矩阵N的第i行第j列元素，该矩阵表示无线多跳网络中节点间的邻居关系。当n_i,j为1时，表示节点i和j是邻居节点；n_i,j为0时，表示节点i和j是非邻居节点；特殊地，该矩阵的所有主对角元素都设为0。

公式(2)中参数p_j,k，其中，k＝0，1或者2，表示节点从状态“k”跳转到状态“1”的概率。本发明中节点的工作状态可以随着时间发生跳转。如图2所示为节点j工作状态跳转示意图。其中，P_j,0、P_j,1和P_j,2分别为节点j从状态“0”、“1”和“2”跳转到状态“1”的概率。

公式(3)中参数q_j，表示节点j在它的邻居节点处于“空闲”的状态下发送或者转发数据包的概率。

以上模型参数可以通过统计的方法获得。设发送一个数据包所需的最短时间是Δ。以Δ为单位时间。所以，时刻t＝1,2,…,实际上代表的时间是Δ,2Δ,...。模型参数p_j,k是节点j从状态“k”转移到状态“1”(发送状态)的概率，其中k＝0,1,2。所以，如果节点j处于状态“k”的时间总长度是T_j,k，则从状态“k”转移到状态“0”、“1”或者“2”的总次数为T_j,k/Δ。当k＝0,2时，如果其中转移到发送数据报的状态总共有f_j,k次，则

由于从“发送”状态转移到其它状态的次数等于从其它状态转移到状态“1”的次数，即f_j,0+f_j,2，所以，从“发送”状态到“发送”状态的转移概率可以用下式确定：

如果统计得到节点j处于空闲的总时间是T_j,0、发送数据包的总时间是T_j,1，则发送数据报的概率

在统计得到这些模型参数之后，可以用公式(2)、(3)和(4)分布式计算得到α_t(j,0)。

本发明中基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，节点j的可用带宽AB(j)可用下式计算：

AB(j)＝α_t(j,0)*DR_j， (1)

其中，DR_j为节点j的发送速率。节点j的发送速率可由以下公式计算：

DR_j＝L/T_data， (5)

其中，L是节点发送的数据包载荷长度，T_data是发送一个数据包所用的时间长度。例如，在基于IEEE802.11协议的无线多跳网络中发送一个数据包的时间长度可用下式计算：

T_data＝T_difs+T_rts+T_cts+(L+H)/R+T_phy+T_ack+3T_sifs+T_{ave_backoff}， (9)

其中R是IEEE802.11协议物理层数据发送速率，H数据包的头部长度，T_rts,T_cts,和T_ack分别表示发送IEEE802.11协议中控制帧RTS,CTS和ACK的时间长度.T_sifs和T_difs表示帧间间隔SIFS和DIFS.T_phy表示数据包物理层头部的发送时间.T_{ave_backoff}表示平均的退避时间。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，其特征在于，所述的可用带宽测量方法包括以下步骤：

S1、将无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模，过程如下：无线多跳网络中节点的状态分为“空闲”、“发送”和“干扰”，其中，“空闲”记为状态“0”，“发送”记为状态“1”，“干扰”记为状态“2”；

将节点j在时刻t，处于状态“0”、“1”和“2”的概率分别记为：α_t(j,0)、α_t(j,1)和α_t(j,2)＝1-α_t(j,0)-α_t(j,1)；

将节点j从状态“k”转移到状态“1”的概率记为p_j,k，其中，k＝0，1或者2；

将节点j在邻居节点“空闲”的状态下发送或者转发数据包的概率记为q_j，在邻居节点“空闲”的状态下不发送或者转发数据包的概率记为q′_j＝1-q_j；

S2、基于马尔科夫链模型中，采用以下公式计算节点j的可用带宽AB(j)为：

AB(j)＝α_t(j,0)*DR_j， (1)

其中，DR_j为节点j的发送速率；所述的节点j在时刻t处于状态“2”、“1”和“0”的概率分别为：

α_t(j,1)＝[1-α_t(j,2)]q_j， (3)

α_t(j,0)＝1-α_t(j,1)-α_t(j,2), (4)

其中，n_i,j为一个矩阵N的第i行第j列元素，该矩阵表示无线多跳网络中节点间的邻居关系，当n_i,j为1时，表示节点i和j是邻居节点，当n_i,j为0时，表示节点i和j是非邻居节点，该矩阵N的所有主对角元素都设为0。

2.根据权利要求1所述的一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，其特征在于，在无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模中，节点处于“空闲”状态，表示节点本身以及它的邻居节点都没有在发送数据包；节点处于“发送”状态，表示节点在发送数据包，而此时它的邻居节点都没有发送数据包；节点处于“干扰”状态，表示节点的邻居节点此时正在发送数据包。

3.根据权利要求1所述的一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，其特征在于，在无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模中，假设节点在不同的时刻，状态可以跳转，节点j在某一个时刻的状态为“k”，则它在下一个时刻的状态跳转到状态“1”的概率为p_j,k，其中，k＝0，1或者2。

4.根据权利要求1所述的一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，其特征在于，在无线多跳网络中节点间的工作状态用马尔科夫链进行建模中，某一个时刻无线多跳网络中的节点可以发送数据包，也可以不发送数据包；节点j在它的邻居节点处于“空闲”的状态下发送或者转发数据包的概率为q_j，在邻居节点“空闲”的状态下不发送或者转发数据包的概率为q′_j＝1-q_j。

5.根据权利要求1所述的一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，其特征在于，所述的无线多跳网络中节点的可用带宽为在当前时间节点保证自己能正常转发数据包流量的前提下，能够容忍的其它节点的转发数据包流量大小。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种无线多跳网络下基于马尔科夫链模型的节点可用带宽测量方法，其特征在于，所述的节点j的发送速率由以下公式计算：

DR_j＝L/T_data (5)

其中，L是节点发送的数据包载荷长度，T_data是发送一个数据包所用的时间长度。

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