CN110856231B - 一种基于多跳网络的多数据流传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多跳网络的多数据流并发传输方法，该方法包括以下步骤：首先，基于无线自组织网络拓扑建立多个源节点与多个目的节点之间的初始路由；接着，以时隙为单位，从各初始路径的当前传输链路中，筛选出一个最大的可行链路集合，筛选过程考虑了干扰消除的影响；最后，对选出的可行链路集合进行功率分配，剩余链路则等待下一时隙的挑选；迭代此过程直到所有目的节点收到各自的数据流包。本方法通过利用干扰消除，以实时调度多流并发传输的方式来减少数据流的端到端传输时延。

Description

一种基于多跳网络的多数据流传输方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，涉及多跳网络中多个数据流的并发传输方法，用于减少数据传输的端到端时延。

背景技术

1)无线多跳网络

所谓的无线多跳网络，就是指无线ad hoc网络或无线传感器网络中的节点自组织成为一个多跳网络。在该网络中，节点能够相互通信，但由于单个节点的能量与发送功率有限，距离较远的两个节点需要借助其他节点完成数据多跳转发，从而构成一种无中心的无线自组织多跳网络。通常，无线多跳网络中的每个节点均兼备路由器与主机两种功能。

在传统的无线多跳网络中，源节点与目的节点之间的路由路径通常是一条固定的点到点链式路径。在寻找路径的过程中将传输的无线跳数作为路径选择的关键路径度量指标，通过传统的路由发现过程，就可以找到从源节点到目的节点之间的最小传输跳数，实现端到端的最短传输时延。

2)多数据流通信

大多数传统的多跳网络都可能出现多个数据流同时存在的通信需求。由于针对单个数据流所建立的路由是一条固定的点到点链式路径，想要在源节点到目的节点之间找到最小跳数的传输路径，需要每一跳传输的距离尽可能远。于是，对于路径中的每一个发送节点而言，需要使用较大的信号发射功率来满足接收节点处的接收信噪比阈值，以保证链路的成功传输。当网络中多个数据流同时存在时，考虑到无线介质中数据传输的广播特性，多个数据流的同时传输将会对彼此数据信号的成功接收产生很大的干扰。接收节点想要成功接收数据，就需要提升发送功率来克服干扰影响，使信号干扰噪声比大于阈值。然而，单个节点的最大发送功率通常是有限的，同时，单个节点发送功率的提高等效于给其他数据的接收加大了干扰。因此，提升发送功率并不是克服干扰最高效的方法。

现有的多数据流通信在干扰的处理上普遍分为两类，一类是在建立路由的过程中考虑干扰的因素，通过充分利用空间资源，设计路由方法来避免多个数据流在同一区域同时传输。但是由于这一类方法想要充分利用空间资源来避免较强的干扰，因此端到端传输时延普遍较长。另一类方法通过设计高效的调度算法来减小干扰的影响。通过在数据流较为集中的区域将数据流在传输时刻上错开，从而避免数据流间的强干扰。

3)干扰消除技术

干扰消除技术的核心思想是通过将较强的干扰当作数据信号进行译码，再对译出的干扰信号进行重构，并将其从接收信号中减掉，以此迭代，最终将目标信号译出，从而实现抗干扰的目的。图1描述了接收节点同时收到来自M个发送节点的合成信号时，对接收信号进行干扰消除的基本流程。可以看出，接收节点会根据合成信号中各信号的强度按序译码并删除，直到译出目标信号为止。

连续干扰消除与叠加编码是两种经典的上下行多用户技术，这两种技术都利用干扰消除来提高小区用户容量。连续干扰消除技术经常用于多个发送节点向同一个节点发送数据，而叠加编码技术常见于一个节点将多个数据合成为一个信号，向多个接收节点发送的场景中。

发明内容

从上述视角出发，本发明结合干扰消除的思想，提出了一种多跳网络中的多数据流传输方法，以减小数据传输的端到端时延。固定每个节点的最大发送功率，每个节点可以在最大功率范围内调节发送功率。同时，节点想要成功接收数据包，需要满足接收信噪比大于等于某一阈值。令网络中数据流的数量为F，源节点与目的节点集合分别为

和

图2描述了所提方法的基本多数据流传输的基本流程，如图2所示，流程具体描述如下：

(1)建立多条初始路径。每个源节点

向其邻居节点广播路由请求(RREQ)消息，RREQ消息包中包含广播的次数，指代当前节点距离源节点的无线跳数。邻居节点在收到该消息后将继续广播RREQ消息直到目的节点收到RREQ消息。目的节点根据收到的RREQ消息选择一个信道条件最优的邻居节点发送路由回复(RREP)消息，同样，收到RREP消息的节点继续选择无线跳数最小的邻居节点发送RREP消息，直到源节点收到RREP消息，从源到目的节点之间的路由建立；各源节点与目的节点同时开展路由的过程，F条初始路径

最终成功建立起来。

(2)确定当前传输时隙的候选链路集合，该集合由各路径中当前时隙的待传输链路组成。设t标识当前的时隙，

表示时隙t内的候选链路集合，表示时隙t+1内选择的最大可行链路集合

包含两部分，一部分是上一时隙t未能成功选入

的链路，即

另一部分是

中各元素链路的下一跳链路，例如

的下一跳链路为

第一时隙的候选链路集合为

所有候选链路同时进行数据传输，流间干扰可能使某一些链路上的数据流传输失败，因此，在考虑干扰消除的情况下，以最大化链路传输的数量为目标，从候选链路集合中选择当前时隙的最大可行链路集合。所挑选的可行链路集合是候选链路集合的一个子集即

如图3所示，具体步骤可以分为以下四步：

(2-1)各路径的待传输链路通过发送节点广播消息组成候选链路集合

(2-2)通过解析广播消息，各链路根据一定的排序标准(例如链路信道质量)计算链路优先级，并与优先级更高的链路一起组成临时链路集合，计算临时集合的可行性(注意：候选链路与临时链路集合一一对应)；

(2-2)如果候选链路确认临时集合可行，广播可行消息；

(2-4)通过解析可行性广播消息，确定最大的可行链路集合。如果链路

确认其临时集合可行，而且网络中没有更高优先级的链路广播可行消息，那么链路

对应的临时链路集合就是最大的可行链路集合。

(3)考虑干扰消除，对最大可行链路集合中的链路进行功率分配，处于最大可行集合中的链路按照分配功率完成数据流传输，每个接收节点将按照连续干扰消除的要求接收数据流。未被选入集合的链路将进入下一时隙的候选链路集合中继续等待选择。

(4)重复步骤(2)与(3)直到所有F个数据流成功抵达各自的目的节点，数据传输完成。

本发明和传统的路由传输技术相比，有如下优势：

1)考虑了多个端到端数据流并发路由问题，在建立初始路由的过程中，所有的端到端路由均以时延为指标彼此独立建立，即所建立的初始路径是在考虑无干扰场景下建立的，可以作为干扰情形下的性能下界。

2)每次数据传输前都先考虑干扰来寻找当前时隙最大的可行链路集合。一方面，干扰消除技术被应用在了链路集合的可行性验证上，这将允许多个节点同时向单个节点或单个节点向多个节点进行数据传输。同时，各接收节点都将考虑干扰消除来进行数据接收，这将有效提升单个时隙内并发传输的链路数量；另一方面，数据传输的调度以一种紧凑的形式进行，即不在可行链路集合中的链路将加入下一时隙的候选链路集合中去，这将尽可能地降低端到端时延。

3)不管是初始路由的建立，还是寻找每个时隙内的最大可行链路集合，都以分布式的形式来完成，这将有利于算法的实践应用。

附图说明

(1)图1为干扰消除的流程示意图。

(2)图2为多数据流传输的基本流程示意图。

(3)图3为单时隙最大可行链路集合选择流程示意图。

(4)图4为候选链路的优先级定义范例示意图。

(5)图5为临时集合链路范例示意图

具体实施方式

为了进一步说明本发明的实施方法，下面给出一个实施范例。此示例仅表示对本发明的原理性加以说明，不代表本发明的任何限制。

(1)候选链路的优先级定义

优先级是所提方法的一个基础，最简单的优先级定义为链路的信道条件。图4基于候选链路的信道条件给出了优先级定义的样例。

如图4所示，节点i向节点j传输数据，考虑基于距离的信道模型和基于阈值的传输模型，设β为接收端成功接收的信噪比阈值，P_i，P_N，d_i，j分别为发送功率、噪声功率和节点之间的距离，节点j成功收包的条件是：

若存在另一组链路l_m，n与l_i，j同时发送数据流，则当节点j处的接收信干噪比满足：

由于每个节点的最大发送功率一致，因此，只要节点m满足条件

即，节点m位于A_i，j区域外，就不会影响节点i的成功传输，因此可以定义区域A_i，j为链路l_i，j的保护区域，同时定义链路l_i，j的干扰度为其保护区域内的发送节点数量。每条链路都对应一个干扰度，它代表节点受到干扰的严重程度。

因此，为了使单个时隙内并行传输的链路数尽可能多，可以以干扰度作为评估链路优先级的参考指标，链路的干扰度越低，优先级越高。这样，可以保证受干扰最低的链路得到传输的机会。同时，考虑到可能出现多条链路的干扰度相同的情况，在干扰度的基础上可以将信道条件作为第二指标来评估链路的优先级，信道越弱，其抗干扰能力越弱，因此应该首先给与传输的机会，对应的优先级越低。

(2)可行性评估及功率分配方法范例

所有候选链路以优先级进行排序，每条链路将按照优先级组建临时链路集合，该集合主要由链路本身及所有更高优先级链路组成。根据所提步骤，可行性评估是所提发明的一个关键，这里，我们给出一个可行性评估的设计范例。

一个可行的链路集合需要满足以下两个条件：

第一，如果节点不支持全双工，在候选链路集合中，单个节点不能既做发送节点，又做接收节点。如果临时链路集合不满足半双工条件，那么该临时链路集合不可行；

第二，所有的链路必须在最大发送功率范围内成功传输，即各节点考虑对接收信号进行干扰消除。所有链路的接收信号都能成功满足接收信干噪比阈值条件。

想要验证第一个条件很简单，只需要遍历即可。针对第二个条件，各接收节点的译码原则为对处于保护区域内的干扰信号采取连续干扰消除的方式由强到弱逐个译码消除，对处于保护区域外的干扰信号不做译码处理。下面，我们对第二个条件的验证给出一个设计范例，为了辅助说明，我们以图5作为一个临时集合链路范例进行描述。

假设临时链路集合

满足半双工条件，

与

共用了发送节点。图中绘出了四条链路对应的保护区域，进而可以得知四条链路的干扰度分别为3，2，1，1。处于干扰区域内的发送节点需要首先解码，否则对所需信号的接收将产生影响。设P_i，P_m，P_k分别为三个发送节点的发送功率，因此，针对链路l_i，j，利用连续干扰消除的方法，只有当以下信干噪比限制条件被满足，

发自节点i的信号才能被节点j成功接收。同样，链路l_m，n对应的信干噪比限制条件为：

对于链路

与

由于两链路共用同一个发送节点k，因此节点将发送功率P_k一分为二，即

和

分别对应于

和

假设

的信道条件好于

根据叠加编码技术，信道条件好的链路接收节点使用干扰消除可以依次解出干扰信号和目标信号，信道条件差的链路接收节点只能译出目标信号。因此，链路

对应的信干噪比限制条件为：

链路

对应的信干噪比限制条件为：

如果四条链路三个发送节点的发送功率满足式(4-8)，且不超过单个节点的最大发送功率，那么该临时链路集合就是可行的。

为了求解具体的功率分配，可以以最小化总功率为目标，建模以下功率分配问题：

min P_i+P_m+P_k

s.t.(4),(5),(6),(7),(8)

判定求得的解是否满足单个节点的最大发送功率限制条件，如果满足，则该链路集合可行，否则不可行。

Claims (5)

1.一种基于多跳网络的多数据流传输方法，其特征在于，所述方法包括：

基于无线自组织网络拓扑建立多个源节点与多个目的节点之间的初始路由；令F表示网络中的数据流数量，各源节点同时开展按需路由的路径发现过程，在完成源节点到目的节点的路由建立过程后，网络中最终成功建立了F条端到端初始路径

其中

表示Path(f)上的第1跳传输链路；

以时隙为单位，确定当前传输时隙的候选链路集合，该集合由各初始路径中当前时隙的待传输链路组成；从当前传输时隙的候选链路集合中，考虑连续干扰消除与叠加编码的影响筛选出一个最大的可行链路集合；

对选出的最大可行链路集合进行功率分配；对于由发送节点i和接收节点j组成的链路l_i,j，设d_i,j为发送节点i与接收节点j之间的距离，β为接收端成功接收的信噪比阈值，α是路径损耗因子，令以接收节点j为中心、半径为

的圆形区域A_i,j表示链路l_i,j的保护区域，接收节点j的译码原则为对处于保护区域内的干扰信号采取连续干扰消除的方式由强到弱逐个译码消除，对处于保护区域外的干扰信号不做译码处理，仅当作常规的干扰信号；再结合半双工条件、最大功率限制条件与接收信干噪比阈值条件对链路集合可行性进行建模并得到功率分配结果，处于最大可行链路集合中的链路将在当前传输时隙按照功率分配结果完成数据流传输，每个接收节点将根据连续干扰消除接收数据流，当多条可行链路共享同一个发送节点时，发送节点将根据叠加编码来分配功率同时发送多个数据流；未被选入最大可行链路集合的链路将进入下一传输时隙的候选链路集合中继续等待选择；

迭代以上过程直到所有F个目的节点收到各自的数据流包，达到降低数据包端到端传输时延的目的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立初始路由指的是建立一条从源节点到目的节点的初始路径；根据按需路由的路由发现过程，源节点从所有通往目的节点的路径中找到一条无线跳数最小的端到端路径作为初始路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择最大的可行链路集合是指以单时隙待传链路作为候选链路，从候选链路中选择出最大的可行链路集合，包括以下步骤：

各初始路径当前时隙的待传输链路组成当前传输时隙的候选链路集合；

候选链路集合中的各链路结合链路信道质量计算链路优先级，并与优先级更高的链路一起组成临时链路集合，计算该临时链路集合的可行性；

若临时链路集合可行，与之相对应的链路广播可行消息；

如果链路

确认对应的临时链路集合可行，并且通过解析网络中的可行消息，发现网络的广播信道中没有来自更高优先级链路的可行消息，则链路

对应的临时链路集合被确定为最大的可行链路集合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可行链路集合为集合中所有链路可以在单个时隙内同时进行数据传输；

可行链路集合需要满足以下条件：

半双工条件；候选链路集合中的单个节点不能既作为发送节点，又作为接收节点；

最大功率限制条件；所有链路发送节点的发送功率都处于最大发送功率范围内；

接收信干噪比阈值条件；在各接收节点依据定义的译码原则处理干扰信号之后，所有链路的接收信号都能成功满足接收信干噪比阈值条件，保证成功接收目标信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所选择的可行链路进行功率分配，是指求解各链路发送节点的数据发送功率，以保证各可行链路成功地完成数据流传输；当多条可行链路共享同一个发送节点时，发送节点将根据叠加编码来分配功率同时发送多个数据流；具体功率分配过程为将链路集合可行性条件建模为不等式组，通过联合求解不等式组，得到各链路的功率分配结果。

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