CN113676979B - 基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法、系统及装置 - Google Patents

基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法、系统及装置 Download PDF

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基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法、系统及装置，本发明涉及端到端路由中继链路选取方法、系统及装置。本发明的目的是为了解决在空间结构复杂的环境中，移动自组网路由节点变化快，转发路径规划困难，中继节点数量位置多变，难以得到最优网络吞吐量的问题。过程为：一：确定网络的节点个数及相关参数，建立数据传输模型；二：设置门限值区间和该区间对应的传输速率，计算各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；三：进行数学建模，得到优化模型；四：利用分支定界法确定优化模型的最优解；基于最优解得到对应最优链路的跳转节点及最大平均传输速率。本发明用于移动自组网通信领域。

Description

基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法、系统及 装置
技术领域
本发明涉及端到端路由中继链路选取方法、系统及装置。
背景技术
近年来，对于未知半封闭空间环境中移动自组网的通信需求越来越强烈，它不仅可以广泛应用于山区机动组网等场合，也可以广泛应用于城市建筑群内部的反恐、野外救援等场合。在这种未知半封闭空间的环境里，移动自组网可以有效保证未知半封闭空间内各个移动节点的数据传输。然而，由于未知半封闭空间纵深大，空间结构复杂，多径现象严重，这些特点严重影响了移动自组网的通信质量。在这种环境下，需要对信道环境进行有效地分析，并对移动节点的路径进行规划，从而实现转发路径的优化。此外，根据移动节点所处的通信环境，也需要合理设置中继节点数量和位置，从而实现网络吞吐量的整体最优。相比较于传统的移动自组网通信，未知半封闭空间环境对传输路由策略的选取、中继节点的设置提出了更高的要求。因此，对于未知半封闭空间移动自组网传输优化技术的研究就成为目前该领域亟待解决的问题。
移动节点的移动路径与数据传输路由相互影响、相互制约。未知半封闭空间环境地理结构的多种通达性、通信信道的复杂性，要求移动节点随时根据任务改变移动路径。这样，随着在未知半封闭空间中的不断深入，移动自组网的网络拓扑结构、链路吞吐量都会发生动态变化，整个网络需要动态调整路径和路由策略。因此，基于路径规划的动态路由无疑就成为一个关键的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决在空间结构复杂的环境中，移动自组网路由节点变化快，转发路径规划困难，中继节点数量位置多变，难以得到最优网络吞吐量的问题，而提出一种基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法、系统及装置。
基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法具体过程为：
步骤一：确定网络的节点个数及相关参数，建立数据传输模型；
步骤二：基于步骤一设置门限值区间和该区间对应的传输速率，计算各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；
步骤三：基于步骤三进行数学建模，得到优化模型；
步骤四：利用分支定界法确定步骤三中优化模型的最优解；基于优化模型的最优解得到对应最优链路的跳转节点及最大平均传输速率。
基于分支定界法的端到端路由中继链路选取系统，用于执行基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法。
基于分支定界法的端到端路由中继链路选取装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法。
本发明的有益效果为：
由于在实际应用中，移动自组网的网络拓扑结构、链路吞吐量都会发生动态变化，整个网络需要动态实时调整路径和路由策略，本发明提出一种基于分支定界算法的端到端最优中继链路了选取方法，针对路由节点的动态变化，进行优化算法的数学建模，从而实现快速实时选取最优中继节点并得到相应组网跳转链路。自组网需要根据节点间传输速率合理选择节点间跳数，从而实现链路的端到端传输速率最大。本发明在理论上给出不同中继节点数量情况下，根据链路自适应速率和节点跳数的关系，在最小跳数约束下，实现单条链路从源节点到目的节点的最小化数据传输时延，从而实现端到端的速率最大化，进而实现整个网络的吞吐量，即实现移动自组网主链端到端传输速率最优；解决了在空间结构复杂的环境中，移动自组网路由节点变化快，转发路径规划困难，中继节点数量位置多变，难以得到最优网络吞吐量的问题。
附图说明
图1是N个节点组成传输网络的数据传输模型图，其中，ri,j表示从节点i到节点j的传输速率，由于图中存在没有画出两端完整的发送和接收节点的箭头，图中r仅代表传输速率的符号，无具体数值含义。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法具体过程为：
步骤一：根据需要确定网络的节点个数及相关参数，建立数据传输模型；如图1所示，其中不考虑节点的实际物理位置关系；
步骤二：根据实际需求，基于步骤一设置门限值区间和该区间(步骤一中一共有五个速率档，就有五个区间)对应的传输速率，计算各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；
步骤三：根据研究目标，基于步骤三进行数学建模，得到优化模型(公式3)；
步骤四：利用分支定界法确定步骤三中优化模型的最优解；基于优化模型的最优解得到对应最优链路的跳转节点及最大平均传输速率。
上述数学模型对应的优化问题是一个0-1整数规划问题，该问题使用经典的分支定界算法求解。分支定界法是一种搜索与迭代的方法，选择不同的分支变量和子问题进行分支，求解步骤如下：
步骤四1、求原问题P1的最小化，可以先通过先不考虑原优化问题内的整数变量，找到与原问题P1相对应的松弛问题B，用图解法或单纯形法求解松弛问题B的最优解Z；
其中松弛问题B为线性规划问题；
步骤四2、若松弛问题B的最优解Z刚好满足原问题P1的整数解，则该整数解就是原问题P1的最优解；否则，转步骤四3；
步骤四3、对原问题P1进行分枝寻求整数最优解；具体过程为：
在最优解Z中任意选择一个不符合整数约束条件的xi，在松弛问题B约束条件中分别加上约束条件xi≤[xi]和xi≥[xi]+1形成两个新的子问题；
其中[xi]表示小于xi的最大整数；这个过程称为分支；因为[xi]与[xi]+1之间无整数，故这两个新的子问题内的整数解必定与原可行解集合整数解一致；
步骤四4、对各分支进行求解；具体过程为：
判断各分支是否存在整数解；若存在转到步骤四5，否则转到步骤四3；
步骤四5、定界；具体过程为：
找出所有存在整数解的所有分支中最优解最小对应的分支，设其最优解为Z*作为上界，则Z*≥Z；该过程为定界；
步骤四6、剪枝；具体过程为：
若在分支过程中，某个分支的最优解满足整数解要求，但是其最优解大于Z*，则不需要继续分支；该过程称为剪枝；
步骤四7、重复步骤四3、四4、四5、四6，直到没有新的分支出现，找到最优解，算法结束。
算法的目的是寻找中继跳转方案，使两点之间传输最优，如果本身不能直接通信就要通过别的节点跳转实现；如果本身能直接通信，经过计算可能跳转后的传输速率大于直接传输速率。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中根据需要确定网络的节点个数及相关参数，建立数据传输模型；如图1所示，其中不考虑节点的实际物理位置关系。具体过程为：
所述相关参数为：不同传输速率档对应的区间阈值和传输速率、传输数据包大小、最大跳数值、源节点和目的节点；
数据传输模型为：
由N个节点形成一条网络主链，根据节点间不同的位置，节点间有C档不同的传输速率。
假设传输速率分为5档，即C＝5，共有10个节点，即N＝10。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中根据实际需求，基于步骤一设置门限值区间和该区间(步骤一中一共有五个速率档，就有五个区间)对应的传输速率，计算各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；具体过程为：
考虑移动自组网中有N个节点，i,j∈N代表网络中的节点，当节点i和j之间的信噪比SNR的值大于等于设定的门限值γ0时，则认为节点i和节点j可以直接通信；若SNR 的值小于设定的门限值γ0，则认为节点i和节点j不能直接通信，需要通过其他节点跳转；
设置门限值区间和该区间(步骤一中一共有五个速率档，就有五个区间)对应的传输速率，基于计算的各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；
表示为：SNR∈[γα,γβ]，第k个区间门限时对应的传输速率为
其中，γα为第k个区间门限的下限，γβ为第k个区间门限的上限和第k+1个区间门限的下限。
比如只设置了两个区间[1,2]和[2,3]，如果计算得到的SNR大于3，也属于[2,3]的速率，其实实际设置的时候最大的那个区间上限应该是正无穷。如果SNR＝0.5，就是不属于所有区间，这种情况就是两点之间不能直接通信；
步骤一中假设一共有五个速率档，如表1所示：
表1节点信噪比与传输速率的关系
其中，γ1为第一个区间门限的下限，γ2为第一个区间门限的上限和第二个区间门限的下限，γ3为第二个区间门限的上限和第三个区间门限的下限，γ4为第三个区间门限的上限和第四个区间门限的下限，γ5为第四个区间门限的上限和第五个区间门限的下限，γ6为第五个区间门限的上限和第六个区间门限的下限，为满足第k个区间门限时对应的传输速率，根据实际情况进行设置。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述SNR的表达式为：
其中，Pi是节点i的发送功率，Lb(i,j)是节点i和节点j之间路径损耗，Nr是空间白噪声影响参数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤三中根据研究目标，基于步骤三进行数学建模，得到优化模型(公式3)；具体过程为：
假设有一大小为L的数据包，需要在主链上从节点m传输到节点n；如图1所示，可以有多种传输路径可供选择，但是如何选择传输路径使得平均传输速率最大是一个非常值得研究的问题。
设代价函数ti,j为数据包从节点i传输到节点j对应的传输时延，表达式如下：
本发明的目标是在最小跳数约束下，最大化从节点m传输到节点n的平均传输速率，数学问题建模如下：
优化目标是数据经过所有的节点平均传输速率最大。
其中，R*为目标函数，xi,j为通信链路建立因子，当xi,j＝1时，表示数据从节点i传输到节点j的通信链路成立；当xi,j＝0时，表示数据从节点i传输到节点j的通信链路不成立；L表示数据包的大小，M表示最大跳数值；T表示时隙值；代价函数ti,j为数据包从节点i传输到节点j对应的传输时延；对于代价函数ti,j的求取，可以通过公式(2)获取；
考虑到信号传输的有效性，只有当节点间的SNR大于等于设定的最小阈值时，ri,j存在，其他情况，节点i和节点j之间不能建立链路，ri,j＝0。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述约束条件(a) 表示所选择的链路传输时延；
约束条件(b)表示节点i,j,k是节点集合{1,2,…N}中的任意节点；
约束条件(c)限制了xi,j的取值为0≤xi,j≤1中的整数变量；
考虑到一个接收节点一次最多能和一个发射节点进行通信，约束条件(d)限制了节点j 作为接收节点时，至多只能收到来自一个发射节点发送的信号；
约束条件(e)表示节点j作为发射节点时，至多只能向一个接收节点发送信号；
约束条件(f)限制了从节点m传播到目的节点n可建立链路的最大跳数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述考虑到数据收发的传播过程，约束条件(g)限制了数据从节点m传输到节点n的方向性传播；其中，表示节点j作为接收节点时可建立的所有通信链路之和；/>表示节点j作为发射节点时可建立的所有通信链路之和；
具体来讲，当j＝m时，节点1只作为发射节点向外发射信号，不存在信号接收的情况。因此，该情况下输入信号的链路数减去输出信号的链路数之差为-1。当j＝n时，对于目的节点n，只有输入信号，不存在输出信号，所以输入信号的链路数减去输出信号的链路数之差为1。进一步，考虑到对于除了源节点m和目的节点n以外的其他所有节点，作为信号转发的中继节点，如果该节点存在输入信号，那么必定存在其对应的输出信号，因此，该情况下，输入信号的链路数减去输出信号的链路数之差为0。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述约束条件(h) 限制了传输时间的最大值，即每次传输时间需小于等于所规定的时隙值T。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式基于分支定界法的端到端路由中继链路选取系统，该系统用于执行具体实施方式一至具体实施方式八之一的基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法。
具体实施方式十：本实施方式基于分支定界法的端到端路由中继链路选取装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如具体实施方式一至具体实施方式八之一所述的基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法。
表1符号说明表
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一：确定网络的节点个数及相关参数，建立数据传输模型；
步骤二：基于步骤一设置门限值区间和该区间对应的传输速率，计算各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；
步骤三：基于步骤二进行数学建模，得到优化模型；
步骤四：利用分支定界法确定步骤三中优化模型的最优解；基于优化模型的最优解得到对应最优链路的跳转节点及最大平均传输速率；
所述步骤一中确定网络的节点个数及相关参数，建立数据传输模型；具体过程为：
所述相关参数为：不同传输速率档对应的区间阈值和传输速率、传输数据包大小、最大跳数值、源节点和目的节点；
数据传输模型为：
由N个节点形成一条网络主链，根据节点间不同的位置，节点间有C档不同的传输速率；
所述步骤二中基于步骤一设置门限值区间和该区间对应的传输速率，计算各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；具体过程为：
考虑移动自组网中有N个节点，i,j∈N代表网络中的节点，当节点i和j之间的信噪比SNR的值大于等于设定的门限值γ0时，则认为节点i和节点j可以直接通信；若SNR的值小于设定的门限值γ0，则认为节点i和节点j不能直接通信，需要通过其他节点跳转；
设置门限值区间和该区间对应的传输速率，基于计算的各个节点间的信噪比，确定各个节点间的信噪比对应的门限值区间和该区间对应的传输速率；
表示为：SNR∈[γα,γβ]，第k个区间门限时对应的传输速率为
其中，γα为第k个区间门限的下限，γβ为第k个区间门限的上限和第k+1个区间门限的下限；
所述SNR的表达式为：
其中，Pi是节点i的发送功率，Lb(i,j)是节点i和节点j之间路径损耗，Nr是空间白噪声影响参数；
所述步骤三中基于步骤二进行数学建模，得到优化模型；具体过程为：
假设有一大小为L的数据包，需要在主链上从节点m传输到节点n；
设代价函数ti,j为数据包从节点i传输到节点j对应的传输时延，表达式如下：
目标是在最大跳数约束下，最大化从节点m传输到节点n的平均传输速率，数学问题建模如下：
其中，R*为目标函数，xi,j为通信链路建立因子，当xi,j＝1时，表示数据从节点i传输到节点j的通信链路成立；当xi,j＝0时，表示数据从节点i传输到节点j的通信链路不成立；L表示数据包的大小，M表示最大跳数值；T表示时隙值；
只有当节点间的SNR大于等于设定的最小阈值时，ri,j存在，其他情况，节点i和节点j之间不能建立链路，ri,j＝0；
所述约束条件(a)表示所选择的链路传输时延；
约束条件(b)表示节点i,j,k是节点集合{1,2,…N}中的任意节点；
约束条件(c)限制了xi,j的取值为0≤xi,j≤1中的整数变量；
约束条件(d)限制了节点j作为接收节点时，至多只能收到来自一个发射节点发送的信号；
约束条件(e)表示节点j作为发射节点时，至多只能向一个接收节点发送信号；
约束条件(f)限制了从节点m传播到目的节点n可建立链路的最大跳数；
所述约束条件(g)限制了数据从节点m传输到节点n的方向性传播；其中，表示节点j作为接收节点时可建立的所有通信链路之和；/>表示节点j作为发射节点时可建立的所有通信链路之和；
所述约束条件(h)限制了传输时间的最大值，即每次传输时间需小于等于所规定的时隙值T。
2.基于分支定界法的端到端路由中继链路选取装置，其特征在于，所述装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1所述的基于分支定界法的端到端路由中继链路选取方法。
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