一种联合网络调度和路由的链路选择方法
【专利摘要】一种联合网络调度和路由的链路选择方法属于无线通信网络领域。在提高无线网络吞吐量的方法中，跨层设计方案虽然提高了无线网络吞吐量，但是具有计算复杂度高、不易实现、重新设计跨层协议可能与现存协议不兼容等问题。基于上述缺点，本方法利用简便易行的跨层优化方案设计，并且针对先前研究方案大都基于网络整体性能而忽视节点个体间网络性能的不足，对节点间的资源分配公平性通过基尼系数进行了评估，同时我们应用了多射频多信道方案，进而大幅度提高网络性能。该方法主要应用于无线通信网状网中的吞吐量提升，并且在网络结构复杂以及干扰比较大的情况下仍然对于吞吐量的提升较为有效。
【专利说明】一种联合网络调度和路由的链路选择方法
【技术领域】
[0001]一种联合网络调度和路由的链路选择方法，属于无线通信网络领域。
【背景技术】
[0002]无线网状网中的终端节点和路由器通过多跳方式接入主干网络，它是一种很有前途并且廉价的“最后一英里”无线宽带网络接入方案。相对于考虑节点移动性和能量约束的无线移动自组织Ad-Hoc网络，无线网状网则以提高网络吞吐量作为首要目标。近年来，国内外学者提出了多种技术来构建高吞吐性能的无线网状网，其中包括:调度算法设计、路由算法设计、多射频多信道技术和功率控制等。此外，跨层优化设计也是提高网络吞吐量的常用方法。
[0003]跨层设计的主要思想是利用网络各层间的相关信息，进而对无线网络进行整体优化设计。它不是完全否定传统无线网络的层次模式，而是模糊了严格的各层之间的界限，协调融合分散在网络各个协议层的特性参数。理论上，所有协议层之间可以交互所需的信息，使协议栈能够全局地适应网络状况的变化以及特定应用所需的服务质量(Quality ofService, QoS),并根据系统的约束条件和网络特征来综合优化网络性能，实现对网络资源的最大限度发掘和提高无线网络的潜在性能。基于图论中的着色方法，M.Kodialam等人应用启发式算法来解决路由和调度的联合优化问题；H.Wei等人应用两阶段策略，首先通过路由选择算法确定到达目的节点干扰比较小的链路，然后根据链路激活时间进行调度从而实现联合优化的目标。Y.Li等人在Ad-hoc网络中提出了一种集中式的调度和路由算法，并且考虑了吞吐量增益和能量消耗的性能折中。A.Capone等人研究了在动态业务请求下基于多射频多信道的拓扑感知控制和QoS路由，同时提出了一种全新的信道间相互干扰的定义，仿真结果表明通过该文提出的算法调度可以有效的减少阻塞链路并大幅提高系统性能。然而，先前研究大都基于协议设计或复杂数学建模，这些方法具有计算复杂度较高的特性，因而在实际中难以进行应用。与以往方案不同，本发明提出一种简单易行的数据链路层和路由层跨层优化方案，同时考虑无线网状网特有的网络特性，包括吞吐量增益、负载均衡和QoS限制等约束条件。
[0004]C.Mung指出跨层设计对网络性能提升并不是无限的，需要付出一定的网络开销。这是因为各协议层之间的信息交互与合并改变了原有协议栈的设计模式，并可能出现与现存的协议不兼容，从而造成维护及管理困难等问题。因此，跨层设计需要在跨层交互带来的性能提升和所带来的系统复杂性增加这两者之间进行均衡，不能盲目地使用跨层设计。本发明提出了一种简便易行的跨层优化方案设计，并且针对先前研究方案大都基于网络整体性能而忽视节点个体间网络性能的不足，对节点间的资源分配公平性通过基尼系数进行了评估，同时我们应用了多射频多信道方案，进而大幅度提高网络性能。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种复杂度较低的多射频多信道环境下调度和路由联合优化的设计方法，以达到优化网络吞吐量的同时保证节点间的公平性和网络负载均衡的目标。
[0006]本发明的联合调度和路由的优化算法，包括以下步骤:
步骤1、本发明考虑所有的链路均有数据包待传输(即网络处于满负荷状态)，并分别定义链路集合。这些链路集合包括:数据链路层中被选中来传输数据的链路集合儿以及与这些链路存在干扰的链路集合A;路由层中被选中来传输数据的链路集合C,以及与这些链路存在干扰的链路集合D;经过判断可以同时进行传输的链路集合万，以及与这些链路存在干扰的链路集合已经被选过的链路集合G;无线网状网中存在的所有链路的集合Z。
[0007]步骤2、首先依据调度判据式计算各条链路在数据链路层对应的判据值。选择判据计算值最小的链路，对其赋予数据链路层最高的优先级并将其放在集合^中。
[0008]步骤3、如果这条链路经过计算得到的信干噪比(Signal to Interference plusNoise Ratio, SINR)低于门限值，将这条链路从集合J中清除，返回步骤2。否则，进行步骤4。
[0009]步骤4、依据路由判据式计算各条链路在网络层的判据值，选择判据计算值最小的链路，对其赋予网络层最高的优先级并将其放在集合C中。
[0010]步骤5、如果这条链路经过计算的得到的SINR低于门限值，将这条链路从集合C中清除，返回步骤4。否则，进行步骤6。
[0011 ] 步骤6、如果集合J和集合C中的链路都相同，那么选择集合J中的链路进行传输。
[0012]步骤7、如果集合J和集合C中的链路完全不相同，并且J不属于集合D且C不属于集合凡那么选择集合J和C中的链路同时进行传输。
[0013]步骤8、如果集合J和集合C不完全相同，删除J中属于D的链路并且删除C中属千B的链路，将链路集合J和C中剩余链路同时进行传输。
[0014]步骤9、判断与集合A中链路产生干扰的链路，将其加入到干扰链路集合A中。
[0015]步骤10、将集合万中的链路加入到链路集合G中，同时将万中的链路从集合Z中移除。
[0016]步骤11、重复步骤2到步骤10直到链路集合G与链路集合Z相等。
[0017]本发明优点:
本发明通过将拥塞小的链路赋予较高优先级进行调度来提高网络的公平性，同时对数据链路层的调度判据和网络层的路由判据进行跨层联合优化，达到提高吞吐量和保证公平性的目标，并采用经济学中的基尼系数作为网络资源分配的公平性衡量指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明一种实施例联合优化方法的流程图；
图2为本发明实施例的算法说明示意图；
图3为本发明实施例在线性拓扑下的网络层接收数据包个数在不同算法下的比较示意图；
图4为本发明实施例 在线性拓扑下的的数据链路层接收数据帧个数在不同算法下的比较示意图；
图5为本发明实施例在网格拓扑下的网络层接收数据包个数在不同算法下的比较示意图；
图6为本发明实施例在网格拓扑下的的数据链路层接收数据帧个数在不同算法下的比较示意图；
图7为本发明实施例在随机拓扑下的网络层接收数据包个数在不同算法下的比较示意图；
图8为本发明实施例在随机拓扑下的的数据链路层接收数据帧个数在不同算法下的比较示意图；
图9为本发明实施例在线性拓扑下的网络层接收数据包个数在不同算法下的基尼系数计算值比较示意图；
图10为本发明实施例在线性拓扑下的数据链路层接收数据帧个数在不同算法下的基尼系数计算值比较示意图；
图11为本发明实施例在网格拓扑下的网络层接收数据包个数在不同算法下的基尼系数计算值比较示意图；
图12为本发明实施例在网格拓扑下的数据链路层接收数据帧个数在不同算法下的基尼系数计算值比较示意图；
图13为本发明实施例在随机拓扑下的网络层接收数据包个数在不同算法下的基尼系数计算值比较示意图；
图14为本发明实施例在随机拓扑下的数据链路层接收数据帧个数在不同算法下的基尼系数计算值比较示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0020]一种联合调度和路由的链路选择方法，流程图如图1所示，包括以下步骤:
步骤1、考虑所有的链路都有数据包待传输(即网络处于满负载状态)。链路集合定义如下:定义A为数据链路层待传输的链路集合，A为与J中的链路存在干扰的链路集合，C为路由层待传输的链路集合，D为与C中的链路存在干扰的链路集合。E为经过判断可以同时进行传输的链路集合，A表示与A存在干扰的链路集合，^表示已经被选过的链路集合，L表示所有链路的集合。r表示算法运行的时隙个数。A、B、C、D、E、F、G初始均定义为空集。本发明的调度算法是将调度时隙依次分配给待激活的链路组，我们的调度算法有两个目标:第一个目标是确保不同链路之间的公平性，使每条链路所获得的吞吐量趋近相同，为了实现这一目标每条链路需要激活近乎相同的时间。本发明的第二个目标是通过空分复用来提升网络吞吐量。基本思想就是在链路不产生干扰的前提下，使尽可能多的链路在同一个时隙同时进行调度。这样在时隙个数r下降的同时，吞吐量得到提高。本发明的调度算法就是找到这样一个链路集合满足:I)每条链路至少激活一次。2)相互干扰的链路在同一时隙内不能同时进行传输。3)最大化同时传输的链路个数，尽量使传输时间gamma最小。4)通过对链路优先级高的节点优先进行调度保证网络的公平性。
[0021]步骤2、依据调度判据式(I)计算数据链路层中任一链路(i，j)对应的判据值Z(i, j\选择判据计算值最小的链路，对其赋予数据链路层最高的优先级并将其放在链路集合J中，并通过(2)式求出链路的SINR。LU，J)可以表示为:
【权利要求】
1.一种联合调度和路由的优化算法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1、考虑所有的链路都有数据包待传输(即网络处于满负荷状态)，定义链路集合和初始状态； 步骤2、依据调度判据式计算各条链路对应判据值，选择判据计算值最小的链路，对其赋予链路调度层最高的优先级并将其放在链路集合^中，并求出链路的信干噪比； 步骤3、如果这条链路的信干噪比或这组链路的信干噪比不满足信噪比计算式，将这条或这组链路从集合A中清除，返回步骤2 ； 步骤4、依据路由判据式计算各条链路的判据值，选择判据计算值最低的链路集合，对其赋予路由层最高的优先级并将其放在C中，并通过计算出链路的信干噪比； 步骤5、如果这条链路的信干噪比或这组链路的信干噪比不满足信干噪计算式，将这条或这组链路从集合C中清除，返回步骤4 ； 步骤6、如果选中的数据链路层链路集合J和选中的路由层链路集合C相同，那么选择链路集合^进行传输； 步骤7、如果选中的数据链路层链路集合J和路由层链路集合C完全不相同，并且J不属于D且C不属于凡那么选择链路集合J和C同时进行传输； 步骤8、如果选中的数据链路层链路集合J和路由层链路集合C不完全相同，删除J中属于D的链路并且删除C中属于沒的链路，将链路集合J和C中剩余链路同时进行传输；步骤9、判断与A中链路集合产生干扰的链路集合，将其加入到链路集合A中并设置为干扰链路； 步骤10、将A中的链路集合加入到链路集合G中，同时将A中的链路从集合Z中移除； 步骤11、重复步骤2到步骤10直到`链路集合G与链路集合Z相等。
2.根据权利要求1所述的一种联合调度和路由的优化算法，其特征在于:步骤I所述的定义链路集合和初始状态，方法为: 定义A为数据链路层被选中的链路集合，A为与J中链路存在干扰的链路集合，C为路由层被选中的链路集合，D为与C中链路存在干扰的链路集合'为经过判断可以同时进行传输的链路集合#表示与A存在干扰的链路集合A表示已经被选过的链路集合4表示所有链路的集合，#表示算法运行的时隙个数，HC、D、E,F，G初始均定义为空集，同时对功率进行设定，信噪比计算公式如(I)所示:
Pt 、— ? 式中，U，JO是指目标链路；下标索引々表示潜在的干扰源;Λ.指节点i的发射功率；giJ是指节点i到节点J的路径增益系数.~是指接收端节点J的噪声；另外每个节点对应的r..值各不相同，该值定义了信干躁比的门限。
3.无线功率衰减与发送接收节点之间距离的r次方成正比；根据不同的地理环境，t通常取值在[2，4]之间；从节点i到节点J的衰减损耗定义为: Gjl = (RJ RnTii(2) 这里Rij是节点i到节点j的距离，R0是一个常量。
4.每个节点必须在满足SINR最低门限#的情况下才能传输，节点i的传输距离通过式(3)进行计算:
5.根据权利要求1所述的一种联合调度和路由的优化算法，其特征在于:步骤2所述的数据链路层链路判据式计算，方法为: 依据调度判据式(4)计算各条链路对应判据值，选择判据计算值最小的链路，对其赋予链路调度层最高的优先级并将其放在链路集合^中，并通过(I)式求出链路的信干噪比；判决值Z(i，j)可表示为，
6.在链路判据中，第一项将队列较长的链路赋予较高的优先级；第二项在同时激活的链路中，考虑邻居节点拥塞对链路造成的影响；我们倾向于将一个时隙分配给待发送数据包较多并且拥塞较少的链路，判据计算值越小说明链路的优先级越高；因为链路判据前后两项的值均小于1，这样总的链路判据值也在[O，I]之间；通过实验发现当a=0.5,/7=0.5时网络的性能较好，因此本发明选用a=0.5，b=0.5。
7.根据权利要求1所述的一种联合调度和路由的优化算法，其特征在于:步骤4所述的网络层链路判据式计算，方法为: 依据路由判据式(5)计算各条链路的判据值，选择判据计算值最低的链路集合，对其赋予路由层最高的优先级并将其放在C中，并通过(I)式求出链路的信干噪比-Mi，J)可表示为:
8.首先将链路判据值最低的链路赋予最高的优先级，同时为这些链路分配一个时隙；由于无线通信的半双工特性，一个节点在同一时隙不能同时和其他节点进行传输或接收数据，因此当链路(i, J)处于激活状态时，其他链路只要包括节点i或节点J都不能同时进行收发数据；接着对优先级第二高的链路进行调度并以此类推；每条激活链路必须满足信噪比的要求。
9.算法的基本思想就是在每个传输时隙，首先选出一条还没有传输过权重最大的链路加入到被选集合^中，然后在没有被选中过的链路中选出既不和集合^中的链路产生干扰又具有最大权重的链路也加入到选中集合^中；算法如此循环下去直到没有可加入的链路为止；于是在这个时隙，在选中集合^即当前时隙建立的链路组中的链路可以同时进行数据传输。`
【文档编号】H04W24/02GK103888976SQ201310608622
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】宁兆龙, 宋清洋, 崔亚运 申请人:东北大学