基于流量感知的动态组网方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线mesh网络技术领域，具体地说是一种基于流量感知的动态组网 方法。
【背景技术】
[0002] 无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率的分布式 无线网络。无线Mesh网络具有骨干路由节点静止和其能量无拘束等特征使其在扩增无线 网络覆盖，支持多频段无线设备等方面有很大的优势。另外，无线Mesh网络是一种实现工 业回程网的高效解决方案。
[0003] 近年来，学术界和工业界对无线网状网（WMN)都产生了极大的兴趣。工业关注主 要是由于无线Mesh网络是一种成本效益高的、可实现广域覆盖的组网方式。研究人员则是 被无线Mesh网络的配置和管理等挑战性问题所吸引。共同关注的技术问题是无线Mesh网 络的组网问题。
[0004] 随着客户端对数据传输速率的要求逐渐提高，同时也为减少信道冲突，多射频多 信道无线Mesh网络的路由节点装有多个射频接口且采用不同的信道通信，多射频多信道 技术可允许单个路由器同时进行数据的收发，弥补单射频单信道网络端到端时延大，网络 吞吐量小等不足。但是，网络可用信道数目有限，特别是互不相交叠的可用信道数目很少， 相邻接入点之间不可避免使用同一信道，为缓减接入点之间的竞争干扰水平，须对密集的 接入点合理地分配该些信道。
[0005] 多射频多信道无线Mesh网络的组网技术涉及较多问题，包括信道分配、路由分 配、速率控制、拥塞控制等。传统的方法只针对了单一问题或只考虑单一条件，未能进行全 面的考虑。同时当前的信道分配机制在进行信道重新分配过程中，不考虑当前的信道分配 状况，进而产生一个完全不同的信道分配结果，造成大量的信道切换，使网络暂时中断，导 致网络吞吐量降低。
【发明内容】
[0006] 针对无线Mesh网络中流量动态变化的特点，考虑当前网络信道状况，本发明提出 了 一种基于流量感知的自组网方法。
[0007] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是；一种基于流量感知的动态组网方 法，包括W下步骤：
[0008] 构建工业无线mesh回程网络；
[0009] 根据干扰的物理模型信噪比SNR建立网络拓扑图G(V，巧；
[0010] 定义全局效用函数；
[0011] 根据给定的可用信道组C、链路容量组{c(e)}eGE、流量组{f(e)}eGEW及全 局效用阔值A。，为网络拓扑图G(V，巧中的链路手动分配信道C及速率r。，由管理器节点周 期性计算当前全局效用函数，当前全局效用函数满足条件Tu>入。时，触发网络组网过程， 实现网络重组。
[0012] 所述工业无线mesh回程网络中的节点包括；mesh路由器，mesh网关，mesh接入 点，W及管理器；其中mesh路由器负责回程网内的数据转发，mesh网关负责回程网和骨干 网之间的连接，mesh接入点负责回程网和现场网络的连接，而管理器则负责整个网络的管 理，包括组网过程。
[0013] 所述网络拓扑图G(V，巧中，V为链路端口集合，E为方向链路集合；定义接收端口 r收到发送端口S的信号时的信噪比SNR为：
[0014]
【主权项】
1. 一种基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，包括以下步骤： 构建工业无线mesh回程网络； 根据干扰的物理模型信噪比SNR建立网络拓扑图G(V，E); 定义全局效用函数； 根据给定的可用信道组C、链路容量组{c(e)}e e E、流量组{f(e)}e e E以及全局效 用阈值λ ^，为网络拓扑图G (V，E)中的链路手动分配信道c及速率rm，由管理器节点周期性 计算当前全局效用函数，当前全局效用函数满足条件T u > λ ^时，触发网络组网过程，实现 网络重组。
2. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述工业无线 mesh回程网络中的节点包括：mesh路由器，mesh网关，mesh接入点，以及管理器；其中mesh 路由器负责回程网内的数据转发，mesh网关负责回程网和骨干网之间的连接，mesh接入点 负责回程网和现场网络的连接，而管理器则负责整个网络的管理，包括组网过程。
3. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述网络拓扑 图G(V，E)中，V为链路端口集合，E为方向链路集合；定义接收端口 r收到发送端口 s的信 号时的信噪比SNR为：
(1) 式中，Ps为端口 s的发送功率，&为端口 r处的干扰； 给定信噪比阈值端口 s、r建立s - r方向链路需满足： SNRsr ^ y r (2)。
4. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述全局效用 函数为：
(3) 式中，c (?)为节点各链路容量上限，f(e(l)为链路实际流量，％为链路，E为方向链路 集合。
5. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述网络重组 包括以下步骤： 管理器计算当前全局效用函数Tu，判断当前全局效用函数值是否满足条件Tu < λ。； 若满足，则等待下一个重组周期的到来；否则，将当前所有链路插入优先队列Q ; 当优先队列Q非空时，启动信道和速率分配过程为链路分配合适的信道和速率；依次 调用信道设置过程，为当前链路的两个端口设置相应的信道；继续为链路中断队列Qp中的 链路分配信道和速率；若优先队列Q为空，则网络组网过程结束。
6. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述链路的优 先级根据链路的流量与容量比值P来确定，P的值越大优先级越高，优先级高的链路最先进 行信道和速率分配。
7. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述信道和速 率的分配过程分为两个阶段，首先调用最小中断信道分配过程为当前链路分配合适的信 道，然后调用速率分配过程为当前链路分配合适的速率。
8. 根据权利要求7所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述最小中断 信道分配过程包括以下步骤： 定义链路中断组Wk，即当把节点u的当前链路所分配的信道k切换到新信道c时，所引 起的中断链路组； 定义权重ω k :
(5) 其中，Countu(k)指节点u上信道k的切换次数，Cu为节点u上的信道组； 采用信道c替换掉权重ω,最小的信道k ;同时更新优先队列Q和链路中断队列Qp，在 优先队列Q中取出中断链路组Wk，在链路中断队列Qp中加入中断链路组Wk。
9. 根据权利要求7所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述速率分配 过程采用迭代过程选择最合适的速率：取m=M，同时使得= Tu :当m>1时，m依次减L 并从速率组选取相应的速率rm，同时计算相应的全局效用函数，直到满足条件仏。S 20时 返回最佳速率rm。
10. 根据权利要求1所述的基于流量感知的动态组网方法，其特征在于，所述信道设置 过程为：在管理器节点设置节点u的相应端口链路的信道和速率，同时在该过程中定义参 数Count u(C)记录替换当前链路的信道k为信道c的次数,并更新当前节点u所分配的信 道组Ru : Ru = Ru-k U c (6)〇
【专利摘要】本发明公开了一种基于流量感知的动态组网方法，应用于基于Mesh网络技术构建的工业无线回程网络中。本发明根据给定的可用信道组C、链路容量组{c(e)}e∈E、流量组{f(e)}e∈E以及全局效用阈值λ0，为网络拓扑图G(V,E)中的链路手动分配信道c及速率rm，由管理器节点周期性计算当前全局效用函数，当前全局效用函数满足条件Tu＞λ0时，触发网络组网过程，实现网络重组。本发明采取集中式管理机制，降低了网络单个节点的操作负担，并利用无线Mesh网络的广播特点将组网信息分发给各节点。另外，本发明在实现信道动态重分配时，充分考虑信道的当前状态，以降低信道分配切换所造成的网络暂时中断，提高了无线Mesh回程网络的吞吐量以及稳定性。
【IPC分类】H04W16-18, H04W28-08
【公开号】CN104754589
【申请号】CN201310732983
【发明人】曾鹏, 于海斌, 李栋, 王照伟, 刘金娣
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月26日