一种基于异步背压式路由与调度的网络效用最大化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线网络资源分配技术领域，具体为一种基于异步背压式路由与调度 的速率最大化方法。
【背景技术】
[0002] 背压式路由和调度模式最初是由Tassiulas和Ephremides提出的具有开创性的 工作。在这个理论中，通过基于多跳网络中的队列积压差和信道状态的动态路由和调度决 策，对于任意可行会话能够达到最优网络吞吐量。由于其显著的优点，背压式路由和调度理 念被应用于各种不同网络环境中进行研究，并且在无线网络系统模型中也发展了背压式算 法。然而，尽管传统的背压式算法在理论中提出了跨层的概念，但是，实际上它同步计算了 联合路由和调度的决策，没有真正实现路由和调度的分离。
[0003] 在当前的分层网络框架中，背压式算法的联合路由调度决策违背了模块化设计和 独立操作的原则。这使得广泛的部署背压式算法到实际网络中有较大的难度，这是因为许 多当前的网络元素无法达到实时同步来匹配传统背压式路由和调度算法的参数。不难预 期，由于背压式算法的卓越有点，所以不同类型的网络元素在同步网络架构中可能选择部 分或者全部的应用。因此，设计一个新的适应先有的网络基础设施的背压式路由和调度算 法方案是很重要的。
【发明内容】
[0004] 针对先有技术中存在上述问题，本发明的目的在于提供一种基于异步背压式路由 与调度的网络效用最大化方法，彻底将路由和调度决策分离，实现真正的跨层优化，通过多 次迭代后，使得多跳网络中的吞吐量取得最优，实现网络效用最大化。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于异步背压式路由与调度的 网络效用最大化方法，该方法包括以下步骤：
[0006] (1)初始化迭代次数t，t= 0时刻的多跳网络的网络层队列积压fi;' (〇) = 0,数据 链路层队列积压0:.,(0)二〇;
[0007] (2)在第t次迭代时，在每个源端节点1^中，根据当前节点队列积压与惩罚函数的 关系得到实时源端速率；
[0008] (3)在每个节点η的网络层中，根据其网络层队列积压与数据链路层队列积压的 背压差，决定网络层上的路由决策；
[0009] (4)在每个节点η中，根据其数据链路层队列积压与下一跳节点网络层队列积压 的背压差，决定数据链路层上的调度方案；
[0010] (5)在每个节点η中，通过t时刻的优化解，对所有队列积压进行动态更新，得到 t+i时刻的网络队列积压信息a; (m)和么(）+〇:
[0011] (6)重复步骤2至步骤5,直至网络层队列和数据链路层队列达到收敛，从而实现 多跳网络中源端速率采集效用的最优分配，保证整个网络队列积压稳定，取得更快的收敛 速度，将路由与调度彻底分离，实现真正意义上的分布式算法。
[0012] 进一步地，所述步骤2具体包括以下子步骤：
[0013] (2. 1)获取网络状态中的信息β((?)和R_，么(0表示在源端节点ns的网络层中 会话流f所对应的数据队列积压；R_表示源端速率采集的最大值；对于源端速率rf (t)，有 以下子问题：
[0015]s.t. 0 ^rf (t) ^Rmax,
[0016] 其中，μ为惩罚参数，Uf( ·)表示关于源端速率rf(t)的网络效用函数；
[0017] (2. 2)求得步骤（2. 1)所述子问题的解析解#，得到t时刻的源端速率rf(t):
[0018]
其中，[/):1 (·)是对函数uf (·)的逆求导；x= ['t表示， a^X^b0
[0019] 进一步地，所述步骤3具体包括以下子步骤：
[0020] (3.1)获取网络状态中的信息这(〇、么(〇、匕_和0?)，0(/)表示在节点 η的网络层中会话流f所对应的数据队列积压；表示在链路（n，b)的数据链路层中 会话流f所对应的数据队列积压；:表示在t时刻，网络层上传输链路（n，b)的容量； 表示所有属于节点η的下一跳节点的集合;对于、= 代表 链路（n，b)的网络层中会话流f的传输速率，有以下子问题：
[0024] (3. 2)通过线性优化方法得到步骤3. 1所述子问题的解，即t时刻网络层速率 4(0。
[0025] 进一步地，所述步骤4具体包括以下子步骤：
[0026] (4· 1)获取网络状态中的信息么⑴、：β.:⑴和魏猶:表示在链路（n，b) 的数据链路层中会话流f所对应的数据队列积压；表示在下一跳节点b的网络层中 会话流f所对应的数据队列积压；Cnb (t)表示表示在t时刻，数据链路层上传输链路（n，b)
，代表在链路（n，b)的数据链路层 中会话流f的传输速率，有以下子问题：
[0030] (4.2)求得步骤4.1所述子问题的解析解产:对于抑￡%)，/ =虹§111狀[0^)-众（以； 取4 = ^in(Qfc (，),￡以，))，并更新4W=脆x ((:W4，0)，如果4 (0 述操作，直到Q⑷=0成立；得到t时刻数据链路速率4⑴。
[0031] 进一步地，所述步骤5具体为：
[0032] (5. 1)网络层队列ρ";的动态更新式：
[0033]
[0034] 其中，了⑷代表所有属于节点η的上一跳节点的集合；乃代表节点η上所有会话 流集合；[a]+定义为["ytmax丨丨；1Α表示，如果条件Α满足，则1 Α= 1，否则1 Α= 0 ;
[0035] (5. 2)数据链路层队列么的动态更新式：
[0037] 本发明的有益效果是：
[0038] 1、为网络中每个中间节点网络层的数据传输提供了有效依据，即通过当前节点的 网络层队列积压与数据链路层队列积压之差，来制定相应的路由决策。
[0039] 2、为网络中每个中间节点数据链路层的数据传输提供了有效依据，即通过当前节 点的数据链路层队列积压与下一跳节点的网络层队列积压之差，来制定相应的调度决策。
[0040] 3、为每个源端节点制定最优吞吐量，即最大化源端速率，并保证整个网络队列积 压稳定，取得更快的收敛速度，将路由与调度彻底分离，实现真正意义上的跨层优化算法。
【附图说明】
[0041 ] 图1为效用收敛性图；
[0042] 图2为队列积压收敛性图。
【具体实施方式】
[0043] 以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
[0044] 用;来描述多跳网络的网络拓扑图，其中# =仏2,…，岣是网络节点集 合，r=ll,2,...,Lj是链路集合。代表所有定向链路的集合，（n，m)代 表了该链路起始节点为n，传输数据到目的下一跳节点m。代表所有属于节点n的下 一跳节点m(出节点）的集合，8卩0，》〇e/:、7(/?)代表所有属于节点η的上一跳节点m(进 节点）的集合，即^。yK代表所有源节点的集合，每一个源节点同时分配一条或多 条会话流，由A= 表示。如果节点η不是源节点，即则A= 0。.本发明
代表网络中所有会话的集合。这里，假设源节点发送数据到相 对应的目的节点是通过多种路径的。
[0045] 本发明在链路传输容量的约束下，建立如下的网络效用最大化问题P，实现所有源 端速率的效用最大化：
[0051] 0 彡rf(t)彡R_，
[0052] 其中，Ζ(?)全(斗)，印)，小))为所有优化项的集合，而以〇，^),4〇分别是 优化项的集合。函数Uf(rf(t))是源端速率rf(t)对应的效用函数，并 假设该函数满足递增，连续二阶可导和强凹特性，并且初始值有界。
[0053] 第一个约束项表示：在网络层中，所有输出数据应小于等于该链路可以承担的链 路容量。其中，代表链路（n，b)在网络层中的虚拟链路容量，值得注意的是，链路容 量限制是对于某条链路（n，b)来说的，所以应该对该链路中的所有会话f的数据求和。
[0054] 第二个约束项表示：在网络层中，所有输出数据应小于等于对应的网络层队列长 度。其中，0,丨Μ为时刻t下节点η对应会话f的网络层队列。需要注意的是，队列01) 将为所有链路中的会话f提供数据，所以应该对所有出链路（n，b)，中的数据求 和。
[0055] 第三个约束项表示：在数据链路层中，所有输出数据应小于等于该链路可以承担 的链路容量。其中，Cnb(t)代表链路（n，b)在数据链路层中的真实链路容量。和网络层相 同，链路容量限制是对于某条链路（n，b)来说的，所以对该链路中的所有会话f的数据求 和。
[0056] 第四个约束项表示：在数据链路层中，所有输出数据应小于等于对应的网络层队 列长度。
[0057] 第五个约束项表示：t时刻下的会话f的吞吐量应小于等于最大源端速率R_。
[0058] 本发明一种基于异步背压式路由与调度的网络效用最大化方法，该方法具体如 下：
[0059] (1)初始化迭代次数t，t= 0时刻的多跳网络的网络层队列积压β,' (〇) = 〇,数据 链路层队列积压(?
[0060] (2)在第t次迭代时，在每个源端节点1^中，根据当前节点队列积压与惩罚函数的 关系得到实时源端速率；具体包括以