多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线Mesh网络路多速率传输领域，更具体地，设及一种多速率无线 Mesh网络路由度量与信道分配联合方法。
【背景技术】
[0002] 无线Mesh网络(Wireless Mesh Networks,WMNs)作为给用户提供Internet访问的 下一代无线宽带网络，正受到全球范围的标准化组织W及各学术研究机构的广泛关注。 WM化可W有效的解决宽带Internet网络接入的"最后一公里"问题，在部署中具有显著的成 本优势，并且灵活度高，部署后可W大范围的进行无线链路的重组。WM化由一组固定的Mesh 路由器形成无线骨干网，为无线Mesh客户端提供Internet的接入访问服务，部分Mesh路由 器作为网关，通过高速有线链路连接至Internet。
[0003] 在多信道IE邸802.11协议的网络中，每个节点可W配备多个IE邸802.11接口， 当两个相邻的接口在一个公共的信道上进行操作时，即可创建链路。IEEE 802.11提供数量 有限的非重叠信道，如IE邸802. Ila和802. Ub分别支持12个和3个互不干扰的非重叠信 道。由于有限的信道数，WMNs的部分链路可能会使用相同的信道，导致使用相同信道的链路 互相干扰，不能同时传输，限制了并行传输的数量，极大的降低了多信道WMNs网络的性能。
[0004] 现有的IE邸802.11协议中支持多速率传输的能力。例如，I邸E 802.1化协议可W 支持包括IMbps、2Mbps、5.5Mbps和1 IMbps四种数据传输速率，I邸E 802.1 Ia协议根据信道 条件支持6Mbps-54Mbps中的八种速率。在非动态系统中，如固定Mesh路由器的WMNs，无线链 路数据传输速率和两个路由器之间的距离有反比例关系。因此，如果两个路由器之间的距 离较大，通常选择W较低的速率进行传输。
[0005] 通常情况下，在基于IE邸802.11协议的WM化中，逻辑链路可W通过不同的数据速 率传输。运就意味着，部分相邻的干扰链路可能在同一信道上使用不同的数据速率进行传 输。胎Usse在2003年指出，当多种传输速率并存时，会产生"性能异常"现象，即干扰链路共 享一个公共的无线信道时，高速率的链路的容量会受到低速率链路的严重影响。运是由于 IEEE 802.11协议中链路公平竞争信道，链路在竞争获取信道时拥有均等的机会。在传输同 等的数据量时，相较于高速率链路，较低速率的链路会占用较长的信道时间，导致高速率的 链路不能充分发挥其速率优势，使网络整体性能急剧下降。目前，已有多种路由度量方法与 信道分配方法被提出来解决多速率网络环境下的传输问题。但现有的针对多速率网络路由 度量方法或信道分配方法中，并未考虑两者之间互相的影响，在路由度量后一般假设使用 外部代理确定了信道分配并且信道分配不频繁改变，而信道分配一般假设W固定网络结构 或生成树为基础进行分配，运并不能真实的体现网络的实际性能。
[0006] 综上，为缓解多信道多速率无线Mesh网络的性能异常问题，应联合路由度量与信 道分配，在路由度量过程中充分考虑网络中的节点到网关的开销情况，反映网络的路由状 况，并在路由度量的基础上，通过为不同大小的速率链路分配不同的信道，避免高速率与低 速率链路进行竞争，减轻性能异常现象影响，提升网络整体性能。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效解决多速率网络性能异常问题，实 现链路速率分离，提高网络吞吐量的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方法。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明的多速率无线Mesh网络路由度量与信道分配联合方 法的步骤如下：
[0009] 步骤1)确定多速率无线Mesh网络中的源节点到达目的节点的最短路径及对应的 转发节点和所需传输速率，得到路由度量后的多速率无线Mesh网络；
[0010] 步骤2)基于速率分离原则对步骤1)得到的路由度量后的多速率无线Mesh网络各 节点上不同速率链路进行分离，将不同速率链路分配到不同接口上，使各节点吞吐量权值 最大化;对于其中任意节点i吞吐量权值最大化步骤如下：
[0011] (1)网络中的传输节点i有3个接口 mo、mi、m2，将节点i上的链路移入目标接口设为 接口mi;
[0012] (2)将连接到节点i的所有链路按照传输所需的预估时间T值的递增顺序进行排 序，若连接到节点i的链路数为偶数，则将链路按照序列顺序从中间分开为数量相等的高速 率与低速率两部分，若连接到节点i的链路数为奇数，则将处于中间的链路分配到高速率部 分当中；将排序后高速率部分的链路分配给接口 m日，低速率部分的链路分配给接口 m2;对于 当前的链路分配情况，计算出当前的节点i吞吐量权值；
[0013] (3)将mo接口队列中按照排序序列T值最高的链路暂时从接口mo移动到目标接口 mi，并计算链路重分配后的节点i新的吞吐量权值;如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权 值大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路永久的与接口mi绑定，将节点i吞吐量权值 更新；如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值小，那么将此链路移回接口 mo,节点吞吐量 权值不变;逐次将m日接口队列中T值最高的链路移动到目标接口mi并重复上述步骤;直至移 动到mo接口上的链路不使节点i的吞吐量权值产生新的增益为止，将此时移动的链路移回 原接口 mo，m日接口链路分配结束；
[0014] (4)将m2接口队列中按照排序序列T值最低的链路暂时从接口 m2移动到目标接口 mi，并计算当前链路重分配后节点i的新的吞吐量权值;如果新的吞吐量权值比之前的吞吐 量权值更大，即吞吐量权值获得了增益，那么将此链路永久的与接口 mi绑定，将节点i吞吐 量权值更新，如果新的吞吐量权值比之前的吞吐量权值小，那么将此链路移回接口 mi，节点 i吞吐量权值不变;逐次将m2接口队列中T值最高的链路移动到目标接口 mi并重复上述步骤， 直至移动到m2接口上的链路不使节点i的吞吐量权值产生新的增益为止，将此时移动的链 路移回原接口 m2，m2接口链路分配结束;节点i的链路分配结束；
[0015] 其中路由度量后的多速率无线Mesh网络中任意节点i的吞吐量权值Si的确定方法 如下：
[0016] 首先根据式(5)、式(6)、式(7)计算节点i的链路速率偏差Vi:
[0020] 式中:m为节点i上的接口； Vm为节点i的接口 m上链路速率偏差，Mi是节点i上接口的 集合；1为接口 m上的链路，Lm为接口 m上的链路数，Cm为接口 m上链路的集合;Tl为节点i的接 口 m上链路1传输所需的预估时间，Si是节点i的接口 m上链路1传输的数据包大小，ri是节点i 的接口 m上链路1传输时所使用的速率；
[0021] 根据式(9)求得节点i的化in公平性指数J(i)为：
[0023] 式中:m为节点i上的接口；Lm为接口 m上的链路数，D为节点i的接口数；
[0024] 根据式（10)求得节点i的吞吐量权值Si:
[0025] Si = ViXJ(I) (10)
[0026] 式中：Vi是式(5)得出的节点i链路速率偏差;J(i)是式(9)得出的节点i的化in公 平性指数；
[0027] 步骤3)在步骤2)的基础上，W节点上的接口为单位，进行信道分配。
[0028] 所述步骤1)中在多速率网络环境下，采取从目的节点逆向找路的方式，进行多速 率最短路径路由度量，通过计算不同条件下源节点到目的节点的路径开销，获取源节点路 径的最小开销，得到源节点到达目的节点的最短路径，并得出转发节点和所需传输速率;步 骤如下：
[0029] (1)给定网络图G=(V，E)，V是非空的由有限个节点所构成的集合，E是由节点对组 成的边的集合;R为网络可用传输速率的集合;节点d为目的节点;将节点集V分为两组:置定 节点集Gp和未置定节点集Gu,Gu = G-Gp,其中Gp内的所有置定节点，是已完成最短路径的计算 的节点，Gu内的节点是未置定节点；
[0030] (2)调整各未置定节点的最短路径:对Gu中的任一节点x，xeGu，将Gp中的所有可连 接的节点作为其转发节点，对每种速率rER，依次计算从节点X使用速率r连接到Gp中各置 定节点的路径开销;若节点X新计算出的路径开销小于上次计算的路径开销值，则更新节点 X的路径开销Wx、转发节点Fx和传输速率Rx,否则该节点的路径开销、转发节点和传输速率均 不变，直至遍历所有Gp中的可连接转发节点和可用传输速率为止，获得节点X的最小路径开 销Wx、转发节点Fx和传输速率Rx;无法使用任一速率r通过置定节点集Gp中的节点作为转发 节点连接到目的节点d的节点，路径开销为无穷大;Gu中所有节点获得最小路径开销后，对 未置定节点集Gu中所有参与计算的节点x，xeGu，选出其中拥有最小路径开销的节点i，确定 节点i的路径开销Wi,并确定此时节点i的转发节点Fi与所使用的传输速率Ri,之后将i划归 到Gp中；在更替的过程中，需要总保持从目的节点d到Gp中各节点的最小路径开销不大于从 目的节点d到Gu中任何节点的最小路径开销；
[0031] (3)重复步骤（2)，至Gu最终成为空集时，即求得所有节点到目的节点d的最短路 径。
[0032] 所述步骤3)中，W节点上的接口为单位，进行信道分配的方法如下：
[0033] 首先从目的节点开始，根据到达目的节点的跳数多少依次进行信道分配，到达目 的节点跳数少的节点优先进行信道分配;对任一节点i上的接口 m分配信道时，取节点2跳或 3跳范围内的邻居节点为干扰节点，干扰节点上的传输链路为干扰链路，根据式（11)，分别 求在各可用信道上节点接口上链路传输所需的预估时间；
[0035] 式中是节点i上的接口m分配信道k时接口m上的链路传输所需的预估时 间；巧是节点i上的接口m分配信道k时，在无干扰节点条件下，接口m上的链路Im传输的预估 时间，S ^为此条件下接口m上所有链路传