一种无线mesh网络中的负载均衡方法与流程

本发明涉及云计算技术领域，特别是涉及业务调度，以及通信网络。

背景技术：

随着无线mesh网络的应用，其结合了WLAN以及移动ad-hoc网络的优点，具有自动组网、多跳、自修复等智能优势以及传输速率高、网络容量大等特点。在传统的无线局域网中，各个终端均直接与AP建立一条无线链路来接入Internet，如果各个终端之间要互相通信，则需要通过该AP进行中继，这种结构称作单跳网络，而在无线Mesh网络中，每个Mesh节点均可同时具备接入以及路由转发功能，进行数据包的收发操作，各个Mesh节点之间可以直接通信。这种网络拓扑称作多跳网络，其具有的最大优点是：当某个节点由于负载过大而造成拥塞时，数据包可以自适应地重新路由到另一个负载较小的邻居节点进行下一步传输，依次类推，直至抵达目的节点，无线mesh网络结构如图1所示。

由于未来的通信网络是以数据业务为核心的网络，同时支持数据、语音、图像、移动多媒体、网页浏览以及移动互联接入等多种业务。由于各种不同类型的业务流汇聚到WMN中，这就要求网络承载平台具有高吞吐容量的需求，同时能够对视频、音频等实时多媒体业务提供较高的QoS保证。另外，由于频谱资源有限，无线干扰、噪声、信道衰落等因素的存在，其对WMN可靠性数据传输提出了严峻的挑战，因此针对无线Mesh网络的QoS保证问题，有必要设计高效多播传输机制，提升无线mesh网络的传输质量，实现高效的业务承载能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：通过建立最小传输时延模型和建立高性能波束形成机制，实现无线mesh网络的业务无缝顺滑迁移能力。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤，如图2所示：

A、建立最小传输时延模型；

B、建立高性能波束形成机制和路由机制。

所述步骤A中，优化模型具体为：

min{N(F_AC,ζ),ζ_total,ζ_max,ζ_average}

其中X＝{x₁,x₂,...,x_n}为决策变量，为目标函数，P_j′为迭代j的父种群，Q_j′为迭代j的子种群，V＝{v₁,v₂,...,v_N}为网络节点集合，ε与v具有相同物理意义，但v≠ε，E为链路集合，r(v),v∈V为节点v的波束数目，Src为多播树的源节点，R＝{R₁,R₂,...,R_rc}为多播多播树的目的节点，R_k为R＝{R₁,R₂,...,R_rc}中的元素，为决策变量，ζ(V_ζ,E_ζ)为多播树，为多播树节点，为多播树链路，Φ(v,v′)为链路(v,v′)的使用代价，(v,v′)为多播树ζ中节点v与v′的路径，D(v,v′)为链路(v,v′)的延迟，G_CH(V_CH,E_CH)为冲突图，CH＝{1,2,...,ch}为正交信道集合，F_CA为正交信道函数，E_r为误差变量，ζ_cost为多播树ζ的使用代价，ζ_max为多播树ζ的最大传输时延，ζ_average为多播树ζ的平均传输时延，N(F_AC,ζ)为将信道分配给ζ的链路后的冲突数，P_ζ(Src,R_k)为在多播树ζ中从多播树的源节点至R_k的路径，E_CH为包含正交信道集合CH的链路集合，(vv′,εε′)为一组正交信道。

所述步骤B中，具体为：发送端和接收端均采用MIMO系统，具体为：a.选择具有最高反馈信噪比γ_i的对应波束i和反馈信噪比仅次于γ_i的γ_j的对应波束j，波束i和j的对应波束矢量分别为w_i和w_j；b.获取γ_i与γ_j的比值其中w_k,l为天线l的波束矢量k的元素；c.获取幅角量化值，接收端的波束形成天线数目为M_t，发送端的波束形成天线数目为M_r，w_i为第i个发送天线中矢量的元素，c_j为第j个接收天线中矢量的元素，λ为波长，为转动矢量，d为邻近天线间的平均距离，x为输入量，基于波束形成的MIMO系统的输出为为具有多径效应的信道矩阵，为加性高斯白噪声矢量，为包含转动矢量信息的信道矩阵，o为具有相同维度的矩阵乘积，θ_t为发送端的离去角，θ_r为接收端的离去角，的均值为0，方差为为单位阵，基于波束形成的MIMO系统输出信噪比为

所述步骤B中，具体为：路由机制采用主路由机制和从路由机制相结合的方法，当网络处于非拥塞状态时，采用主路由机制，当网络进入拥塞状态时，采用从路由机制；主路由机制为：a.汇聚层网关对收到的业务和路由控制信息进行分类，其包括服务请求信息、回复控制信息、路由响应控制信息，并分别转至步骤b、d、e；b.判断服务请求信息的向量集合是否为向目的节点发送的信息，若是则转至步骤c，反之则存储该信息并转发，并转至步骤f；c.通过目的节点判断其是否首次收到该服务请求信息，若是则使用服务请求信息的路由响应信息缓存定时单元，并等待缓存，若缓存时间小于人工设定门限值，则对该信息进行缓存随后进行转发，并转至步骤f，反之则丢弃该信息；d.当收到回复控制信息时，将目的节点的路由信息进行更新，并判断该发送该回复控制信息的节点是否为源节点，若是则将已存储的目的节点的路由信息进行比较，反之则进行单播至路由的下一邻近节点，并转发该回复控制信息，并转至步骤f；e.删除收到的路由响应控制信息所经历的路径信息；f.向目的节点发送业务和路由控制信息。

所述步骤B中，具体为：从路由机制为：a.使用发送路由请求消息方式判断源节点至目的节点之间的物理路径是否存在；b.通过目的节点收到路由请求消息，并优先向源节点反馈路由响应信息；c.当源节点收到路由响应信息后，使用路由响应信息缓存定时单元进行计时，并对收到的所有不同的路由响应信息进行存储，并按人工设定规则进行排序，然后在确定主传输路径后，进行业务流发送；d.在路由发现阶段构建若干由源节点至目的节点的备用传输路径，并使用各可行传输路径的负载状态和跳数作为最优传输路径的评价依据，并将该最优路径作为主传输路径，其余则为备用传输路径；e.当主传输路径出现拥塞时，则切换至优先级高的有效传输路径。

附图说明

图1无线mesh网络结构示意图

图2无线mesh网络的高效多播传输流程示意图

具体实施方式

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

第一步，建立最小传输时延模型，具体为：

min{N(F_AC,ζ),ζ_total,ζ_max,ζ_average}

其中X＝{x₁,x₂,...,x_n}为决策变量，为目标函数，P_j′为迭代j的父种群，Q_j′为迭代j的子种群，V＝{v₁,v₂,...,v_N}为网络节点集合，ε与v具有相同物理意义，但v≠ε，E为链路集合，r(v),v∈V为节点v的波束数目，Src为多播树的源节点，R＝{R₁,R₂,...,R_rc}为多播多播树的目的节点，R_k为R＝{R₁,R₂,...,R_rc}中的元素，为决策变量，ζ(V_ζ,E_ζ)为多播树，为多播树节点，为多播树链路，Φ(v,v′)为链路(v,v′)的使用代价，(v,v′)为多播树ζ中节点v与v′的路径，D(v,v′)为链路(v,v′)的延迟，G_CH(V_CH,E_CH)为冲突图，CH＝{1,2,...,ch}为正交信道集合，F_CA为正交信道函数，E_r为误差变量，ζ_cost为多播树ζ的使用代价，ζ_max为多播树ζ的最大传输时延，ζ_average为多播树ζ的平均传输时延，N(F_AC,ζ)为将信道分配给ζ的链路后的冲突数，P_ζ(Src,R_k)为在多播树ζ中从多播树的源节点至R_k的路径，E_CH为包含正交信道集合CH的链路集合，(vv′,εε′)为一组正交信道。

第二步，建立高性能波束形成机制和路由机制，具体为：发送端和接收端均采用MIMO系统，具体为：a.选择具有最高反馈信噪比γ_i的对应波束i和反馈信噪比仅次于γ_i的γ_j的对应波束j，波束i和j的对应波束矢量分别为w_i和w_j；b.获取γ_i与γ_j的比值其中w_k,l为天线l的波束矢量k的元素；c.获取幅角量化值，接收端的波束形成天线数目为M_t，发送端的波束形成天线数目为M_r，w_i为第i个发送天线中矢量的元素，c_j为第j个接收天线中矢量的元素，λ为波长，为转动矢量，d为邻近天线间的平均距离，x为输入量，基于波束形成的MIMO系统的输出为为具有多径效应的信道矩阵，为加性高斯白噪声矢量，为包含转动矢量信息的信道矩阵，o为具有相同维度的矩阵乘积，θ_t为发送端的离去角，θ_r为接收端的离去角，的均值为0，方差为为单位阵，基于波束形成的MIMO系统输出信噪比为

第三步，路由机制采用主路由机制和从路由机制相结合的方法，当网络处于非拥塞状态时，采用主路由机制，当网络进入拥塞状态时，采用从路由机制；主路由机制为：a.汇聚层网关对收到的业务和路由控制信息进行分类，其包括服务请求信息、回复控制信息、路由响应控制信息，并分别转至步骤b、d、e；b.判断服务请求信息的向量集合是否为向目的节点发送的信息，若是则转至步骤c，反之则存储该信息并转发，并转至步骤f；c.通过目的节点判断其是否首次收到该服务请求信息，若是则使用服务请求信息的路由响应信息缓存定时单元，并等待缓存，若缓存时间小于人工设定门限值，则对该信息进行缓存随后进行转发，并转至步骤f，反之则丢弃该信息；d.当收到回复控制信息时，将目的节点的路由信息进行更新，并判断该发送该回复控制信息的节点是否为源节点，若是则将已存储的目的节点的路由信息进行比较，反之则进行单播至路由的下一邻近节点，并转发该回复控制信息，并转至步骤f；e.删除收到的路由响应控制信息所经历的路径信息；f.向目的节点发送业务和路由控制信息。

第四步，从路由机制为：a.使用发送路由请求消息方式判断源节点至目的节点之间的物理路径是否存在；b.通过目的节点收到路由请求消息，并优先向源节点反馈路由响应信息；c.当源节点收到路由响应信息后，使用路由响应信息缓存定时单元进行计时，并对收到的所有不同的路由响应信息进行存储，并按人工设定规则进行排序，然后在确定主传输路径后，进行业务流发送；d.在路由发现阶段构建若干由源节点至目的节点的备用传输路径，并使用各可行传输路径的负载状态和跳数作为最优传输路径的评价依据，并将该最优路径作为主传输路径，其余则为备用传输路径；e.当主传输路径出现拥塞时，则切换至优先级高的有效传输路径。

本发明提出了一种无线mesh网络的高效多播传输方法，通过建立最小传输时延模型并建立高性能波束形成机制路由机制，实现无线mesh网络的业务无缝顺滑迁移能力。