一種無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法，包括基于TDMA的無線自組網(wǎng)中的帶寬計(jì)算方法和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的帶寬分配方案；基于TDMA的無線自組網(wǎng)帶寬計(jì)算方法包括不考慮隱終端情況下的帶寬計(jì)算方法和考慮隱終端情況下的帶寬計(jì)算方法。獲得任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的可用帶寬信息，源節(jié)點(diǎn)可以選擇能夠滿足帶寬要求的到目的節(jié)點(diǎn)的路由，而且可用來決定是否允許接受一個(gè)新的連接?；跇I(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)帶寬分配機(jī)制考慮了不同業(yè)務(wù)服務(wù)需求的緊急程度，應(yīng)用靈活、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，較為可行。
【專利說明】-種無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線自組網(wǎng)中計(jì)算網(wǎng)絡(luò)帶寬、緩解擁塞并合理分配帶寬的方法，具體 包括帶寬計(jì)算方法和帶寬分配方案，特別是涉及基于時(shí)隙劃分的考慮隱終端的帶寬計(jì)算方 法和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)帶寬分配方案的設(shè)計(jì)，屬于信息網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002] 以無中心、移動(dòng)性、自組織為其顯著特性的無線自組網(wǎng)因無需依賴基站、通信電纜 等基礎(chǔ)設(shè)施而有著廣泛的應(yīng)用前景，其組網(wǎng)技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)，應(yīng)急通信、戰(zhàn)場(chǎng)信息 偵查、戰(zhàn)術(shù)通信等更是其典型應(yīng)用場(chǎng)景。無線自組網(wǎng)通常帶寬、能源等資源受限，其資源 (尤其是網(wǎng)絡(luò)帶寬）的合理分配和高效利用便成為一個(gè)非常重要的問題，而不同的應(yīng)用場(chǎng) 景又有著不同的應(yīng)用需求。
[0003] 在無線自組網(wǎng)中提供QoS支持的一個(gè)挑戰(zhàn)是了解資源的使用情況，從而可以通過 確定或統(tǒng)計(jì)的方式來預(yù)留帶寬。為了支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的Q〇S，不僅需要了解到目的節(jié)點(diǎn)的最小 時(shí)延路徑，且需要獲悉該路徑的可用帶寬。在TDMA網(wǎng)絡(luò)中，帶寬可以按照空閑時(shí)隙的數(shù)量 進(jìn)行衡量，并且保證帶寬對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而言最為關(guān)鍵。
[0004] 在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)為一條路徑的可用帶寬為該路徑上所有鏈路的最小帶寬。 但是這種帶寬計(jì)算方法在無線自組網(wǎng)中將不再適用，因?yàn)樗鼪]有考慮相鄰節(jié)點(diǎn)和隱終端的 傳輸干擾對(duì)可用信道帶寬的影響，并且節(jié)點(diǎn)一般不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。此外，許多資源管理算 法使用抽象的方式來表示資源，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)無沖突分組傳輸?shù)囊蟆?br>
[0005] 另一方面，帶寬是無線自組網(wǎng)中最重要的網(wǎng)絡(luò)資源之一，業(yè)界提出了許多合理分 配帶寬的方法。已有的帶寬分配方法可以歸結(jié)為兩種方案：靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配機(jī)制。前 者保留固定數(shù)量的帶寬供高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)使用，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)高優(yōu) 先級(jí)業(yè)務(wù)較少時(shí)將造成帶寬的很大浪費(fèi)；后者動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各種業(yè)務(wù)的帶寬共享率，在保證用 戶QoS的基礎(chǔ)上盡量提高系統(tǒng)利用率，這種方法需要某種反饋機(jī)制，特別適合于閉環(huán)控制 網(wǎng)絡(luò)，但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。也有一些文獻(xiàn)考慮了區(qū)分業(yè)務(wù)等級(jí)的帶寬分配策略，將業(yè)務(wù)分為高優(yōu) 先級(jí)業(yè)務(wù)和低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)并且進(jìn)行區(qū)別化處理。例如，在蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中賦予切換呼叫比 新呼叫更高的優(yōu)先級(jí)?，F(xiàn)有的很多方法采用基于資源分割的信道保留方案來保障高優(yōu)先級(jí) 業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，但這種方法可能會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)，而且資源分割的比例不易確定。 總之，帶寬分配的目的是使各類業(yè)務(wù)更加有效的共享網(wǎng)絡(luò)資源。評(píng)價(jià)帶寬分配和緩存管理 需要考慮以下因素：資源使用效率、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性、業(yè)務(wù)獲得的服務(wù)性能和公平性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)無線自組網(wǎng)的特點(diǎn)提出一種有效的計(jì)算帶寬、共享帶寬和 分配帶寬的方法。由于信道沖突和隱終端的存在，無線環(huán)境中的帶寬計(jì)算比有線環(huán)境中要 復(fù)雜的多，考慮到帶寬是衡量無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源使用狀況以及進(jìn)行資源管理的最佳指標(biāo) 之一，也是實(shí)施QoS路由和允許控制需要考慮的因素。本發(fā)明首先考慮基于TDMA的無線自 組網(wǎng)中的帶寬計(jì)算和分配問題，因?yàn)樵谑褂肨DM的網(wǎng)絡(luò)中，帶寬的測(cè)量比較容易，可以較 為方便地分析和討論帶寬的計(jì)算和分配問題。在基于TDMA的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，某條鏈路的 帶寬等價(jià)與該鏈路上空閑TDMA時(shí)隙的數(shù)量。分組的傳輸和調(diào)度以時(shí)隙為單位，此時(shí)帶寬的 計(jì)算和分配問題等價(jià)與可用傳輸時(shí)隙的計(jì)算和分配問題。
[0007] 然后，針對(duì)應(yīng)急通信保障需求，設(shè)計(jì)了一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)帶寬分配方 案。該方案首先為網(wǎng)絡(luò)中的不同業(yè)務(wù)類型分配相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，然后根據(jù)業(yè)務(wù)類型和系統(tǒng)可 用帶寬為其分配適當(dāng)數(shù)量的帶寬，并在帶寬不足時(shí)依據(jù)緩存容量決定是否允許其進(jìn)入系統(tǒng) 排隊(duì)。此外，考慮到自適應(yīng)業(yè)務(wù)可以通過減少分組的大小和分組發(fā)送速率來適應(yīng)系統(tǒng)帶寬 的變化。進(jìn)一步，對(duì)原有的帶寬分配機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的帶寬分配機(jī)制基于帶寬預(yù)留 和帶寬分割，并且采用帶寬搶占策略。通常每個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，但是可以通過分割時(shí)隙 來接納更多的分組，但是以犧牲業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量為前提，并且需要保證分割后的時(shí)隙仍可 以滿足分組傳輸?shù)淖钚∫蟆?br>
[0008] 技術(shù)方案：一種無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法，在共享無線信道 的無線自組網(wǎng)中，某個(gè)節(jié)點(diǎn)i的可利用帶寬的數(shù)量不僅取決于節(jié)點(diǎn)i產(chǎn)生的流量和通過節(jié) 點(diǎn)i轉(zhuǎn)發(fā)的流量，而且還依賴于和節(jié)點(diǎn)i共享信道的鄰居節(jié)點(diǎn)j產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量，因?yàn)猷従庸?jié) 點(diǎn)j的傳送將會(huì)干擾節(jié)點(diǎn)i的傳送。需要注意的是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大未使用帶寬和最大可利 用帶寬并不等同，假設(shè)Q指示節(jié)點(diǎn)i的最大帶寬或最大容量，表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的業(yè) 務(wù)流量，包括節(jié)點(diǎn)i產(chǎn)生的和轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)量，那么節(jié)點(diǎn)i處的最大未用帶寬為：
[0009]
【權(quán)利要求】
1. 一種無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法，其特征在于：包括基于TDM的 無線自組網(wǎng)中的帶寬計(jì)算方法和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的帶寬分配方案；基于TDMA的無線自組 網(wǎng)帶寬計(jì)算方法包括不考慮隱終端情況下的帶寬計(jì)算方法和考慮隱終端情況下的帶寬計(jì) 算方法； 在基于TDMA的無線自組網(wǎng)中，在不考慮隱終端的情況下，為了計(jì)算帶寬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需 要廣播自身的時(shí)隙使用情況，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到來自鄰節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙消息時(shí)，它首先通過帶寬 計(jì)算算法來計(jì)算可用時(shí)隙，而后根據(jù)自身的情況對(duì)此時(shí)隙消息進(jìn)行適當(dāng)修改并將其傳送到 鄰居節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橹挥邢噜彽墓?jié)點(diǎn)能夠聽到預(yù)約信息，并且網(wǎng)絡(luò)是多跳的，因此各個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄 的空閑時(shí)隙情況可能不同；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可用的空閑時(shí)隙是指那些沒有被該節(jié)點(diǎn)的任何鄰居節(jié) 點(diǎn)用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的時(shí)隙，將兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的公共空閑時(shí)隙數(shù)定義為鏈路帶寬， 將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以利用的空閑時(shí)隙數(shù)定義為路徑帶寬，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰，則路徑帶寬 等價(jià)于鏈路帶寬； 在考慮隱終端存在的情況下，根據(jù)發(fā)生沖突的兩條鏈路間的距離關(guān)系可以將沖突分為 主沖突和輔沖突；主沖突是直接相連的兩條鏈路發(fā)生的沖突，輔沖突是間接相連的兩條鏈 路發(fā)生的沖突；采用消除隱終端沖突的帶寬計(jì)算算法，尋找本地最大的可用帶寬，并從源到 目的節(jié)點(diǎn)逐跳迭代來計(jì)算帶寬； 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)帶寬分配方案：基于業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和特性為各類業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)分 配帶寬和緩存，具體分配方案描述如下：首先為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)適當(dāng)預(yù)留一定比例的帶寬，其 他各種等級(jí)的業(yè)務(wù)共享其余的帶寬，并且為不同的業(yè)務(wù)設(shè)置具有不同超時(shí)時(shí)間的大小不同 的緩存；當(dāng)各類業(yè)務(wù)可以利用的帶寬被占用時(shí)，各類業(yè)務(wù)進(jìn)入緩存排隊(duì)；一旦有空閑帶寬， 緩存內(nèi)具有較高優(yōu)先級(jí)且沒有超時(shí)的業(yè)務(wù)優(yōu)先占用帶寬；而對(duì)于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可以根據(jù)情 況來設(shè)置緩存，如果緩存溢出則丟棄分組。
2. 如權(quán)利要求1所述的無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法，其特征在于： 在不考慮隱終端沖突時(shí)的帶寬計(jì)算方法中，帶寬計(jì)算可以通過相鄰節(jié)點(diǎn)交換包含帶寬 信息和路由信息的路由表來實(shí)現(xiàn)；令CFS(x，y)表示鏈路（x，y)的公共空閑時(shí)隙集，CFS_bw 表示從下游節(jié)點(diǎn)的預(yù)約消息中獲得的公共空閑時(shí)隙集，distance (x，y)表示節(jié)點(diǎn)X和y之 間的鏈路跳數(shù)，floor (X)表示不大于X的最大整數(shù)；任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)X和y之間的可用帶寬 的計(jì)算方法如下所示： If distance (x,y) = lthen Bff (x,y) = CFS(x, y) Else if distance (x, y) >lthen Bff(x, y) =Min(Bff, (x, z), Bff (z, y)) 其中，BW，（x，z) = |CFS(x，z)-CFS_bw(z，y)|+floor(0.5X|CFS(x，z) Π CFS_ bw(z, y) I)； 當(dāng) I CFS_bw (z, y) I -1 CFS (x, z) _CFS_bw (z, y) I = 1 時(shí)，BW'（x, z) = 1 X I CFS (x, z) _CFS_ bw (z，y) I +floor (0· 5 X I CFS (X，z) Π CFS_bw (z，y) I) -1。
3. 如權(quán)利要求1所述的無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法，其特征在于： 考慮存在隱終端沖突時(shí)的帶寬計(jì)算方法中，尋找本地最大的可用帶寬，并從源到目的 節(jié)點(diǎn)逐跳迭代來計(jì)算帶寬，定義為鏈路（叫一ng)上用于支持路徑FPk= {nm -riM-… nk}的時(shí)隙集，注意FPk為部分路徑，F(xiàn)P°為完整路徑Ρ，ΙΑ為鏈路（叫一rig)的帶寬，即用 于鏈路（ni - riH)傳輸?shù)牟粫?huì)造成分組沖突的時(shí)隙集；
1. 如果 m = 1，=叫；
2. 如果 m =
3. 如果 m 彡 3，（Ρβ;: 2，Ρβ;: ;? = β?ν2([βκ,?υ For k = m-3to Odo (卩的 u PBt^ PBL、= BW人PB: PB匕 LB, A 路徑FPk的帶寬5iF(i^) = I /^丨+1 I ;而路徑P的端到端帶寬 BW(P)=5iF(F/5〇)=iPB'l,|； 函數(shù)BW2(IN2, INI)輸出兩個(gè)不相交的大小相同的時(shí)隙集，并且是對(duì)應(yīng)輸入集的一個(gè) 子集；函數(shù)BW3(IN3, IN2, IN1)輸出三個(gè)不相交的大小相同的時(shí)隙集；該算法實(shí)際上是在 給定源到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時(shí)隙使用的情況下，尋求源到下一跳節(jié)點(diǎn)的本地化最大帶寬的一種貪 心算法；每次迭代，部分路徑向目的節(jié)點(diǎn)前進(jìn)一跳，即從FP k到FP1-1 ;只需距離當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最 近的三段鏈路的時(shí)隙作為輸入，并且只需兩個(gè)輸出變量用于下一次迭代；由 于每次迭代所需的信息都是本地化的有限信息，算法容易分布式實(shí)現(xiàn)；此外，對(duì)每跳鏈路 (nk+1 - nk)只需計(jì)算三個(gè)時(shí)隙集，/^+1 ]尸<+-丨]Ρ5以，因?yàn)榫嚯x此鏈路兩跳以上的鏈路 不會(huì)影響該鏈路，即滿足Μ/+1 = Μ=2,〇<( - 2 ;路徑帶寬5妒(/#) =| Ρ<+1 |由距離節(jié) 點(diǎn)nk最近的三段上游鏈路決定，并且是路徑長(zhǎng)度的非增函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的無線自組網(wǎng)中用于計(jì)算帶寬和分配帶寬的方法，其特征在于： 在高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流量較大時(shí)，為了防止低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)長(zhǎng)期得不到服務(wù)，還可考慮采用 加權(quán)循環(huán)調(diào)度或允許低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)使用部分預(yù)留帶寬；預(yù)留帶寬和緩存的數(shù)量可以根據(jù)網(wǎng) 絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整； 此外，帶寬動(dòng)態(tài)分配方案中的分組優(yōu)先級(jí)可以依據(jù)分組類別和分組長(zhǎng)度的組合函數(shù)來 設(shè)置，長(zhǎng)度越短的實(shí)時(shí)分組的優(yōu)先級(jí)別越高；當(dāng)緩存溢出時(shí)，優(yōu)先丟棄低優(yōu)先級(jí)分組，對(duì)于 同一級(jí)別的分組則優(yōu)先丟棄長(zhǎng)分組；當(dāng)接入業(yè)務(wù)總量超過系統(tǒng)容限，丟失分組比較嚴(yán)重時(shí)， 啟用端口流量控制機(jī)制來予以解決。
【文檔編號(hào)】H04W72/08GK104301933SQ201410555102
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】王海濤, 宋麗華, 陳暉 , 張學(xué)平, 張國(guó)敏, 吳強(qiáng), 閆力, 許尹穎 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)