一種無線自組網(wǎng)中用于計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)中的帶寬計算方法和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的帶寬分配方案；基于TDMA的無線自組網(wǎng)帶寬計算方法包括不考慮隱終端情況下的帶寬計算方法和考慮隱終端情況下的帶寬計算方法。獲得任意兩個節(jié)點間的可用帶寬信息，源節(jié)點可以選擇能夠滿足帶寬要求的到目的節(jié)點的路由，而且可用來決定是否允許接受一個新的連接。基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的自適應(yīng)帶寬分配機制考慮了不同業(yè)務(wù)服務(wù)需求的緊急程度，應(yīng)用靈活、實現(xiàn)簡單，較為可行。
【專利說明】-種無線自組網(wǎng)中用于計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 包括帶寬計算方法和帶寬分配方案，特別是涉及基于時隙劃分的考慮隱終端的帶寬計算方 法和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的自適應(yīng)帶寬分配方案的設(shè)計，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，應(yīng)急通信、戰(zhàn)場信息 偵查、戰(zhàn)術(shù)通信等更是其典型應(yīng)用場景。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非常重要的問題，而不同的應(yīng)用場 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)計的方式來預(yù)留帶寬。為了支持實時業(yè)務(wù)的Q〇S，不僅需要了解到目的節(jié)點的最小 時延路徑，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隙的數(shù)量 進行衡量，并且保證帶寬對于實時業(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。 但是這種帶寬計算方法在無線自組網(wǎng)中將不再適用，因為它沒有考慮相鄰節(jié)點和隱終端的 傳輸干擾對可用信道帶寬的影響，并且節(jié)點一般不能同時收發(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)分配和動態(tài)分配機制。前 者保留固定數(shù)量的帶寬供高優(yōu)先級業(yè)務(wù)使用，這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，缺點是當高優(yōu) 先級業(yè)務(wù)較少時將造成帶寬的很大浪費；后者動態(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制，特別適合于閉環(huán)控制 網(wǎng)絡(luò)，但實現(xiàn)較復(fù)雜。也有一些文獻考慮了區(qū)分業(yè)務(wù)等級的帶寬分配策略，將業(yè)務(wù)分為高優(yōu) 先級業(yè)務(wù)和低優(yōu)先級業(yè)務(wù)并且進行區(qū)別化處理。例如，在蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)中賦予切換呼叫比 新呼叫更高的優(yōu)先級。現(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 業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，但這種方法可能會造成資源的巨大浪費，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。評價帶寬分配和緩存管理 需要考慮以下因素：資源使用效率、實現(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)明針對無線自組網(wǎng)的特點提出一種有效的計算帶寬、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行資源管理的最佳指標 之一，也是實施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)中的帶寬計算和分配問題，因為在使用TDM的網(wǎng)絡(luò)中，帶寬的測量比較容易，可以較 為方便地分析和討論帶寬的計算和分配問題。在基于TDMA的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，某條鏈路的 帶寬等價與該鏈路上空閑TDMA時隙的數(shù)量。分組的傳輸和調(diào)度以時隙為單位，此時帶寬的 計算和分配問題等價與可用傳輸時隙的計算和分配問題。
[0007] 然后，針對應(yīng)急通信保障需求，設(shè)計了一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的自適應(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，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數(shù)量的帶寬，并在帶寬不足時依據(jù)緩存容量決定是否允許其進入系統(tǒng) 排隊。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。進一步，對原有的帶寬分配機制進行了改進，改進后的帶寬分配機制基于帶寬預(yù)留 和帶寬分割，并且采用帶寬搶占策略。通常每個分組占用一個時隙，但是可以通過分割時隙 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，某個節(jié)點i的可利用帶寬的數(shù)量不僅取決于節(jié)點i產(chǎn)生的流量和通過節(jié) 點i轉(zhuǎn)發(fā)的流量，而且還依賴于和節(jié)點i共享信道的鄰居節(jié)點j產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量，因為鄰居節(jié) 點j的傳送將會干擾節(jié)點i的傳送。需要注意的是一個節(jié)點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i的最大帶寬或最大容量，表示節(jié)點i到節(jié)點j的業(yè) 務(wù)流量，包括節(jié)點i產(chǎn)生的和轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)量，那么節(jié)點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)中的帶寬計算方法和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的帶寬分配方案；基于TDMA的無線自組 網(wǎng)帶寬計算方法包括不考慮隱終端情況下的帶寬計算方法和考慮隱終端情況下的帶寬計 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，為了計算帶寬，每個節(jié)點需 要廣播自身的時隙使用情況，當一個節(jié)點收到來自鄰節(jié)點的時隙消息時，它首先通過帶寬 計算算法來計算可用時隙，而后根據(jù)自身的情況對此時隙消息進行適當修改并將其傳送到 鄰居節(jié)點，因為只有相鄰的節(jié)點能夠聽到預(yù)約信息，并且網(wǎng)絡(luò)是多跳的，因此各個節(jié)點記錄 的空閑時隙情況可能不同；一個節(jié)點可用的空閑時隙是指那些沒有被該節(jié)點的任何鄰居節(jié) 點用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的時隙，將兩個相鄰節(jié)點之間的公共空閑時隙數(shù)定義為鏈路帶寬， 將兩個節(jié)點之間可以利用的空閑時隙數(shù)定義為路徑帶寬，如果兩個節(jié)點相鄰，則路徑帶寬 等價于鏈路帶寬； 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算算法，尋找本地最大的可用帶寬，并從源到 目的節(jié)點逐跳迭代來計算帶寬； 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的自適應(yīng)帶寬分配方案：基于業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和特性為各類業(yè)務(wù)動態(tài)分 配帶寬和緩存，具體分配方案描述如下：首先為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)適當預(yù)留一定比例的帶寬，其 他各種等級的業(yè)務(wù)共享其余的帶寬，并且為不同的業(yè)務(wù)設(shè)置具有不同超時時間的大小不同 的緩存；當各類業(yè)務(wù)可以利用的帶寬被占用時，各類業(yè)務(wù)進入緩存排隊；一旦有空閑帶寬， 緩存內(nèi)具有較高優(yōu)先級且沒有超時的業(yè)務(wù)優(yōu)先占用帶寬；而對于低優(yōu)先級業(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的帶寬計算方法中，帶寬計算可以通過相鄰節(jié)點交換包含帶寬 信息和路由信息的路由表來實現(xiàn)；令CFS(x，y)表示鏈路（x，y)的公共空閑時隙集，CFS_bw 表示從下游節(jié)點的預(yù)約消息中獲得的公共空閑時隙集，distance (x，y)表示節(jié)點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)；任意兩個節(jié)點X和y之間的可用帶寬 的計算方法如下所示： 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 I CFS_bw (z, y) I -1 CFS (x, z) _CFS_bw (z, y) I = 1 時，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的帶寬計算方法中，尋找本地最大的可用帶寬，并從源到目的 節(jié)點逐跳迭代來計算帶寬，定義為鏈路（叫一ng)上用于支持路徑FPk= {nm -riM-… nk}的時隙集，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斐煞纸M沖突的時隙集；
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)輸出兩個不相交的大小相同的時隙集，并且是對應(yīng)輸入集的一個 子集；函數(shù)BW3(IN3, IN2, IN1)輸出三個不相交的大小相同的時隙集；該算法實際上是在 給定源到當前節(jié)點時隙使用的情況下，尋求源到下一跳節(jié)點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)點前進一跳，即從FP k到FP1-1 ;只需距離當前節(jié)點最 近的三段鏈路的時隙作為輸入，并且只需兩個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，算法容易分布式實現(xiàn)；此外，對每跳鏈路 (nk+1 - nk)只需計算三個時隙集，/^+1 ]尸<+-丨]Ρ5以，因為距離此鏈路兩跳以上的鏈路 不會影響該鏈路，即滿足Μ/+1 = Μ=2,〇<( - 2 ;路徑帶寬5妒(/#) =| Ρ<+1 |由距離節(jié) 點nk最近的三段上游鏈路決定，并且是路徑長度的非增函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的無線自組網(wǎng)中用于計算帶寬和分配帶寬的方法，其特征在于： 在高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流量較大時，為了防止低優(yōu)先級業(yè)務(wù)長期得不到服務(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)狀況動態(tài)調(diào)整； 此外，帶寬動態(tài)分配方案中的分組優(yōu)先級可以依據(jù)分組類別和分組長度的組合函數(shù)來 設(shè)置，長度越短的實時分組的優(yōu)先級別越高；當緩存溢出時，優(yōu)先丟棄低優(yōu)先級分組，對于 同一級別的分組則優(yōu)先丟棄長分組；當接入業(yè)務(wù)總量超過系統(tǒng)容限，丟失分組比較嚴重時， 啟用端口流量控制機制來予以解決。
【文檔編號】H04W72/08GK104301933SQ201410555102
【公開日】2015年1月21日 申請日期: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, 張國敏, 吳強, 閆力, 許尹穎 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)