本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法。

背景技術(shù)：

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是由無線路由器組成的多跳網(wǎng)絡(luò)。主要由無線路由節(jié)點、接入點和用戶節(jié)點組成。因其易于部署，成本較低等特性，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最初被開發(fā)應(yīng)用于戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等需要快速部署通信網(wǎng)絡(luò)的情景，又被應(yīng)用于解決“最后一公里”網(wǎng)絡(luò)問題。盡管無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點，但無線Mesh網(wǎng)絡(luò)對時變的業(yè)務(wù)傳輸能力較差。因此，有必要設(shè)計一種提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力的方法。

提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力具體體現(xiàn)在，在盡可能短的時間里以盡可能高的傳輸速率實現(xiàn)信息傳輸，也就是提高單位時間內(nèi)的信息傳輸速率，即吞吐率。目前已經(jīng)有很多針對Mesh網(wǎng)絡(luò)算法的研究來實現(xiàn)高效路由，這些算法大都是通過使用路由算法來尋找高吞吐率的路徑從而提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由吞吐率。然而現(xiàn)行無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由方案存在只考慮一次干擾而忽視二次干擾、只優(yōu)化了每對節(jié)點間的單一最佳路徑等不足。需要注意，一次干擾指在任何時間間隔內(nèi)，每個節(jié)點僅可以與至多一個節(jié)點通信。二次干擾指不同節(jié)點間通信產(chǎn)生的干擾。當(dāng)兩個或更多的傳輸短時間內(nèi)或同時在空間中傳輸，二次干擾發(fā)生。傳輸?shù)慕邮照呤艿搅硪粋€同時傳輸?shù)陌l(fā)送者的干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中最大化吞吐率的方法。該方法在無碰撞調(diào)度的條件下尋找提高總路由吞吐率的額外路徑，然后通過空間復(fù)用時隙來評估路由吞吐率，最終找到最大的路由吞吐率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

一種實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法，包括以下步驟：步驟一：建立無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟二：確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的無碰撞傳輸；步驟三：確定路由路徑；步驟四：基于空間復(fù)用的時隙分配；步驟五：尋找額外路徑來提高吞吐率。

進(jìn)一步根據(jù)所述實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法，步驟一中建立無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按如下步驟進(jìn)行：

(1-1)建立全向無線傳播的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，并用無向無環(huán)簡單圖G＝(R,L)表示，R是節(jié)點的集合，L是節(jié)點間路徑的集合，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均為靜態(tài)且不移動；R_i表示Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，R_i∈R；l_ij表示節(jié)點R_i到節(jié)點R_j(1≤i,j≤|R|,i≠j)間的傳輸路徑，l_ij∈L；c_ij表示l_ij的路徑容量，即該路徑單位時間內(nèi)所能傳輸?shù)男畔⒘?，也稱為傳輸速率，單位為bit/s(bps)；

(1-2)建立時隙集合T，所述無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，有k個時隙，用t₁,t₂,…,t_k表示，組成時隙集合{t₁，t₂，…，t_k}；表示節(jié)點R_j在時隙t_k內(nèi)接收到的來自節(jié)點R_i的信息，的單位為bits；

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)只有發(fā)端節(jié)點Rs可創(chuàng)建數(shù)據(jù)包，且發(fā)端節(jié)點總有數(shù)據(jù)包可傳輸，不考慮收端節(jié)點收到重復(fù)的數(shù)據(jù)包，同時假設(shè)節(jié)點使用MAC協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，則無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)為IEEE制定的802.11a/b/g，從而實現(xiàn)多速率傳輸。

進(jìn)一步根據(jù)所述實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法，步驟二中確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的無碰撞傳輸；

R_i為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，N(R_i)表示R_i的相鄰節(jié)點集合；

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在一次干擾下無碰撞傳輸，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點R_m向其相鄰節(jié)點R_n傳輸時，不再接收任何其他相鄰節(jié)點R_j傳輸?shù)男畔?，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在一次干擾下無碰撞傳輸?shù)募s束條件為：

且

其中R_j∈N(R_m)，j≠n，表示如果R_m傳輸信息至其相鄰節(jié)點R_n，R_m不能接收任何來自其他相鄰節(jié)點R_j傳輸?shù)男畔ⅲ?/p>

確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在二次干擾下無碰撞傳輸，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點R_n在接收其相鄰節(jié)點R_m的傳輸時，R_n的其他相鄰節(jié)點R_i不能同時傳輸信息，并且確保在R_n在接收R_m的傳輸時不能同時傳輸信息至R_n的其他相鄰節(jié)點R_i(i≠m)；

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在二次干擾下無碰撞傳輸?shù)募s束條件為：

表示當(dāng)R_n在接收R_m的傳輸時，那么R_n的相鄰節(jié)點，除R_m外，不能同時傳輸信息至R_n；表示當(dāng)R_n在接收R_m的傳輸時，R_n不能同時傳輸信息至其相鄰節(jié)點。

進(jìn)一步根據(jù)所述實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法，步驟三中確定路由路徑，其思想是從選擇一條路徑開始搜索，能夠到達(dá)接收端節(jié)點就采用該路徑，不能到達(dá)接收端節(jié)點就返回上一節(jié)點重新選擇其相鄰節(jié)點嘗試搜索，直至找到發(fā)端到收端的路徑；

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的發(fā)端節(jié)點R_s，從R_s開始查詢R_s的相鄰節(jié)點，如果查找到其鄰居節(jié)點是收端節(jié)點R_d；否則，選擇R_s的相鄰節(jié)點R_1x，查詢R_1x的相鄰節(jié)點，查找收端節(jié)點R_d；否則，選擇R_1x的相鄰節(jié)點R_2x，查詢R_2x的相鄰節(jié)點，查找收端節(jié)點R_d；直到查找到收端節(jié)點R_d，建立路徑L_sd；

發(fā)端節(jié)點R_s到收端節(jié)點R_d存在多條路徑，刪除不必要的路徑以減少計算成本，其中不必要的路徑指存在某一時隙，使得在該條路徑上有信息正在進(jìn)行傳輸，即若存在一條路徑，該路徑中兩節(jié)點R_i和R_j，在某一時隙t_k，使得則稱L_ij為不必要的路徑；

刪除所有不必要的路徑，組成路徑發(fā)端節(jié)點R_s到收端節(jié)點R_d的路由路徑集合L(p)。

進(jìn)一步根據(jù)所述實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法，步驟四中基于空間復(fù)用的時隙分配，以空間復(fù)用作為基礎(chǔ)，給每條路徑分配時隙，時隙集合{t₁，t₂，…，t_k}，按如下步驟進(jìn)行：

(4-1)記路徑p分配的時隙數(shù)為T_a(p)，L(t)為路徑集合L(p)中時隙分配包含第t個時隙的路徑集合，并初始化T_a(p)＝0，L(t)＝NULL，t＝1；

(4-2)所述路徑中，任選一條分配時隙數(shù)最少的路徑p₁，為其分配時隙t，即將路徑p₁作為集合L(t)的元素，同時執(zhí)行T_a(p₁)+1；

(4-3)對于已經(jīng)分配的任一時隙t，在L(p)-L(t)中，如果當(dāng)前時隙中的任一路徑p₂與路徑p₁具有相同的節(jié)點，則這兩條路徑不能分配同一時隙；如果當(dāng)前時隙中的任一路徑p₂與路徑p₁具有完全不同的節(jié)點，則這兩條路徑可以分配同一時隙，即給路徑p₂也分配時隙t，同時將路徑p₂加入L(t)，T_a(p₂)+1；

(4-4)每分配一個時隙，時隙序號t＝t+1，然后對所有路徑按照各路徑目前分配的時隙數(shù)T_a從小到大重新排序，對時隙t進(jìn)行分配，若所有路徑均分配到至少一個時隙，則結(jié)束時隙分配，否則返回步驟(4-2)，繼續(xù)分配時隙；

(4-5)將所有分配好的時隙記為T＝{t₁，t₂，…，t_t}，t≤k，按這種方法分配保證了分配到的時隙數(shù)最少，即最小。

進(jìn)一步根據(jù)所述實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法，步驟五中尋找額外路徑來提高吞吐率：

g為路徑集合L(p)中的路徑總數(shù)，f代表其中的一條路徑，c_ij(f)表示路徑f中每一條路徑的路徑容量，一條路徑的瓶頸路徑容量為min{c_ij(f)}，時隙t_k的持續(xù)時間為d(t_k)；

路徑吞吐率為所有路徑的瓶頸路徑容量之和與已分配時隙的總時間之比，即總的路徑吞吐率：

所述最小，可以得到最大化的吞吐率；

若步驟四中分配的時隙數(shù)t滿足t<k，則在步驟三中刪除的不必要路徑中查找額外路徑；若存在路徑滿足在時隙m∈(t,k]內(nèi)有f_ij,tm＝0，即在未分配的時隙內(nèi)，存在不必要路徑處于空閑狀態(tài)，則將該不必要路徑作為額外路徑；反之，則不存在額外路徑；所述分配的時隙數(shù)t＝k，則同樣不存在額外路徑；

將上述找到的額外路徑記為l(g+1)，用δ表示額外路徑l(g+1)所分配時隙的持續(xù)時間，若該額外路徑滿足加上該路徑后整體路由吞吐率比原來有增加，即：

則在已給出路徑流量的情況下，只有增加一條額外路徑l(g+1)可以使得整體路由吞吐率比原本路由吞吐率更大時，才能增加額外路徑；

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，若存在一條從發(fā)端到收端的路徑滿足使得路徑吞吐率提高，則可以添加該路徑達(dá)到吞吐率最大化。

本發(fā)明的有益效果是：

1、在預(yù)先規(guī)定好的路由路徑流的約束下，本發(fā)明在確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在一次干擾和二次干擾下無碰撞傳輸?shù)耐瑫r，可以使用回溯算法找到提高吞吐率的路由路徑。

2、時間復(fù)雜度比窮舉算法更低。

3、在尋找路徑時同時使用剪枝搜索技術(shù)，有效減少計算成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的一種實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大吞吐率方法的基本流程；

圖2是本發(fā)明所述方法步驟四中所涉及的一種時隙分配的方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明所述方案和效果作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明所述方法包括以下步驟：

步驟一：建立無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(1-1)建立全向無線傳播的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，并用無向無環(huán)簡單圖G＝(R,L)表示，R是節(jié)點的集合，L是節(jié)點間路徑的集合，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均為靜態(tài)且不移動。令R_i表示Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，R_i∈R；令l_ij表示節(jié)點R_i到節(jié)點R_j(1≤i,j≤|R|,i≠j)間的傳輸路徑，l_ij∈L；令c_ij表示l_ij的路徑容量，即該路徑單位時間內(nèi)所能傳輸?shù)男畔⒘浚卜Q為傳輸速率，單位為bit/s(bps)。

(1-2)建立時隙集合T。

所述無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，有k個時隙，用t₁,t₂,…,t_k表示，組成時隙集合{t₁，t₂，…，t_k}。用表示節(jié)點R_j在時隙t_k內(nèi)接收到的來自節(jié)點R_i的信息，的單位為bits。

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)只有發(fā)端節(jié)點Rs可創(chuàng)建數(shù)據(jù)包，且發(fā)端節(jié)點總有數(shù)據(jù)包可傳輸，不考慮收端節(jié)點收到重復(fù)的數(shù)據(jù)包，同時假設(shè)節(jié)點使用MAC協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，則無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)為IEEE制定的802.11a/b/g，從而實現(xiàn)多速率傳輸。

步驟二：確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的無碰撞傳輸。

R_i為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，N(R_i)表示R_i的相鄰節(jié)點集合。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在一次干擾下無碰撞傳輸，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點R_m向其相鄰節(jié)點R_n傳輸時，不再接收任何其他相鄰節(jié)點R_j傳輸?shù)男畔?，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在一次干擾下無碰撞傳輸?shù)募s束條件為：

且

其中R_j∈N(R_m)，j≠n，表示如果R_m傳輸信息至其相鄰節(jié)點R_n，R_m不能接收任何來自其他相鄰節(jié)點R_j傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在二次干擾下無碰撞傳輸，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點R_n在接收其相鄰節(jié)點R_m的傳輸時，R_n的其他相鄰節(jié)點R_i不能同時傳輸信息，并且確保在R_n在接收R_m的傳輸時不能同時傳輸信息至R_n的其他相鄰節(jié)點R_i(i≠m)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在二次干擾下無碰撞傳輸?shù)募s束條件為：

表示當(dāng)R_n在接收R_m的傳輸時，那么R_n的相鄰節(jié)點，除R_m外，不能同時傳輸信息至R_n；表示當(dāng)R_n在接收R_m的傳輸時，R_n不能同時傳輸信息至其相鄰節(jié)點。

步驟三：確定路由路徑。

本發(fā)明所述確定路由路徑方法，其思想是從選擇一條路徑開始嘗試搜索，能夠到達(dá)接收端節(jié)點就采用該路徑，不能到達(dá)接收端節(jié)點就返回上一節(jié)點重新選擇其相鄰節(jié)點嘗試搜索，直至找到發(fā)端到收端的路徑。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的發(fā)端節(jié)點R_s，從R_s開始查詢R_s的相鄰節(jié)點，如果查找到其鄰居節(jié)點是收端節(jié)點R_d；否則，選擇R_s的相鄰節(jié)點R_1x，查詢R_1x的相鄰節(jié)點，查找收端節(jié)點R_d；否則，選擇R_1x的相鄰節(jié)點R_2x，查詢R_2x的相鄰節(jié)點，查找收端節(jié)點R_d。如上所述，直到查找到收端節(jié)點R_d，建立路徑L_sd。

發(fā)端節(jié)點R_s到收端節(jié)點R_d存在多條路徑，同時刪除不必要的路徑以減少計算成本，其中不必要的路徑指存在某一時隙，使得在該條路徑上有信息正在進(jìn)行傳輸，若存在一條路徑，該路徑中兩節(jié)點R_i和R_j，在某一時隙t_k，使得則稱L_ij為不必要的路徑。

刪除不必要的路徑后，組成路徑發(fā)端節(jié)點R_s到收端節(jié)點R_d的路由路徑集合L(p)。

步驟四：基于空間復(fù)用的時隙分配。

本方法以空間復(fù)用作為基礎(chǔ)，具體介紹了一種時隙分配策略，給每條路徑分配時隙，時隙集合{t₁，t₂，…，t_k}。為使本方法更加清楚明白，以下結(jié)合圖2對本方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

(4-1)記路徑p分配的時隙數(shù)為T_a(p)，L(t)為路徑集合L(p)中時隙分配包含第t個時隙的路徑集合，并初始化T_a(p)＝0，L(t)＝NULL，t＝1。

(4-2)所述路徑中，任選一條分配時隙數(shù)最少的路徑p₁，為其分配時隙t，即將路徑p₁作為集合L(t)的元素，同時執(zhí)行T_a(p₁)+1；

(4-3)對于已經(jīng)分配的任一時隙t，在L(p)-L(t)中，如果當(dāng)前時隙中的任一路徑p₂與路徑p₁具有相同的節(jié)點，則這兩條路徑不能分配同一時隙；如果當(dāng)前時隙中的任一路徑p₂與路徑p₁具有完全不同的節(jié)點，則這兩條路徑可以分配同一時隙，即給路徑p₂也分配時隙t，同時將路徑p₂加入L(t)，T_a(p₂)+1。

(4-4)每分配一個時隙，時隙序號t＝t+1，然后對所有路徑按照各路徑目前分配的時隙數(shù)T_a從小到大重新排序，對時隙t進(jìn)行分配。若所有路徑均分配到至少一個時隙，則結(jié)束時隙分配，否則返回步驟(4-2)，繼續(xù)分配時隙；

(4-5)將所有分配好的時隙記為T＝{t₁，t₂，…，t_t}，t≤k，按這種方法分配保證了分配到的時隙數(shù)最少，即最小。

步驟五：尋找額外路徑來提高吞吐率。

確定總的路徑吞吐率，g為路徑集合L(p)中的路徑總數(shù)，f代表其中的一條路徑，c_ij(f)表示路徑f中每一條路徑的路徑容量。令一條路徑的瓶頸路徑容量為min{c_ij(f)}，時隙t_k的持續(xù)時間為d(t_k)。路徑吞吐率為所有路徑的瓶頸路徑容量之和與已分配時隙的總時間之比，即總的路徑吞吐率：

所述最小，因此可以得到最大化的吞吐率。

如果在步驟四中分配的時隙數(shù)t滿足t<k，則在步驟三中刪除的不必要路徑中查找額外路徑。若存在路徑滿足在時隙m∈(t,k]內(nèi)有f_ij,tm＝0，即在未分配的時隙內(nèi)，存在不必要路徑處于空閑狀態(tài)，則將該不必要路徑作為額外路徑；反之，則不存在額外路徑。

所述分配的時隙數(shù)t＝k，則同樣不存在額外路徑。

將上述找到的額外路徑記為l(g+1)，用δ表示額外路徑l(g+1)所分配時隙的持續(xù)時間。若該額外路徑滿足加上該路徑后整體路由吞吐率比原來有增加，即：

表明在已給出路徑流量的情況下，只有增加一條額外路徑l(g+1)可以使得整體路由吞吐率比原本路由吞吐率更大時，才能增加額外路徑。

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，若存在一條從發(fā)端到收端的路徑滿足使得路徑吞吐率提高，則可以添加該路徑達(dá)到吞吐率最大化。

以上僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行了描述，并不將本發(fā)明的技術(shù)方案限制于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的主要技術(shù)構(gòu)思的基礎(chǔ)上所作的任何公知變形都屬于本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)范疇，本發(fā)明具體的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書的記載為準(zhǔn)。