一種認(rèn)知無線mesh網(wǎng)絡(luò)資源分配及路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及認(rèn)知無線mesh網(wǎng)絡(luò)中對(duì)信道、無線接 口、發(fā)射功率、鏈路四種資源的動(dòng)態(tài)分配及路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦、智能家居等無線通信設(shè)備激增， 人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不斷提高，移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)從Kb級(jí)提升到Mb級(jí)，但即 使如此也無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的帶寬需求。與此同時(shí)，新的無線通信業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，如無 線局域網(wǎng)、車輛網(wǎng)絡(luò)等，而可用頻譜幾乎分配殆盡，因此，認(rèn)知無線電技術(shù)成了無線網(wǎng)絡(luò)演 進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 另外，多媒體內(nèi)容占Internet流量的比重越來越大，勢必造成網(wǎng)絡(luò)中充斥著 大量多媒體內(nèi)容的傳輸，而對(duì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)來講，頻譜的動(dòng)態(tài)變化并不適宜重復(fù)傳輸 大容量的多媒體數(shù)據(jù)。研宄發(fā)現(xiàn)（參見文獻(xiàn)：K. Wang，Z. Chen and H.Liu，Push-Based Wireless Converged Networks for Massive Multimedia Content Delivery[J],Wireless Communications，IEEE Transactions on，2014,13 (5) :2894-2905)，多媒體內(nèi)容的請(qǐng)求頻 率呈現(xiàn)齊普夫定律，即少部分內(nèi)容被頻繁請(qǐng)求，有些內(nèi)容卻很少被請(qǐng)求，根據(jù)這一規(guī)律，將 頻繁被請(qǐng)求的內(nèi)容緩存到認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將大大降低帶寬的需求。目前已經(jīng)有人開 始研宄認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的緩存機(jī)制（J. Zhao, W. Gao, Y. Wang，G. Cao, Delay-constrained caching in cognitive radio networks [C]，INF0C0M，2014)，由于緩存的存在，會(huì)產(chǎn)生請(qǐng)求 的數(shù)據(jù)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)有備份和多個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求同樣的數(shù)據(jù)兩種特殊情況，這就形成了單源多目 的和多源單目的兩種特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這兩種結(jié)構(gòu)下的路由是一個(gè)新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的路 由方式只適合靜態(tài)或變化不是太頻繁的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，動(dòng)態(tài)地分配資源以滿足用戶需求是一個(gè) 急需解決的問題。
[0004] 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，認(rèn)知無線mesh網(wǎng)絡(luò)的頻譜是動(dòng)態(tài)變化的，每個(gè)認(rèn)知無線mesh節(jié) 點(diǎn)的可用信道，可用無線接口，發(fā)射功率和路由路徑也是隨時(shí)間變化的，因而傳統(tǒng)mesh網(wǎng) 絡(luò)中只對(duì)信道構(gòu)建沖突圖的方法并不適用于認(rèn)知無線mesh網(wǎng)絡(luò)，并且現(xiàn)有的解決方案都 是樹形的路由方式，即從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)只有固定一條或兩條（另一條備用路徑）路徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] [發(fā)明目的]:本發(fā)明為了以動(dòng)態(tài)的方式解決在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中引入了緩存機(jī) 制后產(chǎn)生的資源分配及路由問題。
[0006] [技術(shù)方案]:本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到的：
[0007] 本發(fā)明采用集中式的控制方式，網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)集中式的控制器，負(fù)責(zé)收集認(rèn)知 無線mesh網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)認(rèn)知無線mesh節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息，這里的環(huán)境信息包括可用信道、可 用無線接口、可調(diào)的發(fā)射功率和鄰居節(jié)點(diǎn)?？刂破髋c認(rèn)知無線mesh節(jié)點(diǎn)之間通過公共控制 信道傳輸信息，這種控制方式可通過無線SDN (軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的框架來實(shí)現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明重點(diǎn)考慮有多媒體內(nèi)容緩存的場景，緩存的機(jī)制采取了簡單的隨機(jī)緩存， 即哪個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求該多媒體內(nèi)容，它就將其緩存，路徑中間經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行 緩存，在控制器中有一個(gè)維護(hù)各個(gè)多媒體內(nèi)容位置的映射表，在每次收到一組用戶請(qǐng)求后 (所有用戶請(qǐng)求都會(huì)通過公共控制信道傳給控制器），首先會(huì)為每個(gè)請(qǐng)求查找內(nèi)容映射表， 重定向源和目的地址，有些請(qǐng)求可能會(huì)有多個(gè)源節(jié)點(diǎn)，有些請(qǐng)求可能請(qǐng)求的是相同目的節(jié) 點(diǎn)的內(nèi)容，需要控制器做出不同的處理。
[0009] 結(jié)合緩存的特性，本發(fā)明提供了單源多目的和多源單目的兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的資源 分配算法。該算法是在控制器中實(shí)現(xiàn)的，包括三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊：四維沖突圖構(gòu)建模塊、 極大獨(dú)立集生成模塊和資源分配模塊。
[0010] 1、四維沖突圖構(gòu)建模塊。本模塊利用在控制器中得到的全網(wǎng)拓?fù)鋱D，對(duì)每個(gè)認(rèn)知 無線mesh節(jié)點(diǎn)擁有的無線接口、可用信道、功率等級(jí)和鏈路資源之間的沖突關(guān)系用圖的結(jié) 構(gòu)存儲(chǔ)在控制器中，以便其他模塊調(diào)用，值得注意的是，這個(gè)沖突圖是實(shí)時(shí)維護(hù)的，當(dāng)無線 環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，沖突圖也隨之變化，具體的構(gòu)建流程如下：
[0011] 步驟1:根據(jù)控制器中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，對(duì)圖中每條鏈路構(gòu)建信道、功率、鏈路和無線 接口的CPLR四元組，表示為（c，p，（i，j)，（s，t))，其中，認(rèn)知無線mesh節(jié)點(diǎn)i和j形成鏈 路（i，j)，c表示在鏈路（i，j)上的其中一條可用信道，P表示節(jié)點(diǎn)i選定的發(fā)射功率等級(jí)， s，t分別表示結(jié)點(diǎn)i和結(jié)點(diǎn)j處的可用無線接口，所有四元組的集合記為T = {1\，T2,...， TJ ;
[0012] 步驟2 :對(duì)步驟1產(chǎn)生的四元組判斷沖突關(guān)系，如果任意兩個(gè)元組滿足下列兩個(gè)個(gè) 條件之一，則認(rèn)為這兩個(gè)元組不能同時(shí)調(diào)度，他們之間就會(huì)產(chǎn)生一條邊：
[0013] a)兩個(gè)元組使用相同的信道，并且其中之一的鏈路處在另一個(gè)的干擾域內(nèi)，
[0014] b)兩個(gè)元組使用相同的無線接口；
[0015] 步驟3 :根據(jù)步驟2的判定關(guān)系，建立四維沖突圖G(T，L)。
[0016] 2、極大獨(dú)立集生成模塊。在一個(gè)無向圖中找一個(gè)極大獨(dú)立集已被證明是NP完全 問題，本發(fā)明采用找出一部分極大獨(dú)立集的方法，減少時(shí)間復(fù)雜度，具體步驟如下：
[0017] 步驟1 :計(jì)算最短路徑，利用寬度優(yōu)先搜索算法在全網(wǎng)拓?fù)鋱D中找出所有用戶請(qǐng) 求集合中源和目的節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的最短路徑，注意到由于寬度優(yōu)先搜索是不考慮邊的權(quán)重 的，最短路徑意味著最小跳數(shù)，一對(duì)節(jié)點(diǎn)間可能存在多條最短路徑，本發(fā)明將其記為不同的 最短路徑。沖突圖中的每條邊會(huì)計(jì)數(shù)經(jīng)過它的最短路徑條數(shù)，每增加一條，計(jì)數(shù)加1，最終每 條邊都會(huì)有一個(gè)計(jì)數(shù)值，記為E = (E1, E2, . . .，EJ，其中n為全網(wǎng)拓?fù)鋱D中鏈路的數(shù)目；
[0018] 步驟2 :將元組降序排列，本發(fā)明考慮最短路徑、信道容量和功率強(qiáng)度對(duì)一個(gè)元組 (沖突圖中的頂點(diǎn)）調(diào)度優(yōu)先順序的影響，提供了一個(gè)索引值ID來度量元組的優(yōu)先級(jí)，例如 第i個(gè)元組的計(jì)算方法為：
[0020] 其中，a，0 > 〇,〇 < a+0 < 1，是兩個(gè)指示各部分所占比重的大小，Ei、My、 Pi*別表示i元組中鏈路計(jì)數(shù)值、（x，y)鏈路上c信道的信道容量和發(fā)射功率等級(jí)的取值， ￡_士_、?_分別表示所有元組鏈路計(jì)數(shù)值、信道容量和功率等級(jí)中的最大值。各個(gè)元組的 索引值都計(jì)算出來后，將其從大到小降序排列；
[0021] 步驟3 :找出最優(yōu)調(diào)度需要的極大獨(dú)立集，從ID值最大的元組開始，找出與其獨(dú)立 的元組集合，然后按ID值依次找出包含此元組的極大獨(dú)立集，記為I = U1,12,...，IM}，結(jié) 束的條件是已找到的極大獨(dú)立集包含了所有元組；
[0022] 步驟4:檢驗(yàn)積聚干擾條件，在四維沖突圖中的干擾條件只是針對(duì)鏈路兩兩之間 的關(guān)系，這也是協(xié)議干擾模型的不能使人信服的地方，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的干擾是在物理層上檢測 信噪比的值來確定，為了使算法更符合實(shí)際環(huán)境，需要對(duì)得到的每個(gè)極大獨(dú)立集檢查積聚 干擾沖突，判斷的依據(jù)就是信干比SINR是否大于閾值P，如果小于P則需要將該節(jié)點(diǎn)從極 大獨(dú)立集中剔除，SINR的定義如下：
[0024] 其中有m-1個(gè)節(jié)點(diǎn)（除了 j本身）在同一個(gè)信道上同時(shí)以功率（P1，…，P1，… Pm)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有節(jié)點(diǎn)i是結(jié)點(diǎn)j的發(fā)送者，其余均為干擾，Gm表示鏈路（i，j)的信道增 益，rij表示在節(jié)點(diǎn)j處的加性高斯白噪聲；
[0025] 步驟5:循環(huán)步驟3和步驟4,直到所有元組都加入到某個(gè)極大獨(dú)立集。
[0026] 更進(jìn)一步，步驟3中計(jì)算一部分極大獨(dú)立集，按照如下方法得到：
[0027] 步驟2. 1 :初始化覆蓋集F = T，獨(dú)立集的集合S<t>= 0, t為按照ID降序順序選 取的元組，S < t >中每個(gè)獨(dú)立集都包含元組t ;
[0028] 步驟2.2 :在元組降序排列的序列中選取一個(gè)元組q，判斷其是否有非鄰接點(diǎn)，即 在沖突圖中沒有直接邊相連，如果沒有則把q放入S < t >集合中，并將q從覆蓋集F = T/ q中刪去，否則下一步；
[0029] 步驟2. 3:遍歷q的每個(gè)非鄰接點(diǎn)，如果能加入S<t>中，即q與S<t >的某 個(gè)獨(dú)立集能合成更大的獨(dú)立集，那么將q加入此獨(dú)立集，否則下一步；
[0030] 步驟2. 4:將q和t組成新的獨(dú)立集{q，t}放入S < t >中，并將q，t從覆蓋集F =T/{q，t}中刪去，執(zhí)行下一步；
[0031] 步驟2.5:判斷F是否為空，如果不為空?qǐng)?zhí)行步驟2. 2,否則執(zhí)行下一步；
[0032] 步驟2. 6:判斷得到的S = {S < tl >，S < t2 >，? ? ?，S < tm > }中所有獨(dú)立集 是否為極大獨(dú)立集，如果不是，增加元組使其達(dá)到極大，否則結(jié)束。