一种认知无线mesh网络资源分配及路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于认知无线电网络领域，特别涉及认知无线mesh网络中对信道、无线接 口、发射功率、链路四种资源的动态分配及路由方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展，智能手机、平板电脑、智能家居等无线通信设备激增， 人们对数据传输速率的要求不断提高，移动通信的数据速率已经从Kb级提升到Mb级，但即 使如此也无法满足人们日益增长的带宽需求。与此同时，新的无线通信业务不断涌现，如无 线局域网、车辆网络等，而可用频谱几乎分配殆尽，因此，认知无线电技术成了无线网络演 进的关键技术。
[0003] 另外，多媒体内容占Internet流量的比重越来越大，势必造成网络中充斥着 大量多媒体内容的传输，而对认知无线电网络来讲，频谱的动态变化并不适宜重复传输 大容量的多媒体数据。研宄发现（参见文献：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)，多媒体内容的请求频 率呈现齐普夫定律，即少部分内容被频繁请求，有些内容却很少被请求，根据这一规律，将 频繁被请求的内容缓存到认知无线电网络节点将大大降低带宽的需求。目前已经有人开 始研宄认知无线电网络中的缓存机制（J. Zhao, W. Gao, Y. Wang，G. Cao, Delay-constrained caching in cognitive radio networks [C]，INF0C0M，2014)，由于缓存的存在，会产生请求 的数据在多个节点有备份和多个节点请求同样的数据两种特殊情况，这就形成了单源多目 的和多源单目的两种特殊的网络结构，在这两种结构下的路由是一个新的挑战，传统的路 由方式只适合静态或变化不是太频繁的网络环境，动态地分配资源以满足用户需求是一个 急需解决的问题。
[0004] 与传统网络不同，认知无线mesh网络的频谱是动态变化的，每个认知无线mesh节 点的可用信道，可用无线接口，发射功率和路由路径也是随时间变化的，因而传统mesh网 络中只对信道构建冲突图的方法并不适用于认知无线mesh网络，并且现有的解决方案都 是树形的路由方式，即从源节点到目的节点只有固定一条或两条（另一条备用路径）路径。
【发明内容】
[0005] [发明目的]:本发明为了以动态的方式解决在认知无线电网络中引入了缓存机 制后产生的资源分配及路由问题。
[0006] [技术方案]:本发明的目的是通过如下措施来达到的：
[0007] 本发明采用集中式的控制方式，网络中存在一个集中式的控制器，负责收集认知 无线mesh网络中各个认知无线mesh节点的环境信息，这里的环境信息包括可用信道、可 用无线接口、可调的发射功率和邻居节点。控制器与认知无线mesh节点之间通过公共控制 信道传输信息，这种控制方式可通过无线SDN (软件定义网络）的框架来实现。
[0008] 本发明重点考虑有多媒体内容缓存的场景，缓存的机制采取了简单的随机缓存， 即哪个节点请求该多媒体内容，它就将其缓存，路径中间经过的节点只负责转发，不进行 缓存，在控制器中有一个维护各个多媒体内容位置的映射表，在每次收到一组用户请求后 (所有用户请求都会通过公共控制信道传给控制器），首先会为每个请求查找内容映射表， 重定向源和目的地址，有些请求可能会有多个源节点，有些请求可能请求的是相同目的节 点的内容，需要控制器做出不同的处理。
[0009] 结合缓存的特性，本发明提供了单源多目的和多源单目的两种网络结构下的资源 分配算法。该算法是在控制器中实现的，包括三个相对独立的模块：四维冲突图构建模块、 极大独立集生成模块和资源分配模块。
[0010] 1、四维冲突图构建模块。本模块利用在控制器中得到的全网拓扑图，对每个认知 无线mesh节点拥有的无线接口、可用信道、功率等级和链路资源之间的冲突关系用图的结 构存储在控制器中，以便其他模块调用，值得注意的是，这个冲突图是实时维护的，当无线 环境发生变化时，冲突图也随之变化，具体的构建流程如下：
[0011] 步骤1:根据控制器中网络拓扑图，对图中每条链路构建信道、功率、链路和无线 接口的CPLR四元组，表示为（c，p，（i，j)，（s，t))，其中，认知无线mesh节点i和j形成链 路（i，j)，c表示在链路（i，j)上的其中一条可用信道，P表示节点i选定的发射功率等级， s，t分别表示结点i和结点j处的可用无线接口，所有四元组的集合记为T = {1\，T2,...， TJ ;
[0012] 步骤2 :对步骤1产生的四元组判断冲突关系，如果任意两个元组满足下列两个个 条件之一，则认为这两个元组不能同时调度，他们之间就会产生一条边：
[0013] a)两个元组使用相同的信道，并且其中之一的链路处在另一个的干扰域内，
[0014] b)两个元组使用相同的无线接口；
[0015] 步骤3 :根据步骤2的判定关系，建立四维冲突图G(T，L)。
[0016] 2、极大独立集生成模块。在一个无向图中找一个极大独立集已被证明是NP完全 问题，本发明采用找出一部分极大独立集的方法，减少时间复杂度，具体步骤如下：
[0017] 步骤1 :计算最短路径，利用宽度优先搜索算法在全网拓扑图中找出所有用户请 求集合中源和目的节点对之间的最短路径，注意到由于宽度优先搜索是不考虑边的权重 的，最短路径意味着最小跳数，一对节点间可能存在多条最短路径，本发明将其记为不同的 最短路径。冲突图中的每条边会计数经过它的最短路径条数，每增加一条，计数加1，最终每 条边都会有一个计数值，记为E = (E1, E2, . . .，EJ，其中n为全网拓扑图中链路的数目；
[0018] 步骤2 :将元组降序排列，本发明考虑最短路径、信道容量和功率强度对一个元组 (冲突图中的顶点）调度优先顺序的影响，提供了一个索引值ID来度量元组的优先级，例如 第i个元组的计算方法为：
[0020] 其中，a，0 > 〇,〇 < a+0 < 1，是两个指示各部分所占比重的大小，Ei、My、 Pi*别表示i元组中链路计数值、（x，y)链路上c信道的信道容量和发射功率等级的取值， ￡_士_、?_分别表示所有元组链路计数值、信道容量和功率等级中的最大值。各个元组的 索引值都计算出来后，将其从大到小降序排列；
[0021] 步骤3 :找出最优调度需要的极大独立集，从ID值最大的元组开始，找出与其独立 的元组集合，然后按ID值依次找出包含此元组的极大独立集，记为I = U1,12,...，IM}，结 束的条件是已找到的极大独立集包含了所有元组；
[0022] 步骤4:检验积聚干扰条件，在四维冲突图中的干扰条件只是针对链路两两之间 的关系，这也是协议干扰模型的不能使人信服的地方，实际网络的干扰是在物理层上检测 信噪比的值来确定，为了使算法更符合实际环境，需要对得到的每个极大独立集检查积聚 干扰冲突，判断的依据就是信干比SINR是否大于阈值P，如果小于P则需要将该节点从极 大独立集中剔除，SINR的定义如下：
[0024] 其中有m-1个节点（除了 j本身）在同一个信道上同时以功率（P1，…，P1，… Pm)发送数据，只有节点i是结点j的发送者，其余均为干扰，Gm表示链路（i，j)的信道增 益，rij表示在节点j处的加性高斯白噪声；
[0025] 步骤5:循环步骤3和步骤4,直到所有元组都加入到某个极大独立集。
[0026] 更进一步，步骤3中计算一部分极大独立集，按照如下方法得到：
[0027] 步骤2. 1 :初始化覆盖集F = T，独立集的集合S<t>= 0, t为按照ID降序顺序选 取的元组，S < t >中每个独立集都包含元组t ;
[0028] 步骤2.2 :在元组降序排列的序列中选取一个元组q，判断其是否有非邻接点，即 在冲突图中没有直接边相连，如果没有则把q放入S < t >集合中，并将q从覆盖集F = T/ q中删去，否则下一步；
[0029] 步骤2. 3:遍历q的每个非邻接点，如果能加入S<t>中，即q与S<t >的某 个独立集能合成更大的独立集，那么将q加入此独立集，否则下一步；
[0030] 步骤2. 4:将q和t组成新的独立集{q，t}放入S < t >中，并将q，t从覆盖集F =T/{q，t}中删去，执行下一步；
[0031] 步骤2.5:判断F是否为空，如果不为空执行步骤2. 2,否则执行下一步；
[0032] 步骤2. 6:判断得到的S = {S < tl >，S < t2 >，? ? ?，S < tm > }中所有独立集 是否为极大独立集，如果不是，增加元组使其达到极大，否则结束。