專利名稱：一種無線AdHoc網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)源資源分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信領域，尤其涉及無線Ad Hoc網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)源資源分配方法。
背景技術：
進入二十一世紀，伴隨著全球信息化和數(shù)字化進程的逐步深入，無線網(wǎng)絡技術獲 得了迅猛發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術承載的各種多媒體業(yè)務類型已深入到社會生活的各個方面， 擴展了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡應用模式。高效的音視頻壓縮格式、價格低廉的高清網(wǎng)絡攝像頭和靈活 組網(wǎng)的Ad Hoc網(wǎng)絡，延展了人們可視、可聽、可控場景，為現(xiàn)場新聞發(fā)布會、安防監(jiān)控等新興 應用提供了必要的基礎。因此，如何提高網(wǎng)絡服務模式對新興應用的支持越來越受到廣泛 重視。
Carnegie Mellon大學的研究者1999年，首次提出網(wǎng)絡提供服務的源節(jié)點之間存 在依賴關系，需要對各應用資源進行整體規(guī)劃，提高網(wǎng)絡利用效率。并指出存在一些復雜的 網(wǎng)絡應用依賴提供服務的多個源節(jié)點之間相互協(xié)作，但目前缺乏相應的網(wǎng)絡服務模式。并 定義任務是需要多個網(wǎng)絡節(jié)點聯(lián)合協(xié)作的復雜應用。例如不同位置的網(wǎng)絡攝像頭依據(jù)空 間相關性“拼接”合成一幅完整的監(jiān)控畫面對一個監(jiān)控區(qū)域聯(lián)合進行監(jiān)控的場景，如圖1所 示。S1、S2、S3和S4都是提供服務的源節(jié)點，其中Sl和S2是攝像頭，S3是雷達，S4是麥克 風。M1、M2和M3是不同需求的監(jiān)控，通過Ad Hoc網(wǎng)絡中的無線節(jié)點取得服務。多攝像頭 聯(lián)合工作，克服單一攝像頭取景空間局限性，擴展目標監(jiān)控范圍，提高監(jiān)控任務質量。視覺認知心理學研究發(fā)現(xiàn)，整體圖像主觀質量取決于畫面質量最低的部分。圖像 整體質量與圖像分塊之間存在一定約束關系，因此，對存在多數(shù)據(jù)源聯(lián)合協(xié)作工作的網(wǎng)絡， 需要具備相應的網(wǎng)絡服務方式，保證任務完成的質量。協(xié)作的概念受到越來越多的重視，協(xié)作的思想與網(wǎng)絡朝著自組織、自調節(jié)、自動 化、智能化的方向發(fā)展相吻合，越來越受到研究界的重視。對多數(shù)據(jù)流聯(lián)合協(xié)作關系的研究一直延續(xù)到二十一世紀初才有進一步的發(fā)展，原 因主要有2個方面，第一，多數(shù)據(jù)協(xié)作優(yōu)化是NP難問題；第二，網(wǎng)絡設備及音視頻采集處理 單元仍比較昂貴。隨著各種設備價格越來越低、體積越來越小，自組織無線Ad Hoc網(wǎng)絡滿 足了需要靈活組網(wǎng)的多數(shù)據(jù)源聯(lián)合協(xié)作的任務要求。對基于任務協(xié)作的Ad Hoc網(wǎng)絡服務 模式的研究引起了國內外多家研究機構的重視。2008年，賓夕法尼亞州立大學和IBM研究院[3]首次給出基于任務協(xié)作無線Ad Hoc網(wǎng)絡帶寬資源分配模式。2009年至2010年針對多節(jié)點協(xié)作任務在應用過程一些特定 場景，出現(xiàn)了一系列研究成果。但這些技術都沒有進一步分析當各數(shù)據(jù)源與任務之間的存 在依賴關系如何提高任務質量。但是，隨著網(wǎng)絡任務的復雜化，任務同時需要多個無線節(jié)點 數(shù)據(jù)流協(xié)同工作，各數(shù)據(jù)源共同決定協(xié)作任務用戶的感官質量。在現(xiàn)有網(wǎng)絡控制機制下，各 數(shù)據(jù)流帶寬之間的平衡關系容易被外界打破，部分數(shù)據(jù)流帶寬缺失造成整個任務質量下降 或失敗，成為制約網(wǎng)絡服務質量提高的重要因素之一。因此，優(yōu)化多數(shù)據(jù)源聯(lián)合協(xié)作的Ad Hoc網(wǎng)絡控制機制的任務亟待進行。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是一種面向多數(shù)據(jù)源聯(lián)合協(xié)作的無線Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu) 資源分配技術，用于提高存在協(xié)作關系的多數(shù)據(jù)源任務質量，和提供系統(tǒng)最優(yōu)的資源分配方案。本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種無線Ad Hoc網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)源資源分配方法，從 作為發(fā)送端的多個源節(jié)點分別向同一個作為接收端的任務目的節(jié)點發(fā)送探測包，獲得一個 從發(fā)送端到接收端的雙向數(shù)據(jù)鏈路，以及該鏈路途經(jīng)的所有干擾區(qū)域；在每個源節(jié)點設置 一個數(shù)據(jù)源節(jié)點調節(jié)單元，在每個干擾區(qū)域設置一個干擾區(qū)域計算單元，在任務目的節(jié)點 設置目的節(jié)點反饋單元；在該雙向數(shù)據(jù)鏈路中，每一輪數(shù)據(jù)包傳輸包括從各個源 節(jié)點分別 向任務目的節(jié)點發(fā)出前向數(shù)據(jù)包、從任務目的節(jié)點向各個源節(jié)點分布發(fā)出反向數(shù)據(jù)包，每 當進行一輪數(shù)據(jù)包傳輸時進行以下步驟，當前向數(shù)據(jù)包進入某個干擾區(qū)域時，由該干擾區(qū)域的干擾區(qū)域計算單元進行以下 處理，步驟1. 1，獲得干擾區(qū)域內的各前向數(shù)據(jù)包內的分級子流帶寬大小和效用值；步驟1. 2，根據(jù)干擾區(qū)域支持的服務速率，按照單位資源效用從大到小的順序給分 級子流分配帶寬資源，直至干擾區(qū)域內的資源分配完畢，所述單位資源效用通過步驟1.1 所得分級子流帶寬大小和效用值得到；步驟1. 3，統(tǒng)計所有源節(jié)點分別提供的數(shù)據(jù)流在干擾區(qū)域內分配得到的帶寬資源 等級，把其填入到前向數(shù)據(jù)包；當前向數(shù)據(jù)包到達任務目的節(jié)點后，由任務目的節(jié)點反饋單元進行以下步驟，步驟2. 1，根據(jù)任務完成質量，選出帶寬資源等級尚不滿足但按目前網(wǎng)絡條件最易 達到的任務等級，作為本輪中待調整任務等級；步驟2. 2，確定待調整任務等級內各數(shù)據(jù)流實際帶寬與期望帶寬的偏差，把偏差調 整方向和待調整任務等級的級數(shù)填入到反向數(shù)據(jù)包，并將反向數(shù)據(jù)包沿前向數(shù)據(jù)包的傳輸 路徑反向發(fā)回；當反向數(shù)據(jù)包抵達源節(jié)點時，由數(shù)據(jù)流源節(jié)點調節(jié)單元進行以下處理；步驟3. 1，從反向數(shù)據(jù)包中，獲得偏差調整方向和待調整任務等級的級數(shù)；根據(jù)偏 差調整方向和對應的待調整任務等級執(zhí)行動態(tài)調整資源效用函數(shù)，對資源效用函數(shù)的調整 包括增加帶寬、減少帶寬和保持帶寬；步驟3. 2，更新保存新的帶寬資源和資源效用函數(shù)數(shù)值；步驟3. 3，把新的帶寬資源和資源效用函數(shù)數(shù)值填入待發(fā)送的前向數(shù)據(jù)包，按照收 到的反向數(shù)據(jù)包的任務等級確定本輪的發(fā)送速率。本發(fā)明有以下優(yōu)點首先，本發(fā)明引入了任務質量的評價參數(shù)，并納入帶無線Ad Hoc網(wǎng)絡最優(yōu)分配模 型中，時能資源分配模型能夠描述構成任務的各數(shù)據(jù)流之間的依賴關系。其次，本發(fā)明特別適用于以多數(shù)據(jù)流相互協(xié)作構成的網(wǎng)絡應用，可以提高網(wǎng)絡資 源有效利用率。最后，本發(fā)明不依賴集中控制單元，網(wǎng)絡優(yōu)化的過程完全是分布式處理的，符合AdHoc網(wǎng)絡的特性，具有自動彈性自適應各種大小網(wǎng)絡規(guī)模的優(yōu)勢。


圖1為多數(shù)據(jù)源傳輸示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結構原理圖；圖3為本發(fā)明實施例的工作流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明為了實現(xiàn)高性能的無線Ad Hoc網(wǎng)絡資源規(guī)劃，針對多數(shù)源聯(lián)合協(xié)作組成任務的網(wǎng)絡應用，提供技術方案使帶寬資源分配結果同時滿足提高任務質量和網(wǎng)絡利用率最 優(yōu)。目前，資源分配的最新方法主要依靠資源_效用函數(shù)描述應用對資源分配的滿意 度，再通過求解非線性優(yōu)化問題得到網(wǎng)絡資源的分配結果。采用資源效用函數(shù)的原因是資 源效用函數(shù)描述的是數(shù)據(jù)流對所分配帶寬的滿意程度，不同類型應用的曲線形狀已有西門 子等大型研究機構專門進行研究。本發(fā)明沿用現(xiàn)有最新的研究成果，采用離散效用函數(shù)形 式，把任務的資源效用分級，每一級內各數(shù)據(jù)流帶寬與效用的關系一一對應。每條數(shù)據(jù)流把 資源效用函數(shù)近似為輪廓凸的曲線，再分段線性化。雖然現(xiàn)有的資源效用函數(shù)在優(yōu)化網(wǎng)絡負載效果明顯，但僅適用于數(shù)據(jù)流獨立競爭 網(wǎng)絡資源的場合。當多數(shù)據(jù)源聯(lián)合協(xié)作完成任務時，網(wǎng)絡鏈路長度、干擾區(qū)域擁塞程度等網(wǎng) 絡參數(shù)嚴重影響任務完成質量。因此，本發(fā)明提供了解決思路根據(jù)任務完成質量動態(tài)修正 獨立的數(shù)據(jù)流靜態(tài)資源效用函數(shù)，目的是讓任務接收端對實際獲得結果進行評價，然后把 評價結果帶入下一次分配的方式，使分配手段有利于任務質量提高，克服原解決方案中獨 立數(shù)據(jù)流的靜態(tài)的資源效用函數(shù)沒有體現(xiàn)聯(lián)合協(xié)作下任務的質量信息的缺陷，最終提高網(wǎng) 絡利用率。具體實施應用于無線Ad Hoc網(wǎng)絡時，建議路由采用AODV協(xié)議實現(xiàn)，MAC層采用標 準802. 11實現(xiàn)，傳輸協(xié)議采用UDP實現(xiàn)。參見圖1，實施例中多個數(shù)據(jù)源經(jīng)Ad Hoc網(wǎng)絡中 的η個干擾區(qū)域向任務目的節(jié)點提供服務。干擾區(qū)域價格計算單元1、干擾區(qū)域價格計算 單元2、干擾區(qū)域價格計算單元η-1、干擾區(qū)域價格計算單元η，以及多個數(shù)據(jù)源節(jié)點調節(jié)單 元、任務目的節(jié)點反饋單元都可以根據(jù)本發(fā)明技術方案，采用計算機軟件技術實現(xiàn)。以下結合附圖和實施例說明本發(fā)明技術方案首先，為了表述準確方便理解，本發(fā)明實施例進行如下的定義。定義um,s(j)表示數(shù)據(jù)任務m中數(shù)據(jù)源s的分級子流j的效用值。定義bm,s(j)表示數(shù)據(jù)任務m中數(shù)據(jù)源s的分級子流j的帶寬大小。定義^vbtl表示干擾區(qū)域q支持的帶寬資源。定義s表示任務質量表格內分級子流s的分層等級j的帶寬是否滿足任務需要。起始階段1.無線節(jié)點拓撲結構。根據(jù)被監(jiān)控目標的大小和移動范圍決定數(shù)據(jù)源無線節(jié)點的放置地點和分布密度。例如監(jiān)控一條走廊，可以根據(jù)單個攝像頭的監(jiān)控有效區(qū)域依次放置無線視頻采集節(jié)點 (數(shù)據(jù)源節(jié)點)，整個無線節(jié)點成鏈式分布；當監(jiān)控一個會場，可以把無線視頻采集源節(jié)點 布置成環(huán)形分布。同時，根據(jù)音源方位和強弱決定音頻采集無線節(jié)點的個數(shù)和密度。再根 據(jù)無線節(jié)點的發(fā)送范圍和任務目的節(jié)點方位合理布置中間傳輸節(jié)點。這樣，多個數(shù)據(jù)源采 集后數(shù)據(jù)流通過多跳無線節(jié)點匯聚到任務目標節(jié)點。2.確定數(shù)據(jù)源節(jié)點、干擾區(qū)域計算節(jié)點和任務目的節(jié)點。當整個無線網(wǎng)絡構成之后，無線節(jié)點相互通信獲得鄰居節(jié)點空間分布信息，在探 明網(wǎng)絡結構之后，自動構成源節(jié)點、干擾區(qū)域計算節(jié)點和任務目的節(jié)點。
3.數(shù)據(jù)源節(jié)點確定分級子流等級。根據(jù)數(shù)據(jù)源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)類型(比如音頻流、視頻流)建立帶寬-效用分級離 散表示數(shù)據(jù)。效用表示業(yè)務增加該級別帶寬后用戶的滿意程度數(shù)值。分級的級數(shù)與音視頻 支持的編解碼技術相關也與網(wǎng)絡容量大小相關。一般來講，分級級數(shù)越細，網(wǎng)絡帶寬分配粒 度越小也更精確，但會帶來大量的網(wǎng)絡開銷，4級的分級總數(shù)基本滿足實際需要?？梢愿鶕?jù)實際無線節(jié)點性能和編解碼技術設定不同的分級數(shù)目，在本發(fā)明實施例 中分級總數(shù)為4級。在本實例中用um, s(j)表示數(shù)據(jù)任務m中數(shù)據(jù)源s的分級子流j的效 用值，um,s(l)表示基本級的效用值，um,s(4)表示最高級的效用值。bm,s(j)表示數(shù)據(jù)任務m 中數(shù)據(jù)源s的分級子流j的帶寬大小，bm,s(j) —般是固定值，取值依據(jù)采用不同的編碼類型
Ums(I) Ums(I) Um A3) um J4)
而不同，效用的數(shù)值一般通過實驗取經(jīng)驗值，但必須滿足^。
Ums(J)
表示任務m中數(shù)據(jù)源s的分級子流j的單位帶寬的效用值，在經(jīng)濟學中，單位資源效
用說明了資源分配的效率，上面的不等式表示等級1的帶寬利用效率最高，等級4的帶寬利 用效率最低。執(zhí)行階段實施例在執(zhí)行階段的流程參見圖3 步驟1. 1，獲得干擾區(qū)域內的各前向數(shù)據(jù)包內的分級子流帶寬大小bm,s(j)和效用 值um,s(j)。具體實施時，端到端數(shù)據(jù)流的前向數(shù)據(jù)包在進入干擾區(qū)域時，前向數(shù)據(jù)包的協(xié)議 格式中可以用字段“th子流帶寬”和“th子流效用”表示數(shù)據(jù)流分級子流帶寬及效用數(shù)值 大小，例如“1th子流帶寬”和“1th子流效用”、“2th子流帶寬”和“2th子流效用” ..· “h th子流帶寬”和“力th子流效用”，力等于分級子流的總數(shù)。類似的，前向數(shù)據(jù)包經(jīng)過的干擾 區(qū)域依次標識為“1th干擾區(qū)域”、“2th干擾區(qū)域” ...1 th干擾區(qū)域”，片等于干擾區(qū)域的 總數(shù)。因為無線數(shù)據(jù)包是以廣播的形式發(fā)送的，所以干擾區(qū)域計算單元可以接收到干擾區(qū) 域內前向數(shù)據(jù)包信息，獲得每一條進入干擾區(qū)域的數(shù)據(jù)流分級子流帶寬bm,s(j)及效用數(shù)值 大小um,s(j)。下面是實施例的前向數(shù)據(jù)包協(xié)議格式。
權利要求
一種無線Ad Hoc網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)源資源分配方法，其特征在于從作為發(fā)送端的多個源節(jié)點分別向同一個作為接收端的任務目的節(jié)點發(fā)送探測包，獲得一個從發(fā)送端到接收端的雙向數(shù)據(jù)鏈路，以及該鏈路途經(jīng)的所有干擾區(qū)域；在每個源節(jié)點設置一個數(shù)據(jù)源節(jié)點調節(jié)單元，在每個干擾區(qū)域設置一個干擾區(qū)域計算單元，在任務目的節(jié)點設置目的節(jié)點反饋單元；在該雙向數(shù)據(jù)鏈路中，每一輪數(shù)據(jù)包傳輸包括從各個源節(jié)點分別向任務目的節(jié)點發(fā)出前向數(shù)據(jù)包、從任務目的節(jié)點向各個源節(jié)點分布發(fā)出反向數(shù)據(jù)包，每當進行一輪數(shù)據(jù)包傳輸時進行以下步驟，當前向數(shù)據(jù)包進入某個干擾區(qū)域時，由該干擾區(qū)域的干擾區(qū)域計算單元進行以下處理，步驟1.1，獲得干擾區(qū)域內的各前向數(shù)據(jù)包內的分級子流帶寬大小和效用值；步驟1.2，根據(jù)干擾區(qū)域支持的服務速率，按照單位資源效用從大到小的順序給分級子流分配帶寬資源，直至干擾區(qū)域內的資源分配完畢，所述單位資源效用通過步驟1.1所得分級子流帶寬大小和效用值得到；步驟1.3，統(tǒng)計所有源節(jié)點分別提供的數(shù)據(jù)流在干擾區(qū)域內分配得到的帶寬資源等級，把其填入到前向數(shù)據(jù)包；當前向數(shù)據(jù)包到達任務目的節(jié)點后，由任務目的節(jié)點反饋單元進行以下步驟，步驟2.1，根據(jù)任務完成質量，選出帶寬資源等級尚不滿足但按目前網(wǎng)絡條件最易達到的任務等級，作為本輪中待調整任務等級；步驟2.2，確定待調整任務等級內各數(shù)據(jù)流實際帶寬與期望帶寬的偏差，把偏差調整方向和待調整任務等級的級數(shù)填入到反向數(shù)據(jù)包，并將反向數(shù)據(jù)包沿前向數(shù)據(jù)包的傳輸路徑反向發(fā)回；當反向數(shù)據(jù)包抵達源節(jié)點時，由數(shù)據(jù)流源節(jié)點調節(jié)單元進行以下處理；步驟3.1，從反向數(shù)據(jù)包中，獲得偏差調整方向和待調整任務等級的級數(shù)；根據(jù)偏差調整方向和對應的待調整任務等級執(zhí)行動態(tài)調整資源效用函數(shù)，對資源效用函數(shù)的調整包括增加帶寬、減少帶寬和保持帶寬；步驟3.2，更新保存新的帶寬資源和資源效用函數(shù)數(shù)值；步驟3.3，把新的帶寬資源和資源效用函數(shù)數(shù)值填入待發(fā)送的前向數(shù)據(jù)包，按照收到的反向數(shù)據(jù)包的任務等級確定本輪的發(fā)送速率。
全文摘要
一種對無線AdHoc網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)源資源分配方法，設置數(shù)據(jù)源節(jié)點調節(jié)單元、干擾區(qū)域計算單元和任務目的節(jié)點反饋單元，根據(jù)任務質量確定任務待調整等級、確定任務內各數(shù)據(jù)流實際帶寬與期望帶寬的偏差、根據(jù)偏差動態(tài)調整資源效用函數(shù)，按單位資源效用分配數(shù)據(jù)流子流帶寬，最后尋求網(wǎng)絡支持的最優(yōu)源節(jié)點發(fā)送速率。本發(fā)明的資源分配模型能夠描述構成任務的各數(shù)據(jù)流之間的依賴關系，能夠讓接收端對實際帶寬分配結果進行評價并把評價結果帶入下一次分配，使分配手段有利于任務質量提高，克服原解決方案中獨立數(shù)據(jù)流靜態(tài)的資源效用函數(shù)沒有體現(xiàn)聯(lián)合協(xié)作下任務的質量信息的缺陷，最終提高網(wǎng)絡利用率。并且，本發(fā)明具有自動彈性自適應各種大小網(wǎng)絡規(guī)模的優(yōu)勢。
文檔編號H04W72/08GK101969696SQ20101055789
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權日2010年11月24日
發(fā)明者胡瑞敏, 陳怡 , 高戈 申請人:武漢大學