一种适用于异构多信道无线AdHoc网络的资源分配方法

一种适用于异构多信道无线AdHoc网络的资源分配方法

薛滔

（电磁空间安全全国重点实验室 成都 610036）

摘要：AdHoc网络通过自组织方式可快速搭建通信网络，广泛应用于地震救灾、环境检测、军事通信等。本文针对异构多信道无线Adhoc网络中的网络资源分配问题，采用图论和网络流理论进行建模，并采用凸优化方法进行求解和仿真。仿真结果表明，本文采用的建模方法能够有效解决异构多信道无线AdHoc网络的网络资源分配问题，满足不同终端节点的不同应用需求。

关键词：多信道;异构链路;资源分配;流量守恒

A Resource Allocation Method for Heterogeneous Link and Multi-channel in ad Hoc Network

Tao XUE

(National Key Laboratory of Electromagnetic Space Security, Du Cheng, 610036)

Abstract:AdHoc network can build a communication network through self-organization quickly, it is used in such scenarios as environment monitoing, earthquake relief, military communication. According to the problem of radio channel allocation in heterogeneous link and multi-channel in ad Hoc network, we apply graph theory and network flow theory for modeling the problem, and get the solution by convex optimization method. Simulation results show that the proposed modeling method can solve the problem, meeting different application requirements of different terminal nodes.

Key Words: Multi-Channel;Heterogeneous link;Resource allocation;Flow theory.

一种适用于异构多信道无线AdHoc网络的资源分配方法

1 引言

AdHoc网络是由终端节点通过相互协作而形成的自组织网络，这些节点集成了感知能力、计算能力、路由能力和无线传输能力。通常情况下节点将感知的数据通过多跳中继通信传输到汇聚节点，由汇聚节点处理后再进行分发共享，可实现检测某特定区域的目的。近年来AdHoc网络大量应用于建筑物结构监控、目标定位、环境监测等领域[1]-[4]。

针对AdHoc网络终端节点的移动性，终端节点的自组织无中心特性，并受限于终端节点通信距离，部分学者主要研究Ad Hoc网络的无线信道接入协议，以解决AdHoc网络中的隐终端和暴露终端问题[5]-[8]。部分学者主要研究Ad Hoc网络的无线路由协议，以适应Ad hoc网络多节点、多中继的网络特性[9]-[15]。上述文献主要面向单一信道AdHoc网络场景，从接入协议、路由协议两方面进行研究。

然而随着AdHoc网络中终端数量和应用数量的不断增加，特别是在海上移动自组网和航空自组网等场景下，原有单一的无线信道资源已无法满足终端网络需求。

考虑通过增加多个独立传输信道，每个异构信道之间互不干扰，多节点在异构多信道上可以并行地传输数据，极大提高了网络容量，减小了网络传输延时，满足日益增长的终端数量需求和复杂多样的应用需求。

文献[16][17]提出了一种针对多信道的路由协议，可减小减少控制开销，降低丢包率。上述研究主要从路由协议方面进行研究，从资源分配角度进行的研究较少。本文提出一种面向异构多信道无线AdHoc网络中的网络资源分配方法，可有效解决异构无线AdHoc网络的网络资源分配问题，满足不同终端节点的应用需求。

2 系统模型和问题

2.1问题描述

在异构多信道无线AdHoc网络模型中，节点之间存在不同通信类型、不同通信速率的传输信道。通信类型包括定向传输和全向传输，通信速率根据其通信距离不同可分为多种速率档位。

考虑如图 1所示的异构多信道无线AdHoc网络场景中，存在以下三类无线信道：

a)高速定向通信传输信道：节点1与节点2之间、节点1与节点5之间、节点2与节点3之间、节点2与节点5之间由于其通信距离近，因此可使用高速的定向信道1；

b)中速定向通信传输信道：节点4与节点5、节点4与节点3、节点4与节点6以及节点6与节点1之间由于通信距离较远，因此使用中速的定向信道2。

c)低速全向通信传输信道：节点1、节点2以及节点5使用了低速的全向信道3。

图 1 多信道AdHoc网络场景示意

AdHoc网络中不同终端之间存在不同的应用，单一的传输通道可能无法满足应用传输需求，同时同一终端既可能是数据源节点、也可能是数据目的节点，同时可能是数据中继节点。在该网络中，需要优化不同节点之间不同信道的资源分配问题，以满足不同终端节点之间的不同应用。

在异构多信道无线AdHoc网络中，主要目标是解决终端节点之间多对多的应用传输需求问题，实际上包括以下两大问题：

a)源节点到目的节点的资源分配问题；

b)源节点到目的节点的中继选择问题。

通常情况下，终端节点在网络中承担着制造者、消费者、搬运者三种角色：

a)应用数据源节点（可称为制造者）：作为传感器节点制造应用数据，并发给对应传感器终端进行处理。

b)应用数据目的节点（可称为消费者）：作为传感器节点接收并处理其它传感器终端上报的应用数据；

c)应用数据中继节点（可称为搬运者）：作为中继节点负责中继应用数据源节点到应用数据目的节点的应用数据。

因此当终端节点承担不同角色时，存在以下矛盾问题：

a)当终端节点作为制造者，将多信道异构链路资源主要用于产生和发送数据时，该节点不能作为搬运者负责完成其它源节点到目的节点的应用数据传输，同时也不能作为消费者接收其它源节点发过来的应用数据；

b)当终端节点作为消费者，将多信道异构链路资源主要用于接收数据时，该节点不能作为制造者负责产生和发送自身的应用数据，同时该节点不能作为搬运者负责完成其它源节点到目的节点的应用数据传输；

c)当终端节点作为搬运者，将多信道异构链路资源主要用于中继转发应用数据时，该节点不能作为制造者负责产生和发送自身的应用数据，同时也不能作为消费者接收其它源节点发过来的应用数据。此外若终端节点负责将大部分链路资源用于搬运某一应用的应用数据，则无法搬运其它应用产生的应用数据。

基于以上分析，在异构多信道无线AdHoc网络中，源节点到目的节点的资源分配问题、源节点到目的节点的中继选择问题可统一转化为节点在不同角色下的链路资源分配问题。以下针对上述问题进行模型建立、模型分析、仿真求解。

2.2 模型建立

针对该多应用、异构多信道无线AdHoc网络场景，首先采用图论思想将多信道异构链路的连接关系转换为多信道连通性矩阵，并将多节点之间的应用需求转为应用需求矩阵，同时并将多信道链路资源分配关系和中继节点选择结果作为资源分配关系矩阵。

假设该AdHoc网络场景中有个节点，每个节点对外最多有条传输通道，表示节点到节点之间在传输通道中的连通性。当时，表示在传输通道中，节点到节点间存在传输通道，并假设速率为传输速率为。当时，表示异构信道中，节点到节点间不存在传输通道。

假设表示从节点到节点分配的多信道链路资源大小总和，其最低需求大小为。为在传输通道速率为的模式下，节点为节点到节点间的应用分配的传输资源，具体表示如下：

a)当，表示该节点作为制造者，在信道中分配的信道资源用于发送应用数据；

b)当时，表示该节点作为消费者，在信道中分配的信道资源用于接收应用数据；

c)当且时，表示该节点作为搬运者，负责将节点产生的应用数据搬运至节点。

根据网络流理论，可得到如下优化函数：

a)约束条件1：表示应用源节点将应用数据通过单个或多个中继节点进行发送，且源节点到中继节点的分配的多信道链路总速率不低于应用要求；

b)约束条件2：表示任意中继节点收到多个节点发过来的节点到节点的应用数据后，将数据通过多个节点转发出去的多信道链路速率不低于收到应用的链路速率；

c)约束条件3：表示目的节点收到各中继节点发过来的节点到节点的应用数据，其流量不低于应用数据流量。

d)约束条件4：表示实际分配的链路资源不低于其请求的链路资源需求；

e)约束条件5：表示任意节点在信道分配的链路资源不能超过其信道资源总和。

通过观察可知，上述优化模型为凸优化模型，且各个约束条件是线性的，因此可采用拉格朗日对偶方法对上述问题进行仿真求解。

3 仿真与分析

3.1 仿真设置

在一个200米*200米的区域内，产生4种异构无线信道。在区域内产生7个终端节点，其中存在4个主要用户终端，3个次要用户终端，仿真场景设置如图2所示。

图2 仿真场景设置

其中，设计终端用户之间的应用需求矩阵表示如下：

3.2 仿真结果与分析

对上述问题场景进行仿真。如图3所示为异构多信道资源分配结果总体情况，如图4~ 图 7为各异构信道的详细资源分配情况。

图3 异构多信道资源分配结果

图4 信道1资源分配详细情况

图5 信道2资源分配详细情况

图6 信道3资源分配详细情况

图 7 信道4资源分配详细情况

上述仿真结果表明：通过图论模型和流量守恒定律等手段，可对异构多信道无线AdHoc网络资源分配问题进行建模，并采用凸优化方法对问题进行仿真求解。从而解决多应用到异构多信道链路的匹配映射，满足不同应用的网络传输需求。

4 总结

本文针对异构无线AdHoc网络的网络资源分配问题，提出一种资源分配方法：首先采用图论思想将应用需求、多信道异构链路连接关系转为应用需求矩阵、多信道连通性矩阵，其次基于网络流理论将多信道链路资源分配关系和中继节点选择结果作为匹配关系矩阵，然后对多信道异构链路资源分配进行建模，最后采用凸优化算法进行求解。仿真结果表明采用该方法能够有效解决异构无线AdHoc网络的网络资源分配问题，满足不同终端节点的应用需求。

参考文献

[1]柳树林.自组网通信技术在应急救援领域的应用分析[J].数字通信世界. 2023(02):140-142.

[2]李攀,郭文刚.森林消防超短波自组网通信系统应用研究[J].中国电子科学研究院学报. 2022,(06):590-596.

[3]李悦,蔡振．AdHoc网络的研究现状与发展[J].软件导刊,2012(2):35-40.

[4]尹彪.AdHoc网络综述[J].电脑知识与技术,2009(5),6126~6132.

[5]洪家军.Ad Hoc网络中隐藏节点问题的仿真与分[J].榆林学院学报,2021(04):36-39.

[6]贾欣歌,计春雷.自组织网络路由协议及仿真技术研究[J].计算机应用与软件,2014(8),114-116.

[7]瞿谨.无线自组网中的隐藏终端和暴露终端问题及其解决方法[J].信息与电脑(理论版). 2013(08):108-110

[8]黄金科,樊晓光.基于稳定分簇的移动自组织网络路由协议[J].北京航空航天大学学报,2016(11),2332-2339.

[9]毛玉明,杨宁.移动AdHoc网的一种新的自组织组网和路由算法[J].电子学报,2005(12),161-164;

[10]严其飞,罗颖光.基于链路监视的移动自组网路由策略[J].指挥控制与仿真,2022(06),119-124.

[11]梅家栋,南建国.无人机自组网中改进型反应-贪婪-反应路由协议[J].空军工程大学学报(自然科学版),2021(04),22-28.

[12]宋佳,门宇博.无线自组织网络MAC协议研究综述[J].数字技术与应用,2019(11),31-33.

[13]张桃毛,建兵.一种基于TDMA的多信道MAC协议[J].计算机与数字工程,2018(12),2506-2511.

[14]李旭,仇颂清.一种改进的移动自组织网多路径路由协议[J].兵工学报,2016(11),2022-2028.

[15]杨海东,李克然.提供QoS保障的AdHoc网络MAC协议研究[J].电子科技,2009(12),95-99.

[16]ZHONG Hui,PU Shengyuan.Analysis and research on OLSR protocol for multi-channel assignment of wireless mesh network[C]. 2017 Chinese Automation Congress(CAC). Jinan:IEEE,2017:2732-3737;

[17]张晓东,韩卫占.基于多传输手段的自组网路由协议研究[J].河北工业科技. 2021(06):454-459.