CN103298060B - 以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法，获取无线网状网络的参数；将无线网状网络表示为有向图，所述有向图由节点和链路构成，所述节点包括网关节点、中继节点、无线网状路由器节点和无线存储节点，其中，对于每个可布置中继节点的位置设定为一个虚拟中继节点，互相通信的两个节点之间具有两条方向相反的链路；根据有向图建立中继节点的优化布置数学模型；采用整数线性规划求解方法进行求解，获取中继节点的最优布置位置。本发明实现了中继节点的优化布置，使得无线终端之间的对等通信以及无线网状路由器往来因特网的通信的传输路径所使用的无线网状子网中的无线通信链路减少，提高了无线网状网络中的网络吞吐量。

Description

以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法

技术领域

本发明涉及无线网状网络领域，具体涉及一种用于以内容为中心的无线网状网络的中继节点的布置方法。

背景技术

近年来，由于网络应用的快速发展和新技术的不断应用，人们不但对传输带宽的需求越来越大，而且对从网络中更方便地获取所需文件也提出了更高的要求。以内容为中心的网络（Content-CentricNetwork）将用户端所需的文件存储到较近的路由器上，提供从用户端到文件存储路由器的优化路径，通过优化的路径和资源，来保证对内容传输的高效性。这些具有存储文件功能的路由器叫做存储节点。

针对网络使用者对移动性的要求，无线网状网络等无线接入技术发展迅速。无线网状网络通常由一组无线网状路由器组成，相邻无线网状路由器之间通过无线信道进行通信，无线网状路由器提供了网络接入、多条路由等功能。虽然无线网状网络具有安装容易、设置简单、可满足网络使用者移动接入网络的要求等优点，但无线链路之间不可避免的信号干扰导致了无线网状网络具有网络带宽低的缺点。

以内容为中心的无线网状网络是一种将以上两种技术优点结合的新技术，它向用户提供了高带宽和移动性的网络服务。以内容为中心的无线网状网络中包含三种节点：无线网状路由器（WirelessMeshRouter），中继节点（RelayNode）和网关（Gateway）。首先，大量的无线网状路由器提供了网络覆盖、连通性以及数据交换。其中部分无线网状路由器具有文件存储功能，可以将部分文件存储在本地以实现高效的文件分发。其次，相对于无线网状路由器，中继节点具有更强的无线通信功能。少量的中继节点之间可通过高带宽，长距离通信（如光通信、认知无线电技术等）组成高速骨干网。而且，每个中继节点可与其覆盖范围内的无线网状路由器进行通信，为网络中的数据提供交换功能，从而增强网络连通性，扩大网络覆盖范围，提高网络吞吐率。第三，以内容为中心的无线网状网络存在一个网关节点，该节点连接无线网状网络和外部因特网以使连接在该网络中的用户与因特网之间可进行数据交换。

众所周知，在以内容为中心的无线网状网络中，无线网状路由器子网中无线链路之间不可避免的信号干扰严重限制了网络的吞吐率，从而导致了服务质量的下降，现有技术中从最小化无线网状路由器到中继节点的平均跳数的角度考虑，优化中继节点的布置位置，从而将数据发往因特网的时延最小化，提高网络的吞吐率。然而，由于现有技术中仅考虑了无线网络终端与因特网的通信，而未考虑无线网络终端之间的对等通信以及以内容为中心的无线网状网络中存储节点中文件存储策略对网络吞吐率的影响，因此提高网络吞吐率的效果不佳。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种以内容为中心的无线网状网络中继节点的优化布置方法，以解决现有的方法仅考虑了无线网络终端与因特网的通信，从而导致提高网络吞吐率的效果不佳的问题。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法，包括以下步骤：

A：获取所述以内容为中心的无线网状网络的参数，所述参数包括：A1：表达已存在的无线网状子网的布置状况的参数；A2：表达网络中通信需求的历史记录信息参数；A3：与中继节点相关的参数；

B：根据步骤A获取的参数将所述以内容为中心的无线网状网络表示为有向图，所述有向图由节点和链路构成，所述节点包括网关节点、中继节点、无线网状路由器节点和无线存储节点，其中，对于每个可布置中继节点的位置设定为一个虚拟中继节点，互相通信的两个节点之间具有两条方向相反的链路；

C：根据所述有向图建立中继节点的优化布置数学模型；包括：

C1：根据步骤A获得的参数定义已知参数；

C2：对变量进行定义，所述变量为：

对等通信集合中一个对等通信的数据吞吐率与带宽需求的比率、以及无线链路上属于该对等通信的数据吞吐率负载；所述无线存储节点上实际存储每个文件的空间大小与该文件大小的比率；对于所述每个请求某个文件的无线节点，其从每个存储节点上下载的该文件的总数据量、以及无线链路上属于该文件下载数据吞吐率负载；虚拟中继节点变量，该变量为0-1变量，布置中继节点时，变量为1，不布置中继节点时，变量为0；

C3：利用所述定义的参数和变量构建目标函数，最大化网络吞吐率，并根据无线网状网络的要求构建约束条件；

D：采用整数线性规划求解方法对所述数学模型进行求解，所述整数线性规划求解方法为隐枚举法、分枝定界法或割平面法；

E：根据数学模型的解，获取中继节点的最优布置位置。

上述技术方案可具体化如下：

一种以内容为中心的无线网状网络中中继节点的优化布置方法，该方法包括以下步骤：

A：获取以内容为中心的无线网状网络的相关参数，具体包括：

A1：根据已存在的无线网状子网的布置状况获取以下参数：无线网状路由器节点集合、无线终端节点集合以及各节点位置信息集合；无线网状路由器中担任无线存储节点的集合以及每个无线存储节点的存储容量；单个无线信道的容量、节点的通信半径以及每个无线通信信道的信号干扰范围半径；

A2：根据网络中通信的历史记录信息获取以下参数：对等通信集合、每个对等通信的通信双方节点以及每个对等通信的带宽需求；无线网状网络中节点与因特网之间的通信集合以及每个通信的带宽需求；需要存储在网络中的不同文件的集合、每个文件的大小以及请求不同文件的无线节点集合；

A3：根据需要解决的问题获取以下参数：每个中继节点到网关以及中继节点间的通信信道容量；需要布置的中继节点数量以及可布置中继节点的位置信息；

B：根据所述获取的参数将以内容为中心的无线网状网络表示为有向图，具体包括以下步骤：

B1：在无线网状子网中，如果两个无线网状路由器在彼此的通信半径内，则在两个无线网状路由器节点之间连接两条方向相反容量相同的链路；如果两个无线网状路由器不在彼此的通信半径内，则它们之间不连接任何链路，且每条链路设置一个信号干扰链路集合，该集合是由与这条链路相干扰的链路构成，重复步骤B1直至所有符合条件的链路连接完毕；

B2：对于中继节点子网，将有向图中每个可布置中继节点的位置当做一个虚拟中继节点，且每个虚拟中继节点与网关对应的节点之间连接两条方向相反的链路，任意两个虚拟中继节点之间连接两条方向相反的链路；任意两个虚拟中继节点之间的链路、每个虚拟中继节点与网关节点之间的链路的容量按照实际信道容量进行设置，且每个链路的信号干扰链路集合为空集；

B3：如果虚拟中继节点与无线子网中的无线网状路由器在彼此的通信范围内，则所述可布置中继节点的位置节点与所述无线网状路由器节点之间连接两条方向相反容量相同的链路，重复步骤B3直至所有符合条件的链路连接完毕；

步骤B中的步骤B1和步骤B2的执行顺序没有明确限定；

C：根据所述有向图建立中继节点的优化布置数学模型；

根据所述有向图建立基于混合整数线性规划的中继节点的优化布置数学模型，具体包括以下步骤：

C1：对已知参数进行定义，所述已知参数包括：无线网状路由器节点集合、无线终端节点集合以及各节点位置信息集合；无线网状路由器中担任无线存储节点的集合以及每个无线存储节点的存储容量；单个无线信道的容量、节点的通信半径、每个无线通信信道的信号干扰范围半径；对等通信集合、每个对等通信的通信双方节点以及每个对等通信的带宽需求；无线网状网络中节点与因特网之间的通信集合以及每个通信的带宽需求；存储在网络中的不同文件的集合、每个文件的大小以及请求不同文件的无线节点集合；每个中继节点到网关以及中继节点间的通信信道容量；需要布置的中继节点数量以及可布置中继节点的位置信息；

C2：对变量进行定义，所述变量为：

对于所述对等通信集合中的一个对等通信而言，网络所能满足的数据吞吐率与带宽需求的比率、以及无线链路上属于该对等通信的数据吞吐率负载；对于所述无线存储节点，其上实际存储每个文件的空间大小与该文件大小的比率；对于所述每个请求某个文件的无线节点，其从每个存储节点上下载的该文件的总数据量、以及无线链路上属于该文件下载数据吞吐率负载；对于所述中继节点的每个位置，设置0-1变量。

C3：利用所述定义的参数和变量构建目标函数，最大化网络吞吐率，并构建约束条件，所述约束条件用于保证进出无线网状路由器的数据流量守恒、保证进出中继节点和网关的数据流量守恒、定义无线链路的信号干扰所带来的约束、保证无线链路上的总数据流量不超过该链路的容量、保证如果一个中继节点布置在了可布置中继节点的位置时才会有数据流量经相应的虚拟中继节点、保证仅从所述可布置中继节点的位置集合中选取所述需要布置的中继节点总数个节点进行布置、保证存储在存储节点上的所有文件的数据总量不超过该节点的存储容量、保证每个文件请求节点从每个存储节点上下载某文件的数据总量不超过节点上存储的该文件的总数据量、保证每个文件请求节点从所有存储节点上下载文件的数据总量不超过该文件大小、给出整数变量和实数变量的取值范围。

D：对所述数学模型进行求解；对所述数学模型进行求解具体为，采用整数线性规划求解方法进行求解，所述整数线性规划求解方法为隐枚举法、分枝定界法或割平面法。

E：根据数学模型的解，获取中继节点的最优布置位置。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明提供的无线混合接入网络中中继节点的优化布置方法，综合考虑了以内容为中心的无线网状网络中存在的两类主要通信量：无线网状路由器之间的对等通信（包括从存储节点上下载文件）和无线网状路由器往来因特网的通信。本发明提供的方法使得无线终端之间的对等通信以及无线网状路由器往来因特网的通信的传输路径所使用的无线网状子网中的无线通信链路减少，从而无线网状子网的负载带来的信号干扰相应减少，提高了无线网状子网的吞吐量，同时，由于无线终端之间的对等通信的传输路径可以从无线网状子网到中继节点子网再到无线网状子网，中继节点子网的高网络容量和不存在信号干扰的特性使得网络吞吐量提高，最终提高了整个以内容为中心的无线网状网络中的网络吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的以内容为中心的无线网状网络中中继节点的优化布置方法的流程图；

图2为以内容为中心的无线网状网络的实例；

图3为根据图2中的实例构建的无线子图；

图4为根据图2中的实例构建的中继子图；

图5为根据图2中的实例构建的以内容为中心的无线网状网络的有向图；

图6为根据本发明实施例提供的方法进行仿真的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

在无线网状网络中对等通信是中一种普遍存在的通信模式，IEEE802.11s标准协议中关注了无线网状网络中的对等通信。另一方面，无线网状网络中的无线终端往往需要从因特网中下载大量文件。然而，无线网状子网中无线链路之间不可避免的信号干扰严重限制了网络吞吐率，从而导致了服务质量的下降。以内容为中心的无线网状网络向用户提供了高带宽和移动性的网络服务。一方面，以内容为中心的无线网状网络中布置了部分中继节点。这些中继节点之间可通过高带宽，长距离通信（如光通信，认知无线电技术等）组成高速骨干网。而且，每个中继节点可与其覆盖范围内的无线网状路由器进行通信为网络中的数据提供交换功能，从而增强网络连通性，扩大网络覆盖范围，提高网络吞吐率。另一方面，以内容为中心的无线网状网络中部分无线网状路由器具有文件存储功能，可以将因特网中的部分文件存储在本地以高效的实现文件分发。因此，以内容为中心的无线网状网络为降低无线信号干扰提高网络吞吐率提供了可能，尤其对于实现无线网络终端之间对等通信和网络中无线终端的文件下载而言，以内容为中心的无线网状网络可以有效的降低信号干扰给网络吞吐率带来的影响。

针对无线终端之间的对等通信，以内容为中心的无线网状网络可以通过路由使数据发送终端的数据流量首先通过无线网状子网然后到达中继节点子网，然后由中继节点子网返回到无线子网最后到达接收终端。这种“无线-中继-无线”的模式会给网络性能带来很大提升。其原因在于“无线-中继-无线”的对等通信模式使得在无线网状子网中传输的通信量所涉及的无线网状子网中的低容量链路减少，且部分流量经过高容量的中继节点子网，从而减少了无线网状子网中无线链路之间的干扰，降低了干扰对网络吞吐率的限制，提高了网络吞吐率，降低了传输时延。

针对无线终端的文件下载，以内容为中心的无线网状网络中部分无线网状路由器具有文件存储功能，可以将因特网中的部分文件存储在本地以高效的实现文件分发。这样大大减少了无线终端需要从通过网关从因特网上下载所需的文件，减少了无线网状网络中无线链路的占用，从而减少了无线网状网络中无线链路之间的干扰，降低了干扰对网络吞吐率的限制，提高了网络吞吐率，降低了传输时延。

在以内容为中心的无线网状网络中，一方面中继节点的布置位置直接影响网络中的对等通信量是否能够利用中继节点子网来降低无线子网的链路干扰提高总体的网络吞吐率；另一方面，由于存储节点的数量和存储容量的限制，文件放置策略也将直接影响总体的网络吞吐率，然而文件放置策略是受中继节点的布置位置直接影响的。因此，以内容为中心的无线网状网络中中继节点的布置问题是提高网络总体吞吐率的一个关键性问题。

本发明实施例提供了一种以内容为中心的无线网状网络中中继节点的优化布置方法，该方法既考虑了无线网络终端与因特网的通信，又考虑了以内容为中心的无线网状网络中“无线-中继-无线”的对等通信模式会给网络性能带来很大提升。进行中继节点的放置的同时也考虑了该网络中存储节点上的文件放置策略，以最优化网络总体的吞吐量。

实施例：参见图1所示，是以内容为中心的无线网状网络中中继节点的优化布置方法的流程图。

具体方法包括：

A获取以内容为中心的无线网状网络的参数。

获取以内容为中心的无线网状网络的参数具体为：

A1:根据已存在的无线网状子网的布置状况获取以下参数：无线网状路由器节点集合、无线终端节点集合以及各节点位置信息集合；无线网状路由器中担任无线存储节点的集合以及每个无线存储节点的存储容量；单个无线信道的容量、节点的通信半径、每个无线通信信道的信号干扰范围半径；

A2:根据网络中通信的历史信息获取以下参数：对等通信集合、每个对等通信的通信双方节点以及每个对等通信的带宽需求；无线网状网络中节点与因特网之间的通信集合以及每个通信的带宽需求；存储在网络中的不同文件的集合、每个文件的大小以及请求不同文件的无线节点集合；

A3:根据需要解决的问题获取以下参数：每个中继节点到网关以及中继节点间的通信信道容量；需要布置的中继节点数量以及可布置中继节点的位置信息；

B：根据步骤S11中获取的参数将以内容为中心的无线网状网络表示为有向图G，G=<N,E>。

其中，N表示有向图G的节点集合，节点集合N包括：代表每个可布置中继节点的位置的虚拟中继节点、网关节点、无线网状路由器节点以及无线终端节点的集合；E表示有向图G的链路集合。

图2给出了一个无线混合接入网的实例，其中包括1个无线路终端、4个可以布置中继节点的位置（虚拟中继节点）、9个无线网状路由器（其中2个无线网状路由器担任存储节点）。

将以内容为中心的无线网状网络表示为有向图G具体步骤为：

B1：将以内容为中心的无线网状网络中的无线网状子网表示为无线子图。

将无线网状子网表示为无线子图具体为：在无线网状子网中，如果两个无线网状路由器在彼此的通信半径内，则在两个无线网状路由器节点之间连接两条方向相反容量相同的链路。如果两个无线网状路由器不在彼此的通信半径内，则它们之间不连接任何链路，这些链路均属于链路集合E。例如，无线网状路由器节点u和无线网状路由器节点v在彼此的通信半径内，则它们之间存在从u到v的有向链路e_uv和从v到u的有向链路e_vu。

重复步骤上述步骤S121直至所有符合条件的链路连接完毕。在无线网状子网中，由于无线链路之间存在信号干扰，因此，上述连接的每条链路均有一个信号干扰链路集合，它由该链路以及在其信号干扰范围内的所有链路组成。

在图2给出的实例中，无线网状子网中有9个无线网状路由器，相应的，无线子图中有9个无线网状路由器节点，图3为根据图2的实例构建的无线子图的示意图。

B2：将以内容为中心的无线网状网络中的中继节点子网表示为中继子图。

将以内容为中心的无线网状网络中的中继节点子网表示为中继子图具体为：在虚拟中继节点与网关节点之间连接两条方向相反的链路，且在任意两个虚拟中继节点之间连接两条方向相反的链路，这些链路均属于链路集合E。任意两个虚拟中继节点之间的链路以及每个虚拟中继节点与网关节点之间的链路容量为其实际信道容量，且每个链路的信号干扰链路集合为空集。

在图2给出的实例中，中继节点子网中有1个网关、4个可以布置中继节点的位置。因此，在中继子图中，应包含有一个网关节点和4个虚拟中继节点，图4为根据图2的实例构建的中继子图的示意图。

在中继节点子网中，由于网关与中继节点之间可通过高速链路连接，因此，在中继子图中，在虚拟中继节点与网关节点之间存在两条方向相反的链路；网关可与每个中继节点进行高速通信，而且网关可充当不在相互通信范围内的中继节点间对等通信的转发站以实现中继节点间的对等通信。因此，在中继子图中，任意两个虚拟中继节点之间可等同于连接两条方向相反的链路；另外，中继节点往往装备了多信道的发送接收设备以实现高速通信，所以，中继节点子网中的链路之间可视为不存在信号干扰，因此中继子图中的每个链路的信号干扰链路集合设置为空集。

B3：若虚拟中继节点与无线网状子网中的无线网状路由器在彼此的通信半径内，则在虚拟中继节点与无线网状路由器节点之间连接两条方向相反容量相同的链路，这些链路均属于有向图G的链路集合E；否则，则二者之间不连接任何链路。

图5为根据图2的实施例构建的有向图。

由于无线终端的上行和下行的所有通信量均须经过无线网状路由器。因此，本发明考虑网络中存在的两类主要通信量：无线网状路由器之间的对等通信（包括从存储节点上下载文件）和无线网状路由器往来因特网的通信。由于往来因特网的通信量均必须通过网关，所以将此类通信视为无线网状路由器与网关两点之间的对等通信。

C：根据有向图G构建基于混合整数线性规划的中继节点的优化布置数学模型。

线性规划是目标函数和约束条件都是线性的最优化问题，被大量用于解决极大化或极小化之类的实际当中的最优化问题。混合整数线性规划是线性规划的一种，其部分未知数为整数，其它未知数为实数。

在本实施例中，根据有向图G构建基于混合整数线性规划的中继节点的优化布置数学模型包括如下步骤：

C1：对已知参数进行定义。

在本实施例中，对以下参数进行定义：

可布置中继节点的位置节点集合为L；

无线网状路由器节点和无线终端节点集合为N_M；

无线存储节点的数量为H；

无线存储节点集合为N_S，且记N_S={sn₁,…,sn_H}；

每个无线存储节点的存储容量为c_h，

请求文件j的无线节点集合记为 $\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\};$

所有与无线节点或中继节点u通过无线链路进行通信的邻居节点集合为：N_u且N_u∈N_M,u≠g₀；

无线链路e_uv的信号干扰链路集合为I_uv，设e_uv∈I_uv；

需要布置的中继节点总数为K；

单个无线信道的容量为c；

每个中继节点到网关以及中继节点间的通信信道容量为C；

存储在网络中的不同文件的总数为F；

文件j的大小为f_j，

对等通信集合为Q；

对等通信i的带宽需求量为r_i，

对等通信i的信源节点为s_i，

对等通信i的信宿节点为d_i，

C2：对变量进行定义。

在本实施例中，对以下变量进行定义：

对于对等通信i，网络所能满足的数据吞吐率与带宽需求的比率为λ_i， $\&ForAll;i\&Element;Q;$

存储在无线存储节点sn_h上的文件j的数据量与文件j大小的比率为α_j,h， $\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},$ $\&ForAll;h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\};$

无线节点从无线存储节点sn_h∈N_S上下载的文件j的总数据量为θ_j,h,m， $\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},$ $\&ForAll;h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},$ $\&ForAll;m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\};$

无线链路e_uv上属于对等通信i的数据吞吐率负载为 $\&ForAll;i\&Element;Q;$

无线链路e_uv上属于无线节点从无线存储节点sn_h∈N_S上下载的文件j的数据吞吐率负载为 $\&ForAll;h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},$ $\&ForAll;m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\};$

0-1变量为z_l，中继节点被安装布置在位置l，当l∈L时，z_l的值为1，否则z_l的值为0。

C3：构建基于混合整数线性规划的中继节点的优化布置数学模型。

构建模型如下：

目标函数为： $\mathrm{Maximize}:\underset{i\&Element;Q}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_i{r}_i+\underset{j=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=1}{\overset{\left|N_{D_j}\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&theta;}}_{j,h,m}---\left(1\right)$

式(1)为目标函数，最大化网络吞吐率，它是网络能够满足的所有的对等通信的数据吞吐率，来往因特网的数据吞吐率以及文件下载的数据吞吐率之和。

约束条件为：

$\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{uv}}^i={\mathrm{\&lambda;}}_i{r}_i,\&ForAll;i\&Element;Q,u=s_i\&Element;N_M---\left(2\right)$

$\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{uv}}^i=\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{vu}}^i,\&ForAll;i\&Element;Q,\&ForAll;u\&Element;N_M-\{s_i,d_i\}---\left(3\right)$

$\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{vu}}^i={\mathrm{\&lambda;}}_i{r}_i,\&ForAll;i\&Element;Q,u=d_i\&Element;N_M---\left(4\right)$

$\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{\mathrm{uv}}^{j,h,m}={\mathrm{\&theta;}}_{j,h,m},\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\},u={\mathrm{sn}}_h---\left(5\right)$

$\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{\mathrm{uv}}^{j,h,m}=\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{\mathrm{vu}}^{j,h,m},\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\},u\&Element;N_M-\{d_{j,m}-{\mathrm{sn}}_h\}---\left(6\right)$

$\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{\mathrm{vu}}^{j,h,m}={\mathrm{\&theta;}}_{j,h,m},\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\},u=d_{j,m}---\left(7\right)$

$\underset{v\&Element;N_l\&cup;L\&cup;\left\{g_0\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{lv}}^i=\underset{v\&Element;N_l\&cup;L\&cup;\left\{g_0\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{vl}}^i,\&ForAll;i\&Element;Q,l\&Element;L---\left(8\right)$

$\underset{l\&Element;L}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{{\lg }_0}^i={\mathrm{\&lambda;}}_i{r}_i,\&ForAll;i:d_i=g_0---\left(9\right)$

$\underset{v\&Element;N_l\&cup;L\&cup;\left\{g_0\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{\mathrm{lv}}^{j,h,m}=\underset{v\&Element;N_l\&cup;L\&cup;\left\{g_0\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{\mathrm{vl}}^{j,h,m},\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\},l\&Element;L---\left(10\right)$

$\underset{\left(\mathrm{wk}\right):e_{\mathrm{wk}}\&Element;I_{\mathrm{uv}}}{\mathrm{\&Sigma;}}(\underset{i\&Element;Q}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{wk}}^i+\underset{j=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=1}{\overset{\left|N_{D_j}\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_{\mathrm{wk}}^{j,h,m})\&le;c,\&ForAll;u\&Element;N_M\&cup;L,v\&Element;N_u---\left(11\right)$

$0\&le;\underset{v\&Element;N_u}{\mathrm{\&Sigma;}}(\underset{i\&Element;Q}{\mathrm{\&Sigma;}}(x_{\mathrm{uv}}^i+x_{\mathrm{vu}}^i)+\underset{j=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=1}{\overset{\left|N_{D_j}\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}(y_{\mathrm{uv}}^{j,h,m}+y_{\mathrm{vu}}^{j,h,m}))\&le;c,\&ForAll;u\&Element;N_M\&cup;L---\left(12\right)$

$0\&le;\underset{i\&Element;Q}{\mathrm{\&Sigma;}}(x_{\mathrm{uv}}^i+x_{\mathrm{vu}}^i)+\underset{j=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=1}{\overset{\left|N_{D_j}\right|}{\mathrm{\&Sigma;}}}(y_{\mathrm{uv}}^{j,h,m}+y_{\mathrm{vu}}^{j,h,m})\text{\&le;C,\&ForAll;u\&Element;L\&cup;{}{g}_0\text{},v\&Element;L\&cup;{}{g}_0\text{}---}\left(13\right)$

$0\&le;x_{\mathrm{lv}}^i,x_{\mathrm{vl}}^i\&le;z_{l}c,\&ForAll;i\&Element;Q,l\&Element;L,v\&Element;N_l---\left(14\right)$

$0\&le;y_{\mathrm{lv}}^{j,h,m},y_{\mathrm{vl}}^{j,h,m}\&le;z_{l}c,\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\},l\&Element;L,v\&Element;N_l$

$\left(15\right)$

$\underset{l\&Element;L}{\mathrm{\&Sigma;}}{z}_l=K---\left(16\right)$

$z_l\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\},\&ForAll;l\&Element;L---\left(17\right)$

$\underset{j=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_{j,h}{f}_j\&le;c_h,\&ForAll;h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\}---\left(18\right)$

$0\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{j,h,m}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{j,h}{f}_i,\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\}---\left(19\right)$

$0\&le;\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&theta;}}_{j,h,m}\&le;f_j,\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\}---\left(20\right)$

$0\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{j,h}\&le;1,\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\}---\left(21\right)$

$0\&le;x_{\mathrm{uv}}^i,0\&le;y_{\mathrm{uv}}^{j,h,m},\&ForAll;i\&Element;Q,\&ForAll;j\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,F\},h\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H\},m\&Element;\{1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,|N_{D_j}\left|\right\},\&ForAll;u,v\&Element;N---\left(22\right)$

$0\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_i\&le;1,\&ForAll;i\&Element;Q---\left(23\right)$

式(2)-(23)为约束条件，其中，式(2)-(4)用于保证进出无线网状路由器的对等通信的数据流量守恒；式(5)-(7)用于保证进出无线网状路由器的从存储节点下载文件的数据流量守恒；式(8)和(9)用于保证进出虚拟中继节点和网关的所有数据量守恒；式(10)，(14)和(15)保证了只有一个中继节点被布置在位置l才会有数据流量经过该位置上的虚拟中继节点；式(11)定义了无线链路的信号干扰所带来的约束，即对于任何链路及信号干扰集合的链路，若同时传输的数据率不超过单信道容量，则可使用时分复用技术达到该数据率；式(12)和(13)用于保证无线链路上的总数据流量不超过该链路的容量；式(16)和(17)保证了仅从位置集合L中选取K个布置中继节点；式(18)保证了存储在存储节点上的所有文件的数据总量不超过该节点的存储容量；式(19)保证了每个文件请求节点m从每个存储节点sn_h上下载文件j的数据总量不超过节点sn_h上存储的文件j的总数据量；使用随机网络编码技术（RandomLinearNetworkCoding），每个存储节点上存储每个文件的数据均是原始文件数据的进行随机网络编码后得到的编码包，这样能使的每个文件下载节点只要从不同存储节点下载到的编码包的总量达到该文件的总数据量即可恢复数据；式(20)保证了每个文件请求节点m从所有存储节点上下载文件j的数据总量不超过该文件大小f_j；式(17)，(21)-(23)给出了0-1整数变量和实数变量的取值范围。

D：利用整数线性规划求解方法求解得到中继节点的最优布置位置。

在本实施例中，可以采用隐枚举法、分枝定界法、割平面法等求解中继节点的最优布置位置，以及在该布置方案下的文件存储方案。对于若最优解中z_l=1，则在位置l布置中继节点，否则不进行任何布置。

针对本发明提出方法，可通过综合性数学模型语言（AMathematicalProgrammingLanguage，AMPL）描述本发明中的混合整数线性规划并利用广泛使用的数学规划优化程序CPLEX求解程序求解，在仿真实验中，设置了30个无线网状路由器，它们被随机的布置在200×200m²的区域内，依据802.11a协议，无线信道的容量设置为c=54Mbps，每个无线网状路由器的传输半径R_T设置为35m，β=2，即，干扰半径R_T设置为70m，可布置中继节点的位置共有49个，即整个区域划分为7×7网格的格点。中继节点之间以及中继节点之间的链路容量设为C=200Mbps。在本次实验中，可供布置安装的中继节点数量K的范围为：2至5个，共有|Q|=15个对等通信需求且每个通信量需求为r=10Mbps。无线存储节点的数量为H=5，文件个数F=5，每个无线存储节点的存储容量为c_h=10Mb。

表1和图6为仿真结果，其中表1为利用本发明实施例提供的方法得到的布置方法可达的最大吞吐量与将中继节点进行随机布置的方法可达的最大吞吐量的数值比较，图6把表1中的仿真结果通过曲线图进行了直观展示。

表1

表1和图6比较了中继节点在本发明所述最优布置方案和在随机布置方案下，以内容为中心的无线网状网络的网络吞吐量。从表1和图6中可以看出，虽然随着可布置的中继节点的数量K的增加，两种方案下可达的网络吞吐量均增加，随着可布置的中继节点的数量K的增加，相对于中继节点的随机布置方案，中继节点的最优布置方案使网络可达的网络吞吐量的提高越来越大。

本发明实施例提供的方法考虑了以内容为中心的无线网状网络中，无线终端之间的对等通信的传输路径可以从无线网状子网到中继节点子网再到无线网状子网，由于中继节点子网具有高网络容量和不存在信号干扰的特性，因此提高了网络吞吐量。同时，考虑了以内容为中心的无线网状网络中，无线终端所需的文件可存储在本地无线网状网络中的存储节点中，从而进一步降低通过本地无线网状网络下载文件时造成的无线传输的信号干扰，达到提高网络吞吐率的目的。中继节点的最优布置方案使得无线终端之间的对等通信的传输路径以及文件下载所经历的传输路径中所使用无线网状子网中的无线通信链路变少，从而减少了无线网状子网的负载带来的信号干扰，最终提高了整个以内容为中心的无线网状网络中的网络吞吐量。

此外，本发明使用了整数线性规划技术。针对该类型的线性规划的求解，如今已具有较成熟的各种解法。因此可以方便有效的求解得到问题的最优布置方法；本发明提供的方法具有很好的应用价值，可用于指导以内容为中心的无线网状网络中中继节点的优化布置方案，在节约网络资源的同时最大化网络吞吐率，同时，对于最大化网络吞吐率为目的的中继节点的迁移、增设、删减，以及存储节点的文件存储策略等方案的定制均具有指导意义。

Claims (4)

1.一种以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法，包括以下步骤：

A：获取所述以内容为中心的无线网状网络的参数，所述参数包括：A1：表达已存在的无线网状子网的布置状况的参数；A2：表达网络中通信需求的历史记录信息参数；A3：与中继节点相关的参数；

B：根据步骤A获取的参数将所述以内容为中心的无线网状网络表示为有向图，所述有向图由节点和链路构成，所述节点包括网关节点、中继节点、无线网状路由器节点和无线存储节点，其中，对于每个可布置中继节点的位置设定为一个虚拟中继节点，互相通信的两个节点之间具有两条方向相反的链路；

C：根据所述有向图建立中继节点的优化布置数学模型；包括：

C1：根据步骤A获得的参数定义已知参数；

C2：对变量进行定义，所述变量为：

对等通信集合中一个对等通信的数据吞吐率与带宽需求的比率、以及无线链路上属于该对等通信的数据吞吐率负载；所述无线存储节点上实际存储每个文件的空间大小与该文件大小的比率；对于每个请求某个文件的无线节点，其从每个存储节点上下载的该文件的总数据量、以及无线链路上属于该文件下载数据吞吐率负载；虚拟中继节点变量，该变量为0-1变量，布置中继节点时，变量为1，不布置中继节点时，变量为0；

C3：利用所述定义的参数和变量构建目标函数，最大化网络吞吐率，并根据无线网状网络的要求构建约束条件；

D：采用整数线性规划求解方法对所述数学模型进行求解，所述整数线性规划求解方法为隐枚举法、分枝定界法或割平面法；

E：根据数学模型的解，获取中继节点的最优布置位置。

2.根据权利要求1所述以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法，其特征在于：所述步骤A中的参数包括：

A1：表达已存在的无线网状子网的布置状况的参数：无线网状路由器节点集合、无线终端节点集合以及各节点位置信息集合；无线网状路由器中担任无线存储节点的集合以及每个无线存储节点的存储容量；单个无线信道的容量、节点的通信半径以及每个无线通信信道的信号干扰范围半径；

A2：表达网络中通信需求的历史记录信息参数：对等通信集合、每个对等通信的通信双方节点以及每个对等通信的带宽需求；无线网状网络中节点与因特网之间的通信集合以及每个通信的带宽需求；需要存储在网络中的不同文件的集合、每个文件的大小以及请求不同文件的无线节点集合；

A3：与中继节点相关的参数：每个中继节点到网关以及中继节点间的通信信道容量；需要布置的中继节点数量以及可布置中继节点的位置信息。

3.根据权利要求1所述以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法，其特征在于：步骤B中有向图的构建方法包括以下步骤：

B1：在无线网状子网中，如果两个无线网状路由器在彼此的通信半径内，则在两个无线网状路由器节点之间连接两条方向相反容量相同的链路；如果两个无线网状路由器不在彼此的通信半径内，则它们之间不连接任何链路，且每条链路设置一个信号干扰链路集合，该集合是由与这条链路相干扰的链路构成，重复步骤B1直至所有符合条件的链路连接完毕；

B2：对于中继节点子网，将有向图中每个可布置中继节点的位置当做一个虚拟中继节点，且每个虚拟中继节点与网关对应的节点之间连接两条方向相反的链路，任意两个虚拟中继节点之间连接两条方向相反的链路；任意两个虚拟中继节点之间的链路、每个虚拟中继节点与网关节点之间的链路的容量按照实际信道容量进行设置，且每个链路的信号干扰链路集合为空集；

B3：如果虚拟中继节点与无线子网中的无线网状路由器在彼此的通信范围内，则所述虚拟中继节点与所述无线网状路由器节点之间连接两条方向相反容量相同的链路，重复步骤B3直至所有符合条件的链路连接完毕；

其中步骤B1和步骤B2的执行没有先后次序。

4.根据权利要求1所述以内容为中心的无线网状网络中继节点布置方法，其特征在于：步骤C具体包括：

C1：根据步骤A获得的参数定义已知参数；

所述已知参数包括：无线网状路由器节点集合、无线终端节点集合以及各节点位置信息集合；无线网状路由器中担任无线存储节点的集合以及每个无线存储节点的存储容量；单个无线信道的容量、节点的通信半径、每个无线通信信道的信号干扰范围半径；对等通信集合、每个对等通信的通信双方节点以及每个对等通信的带宽需求；无线网状网络中节点与因特网之间的通信集合以及每个通信的带宽需求；存储在网络中的不同文件的集合、每个文件的大小以及请求不同文件的无线节点集合；每个中继节点到网关以及中继节点间的通信信道容量；需要布置的中继节点数量以及可布置中继节点的位置信息；

C2：对变量进行定义，所述变量为：

对于所述对等通信集合中的一个对等通信而言，网络所能满足的数据吞吐率与带宽需求的比率、以及无线链路上属于该对等通信的数据吞吐率负载；对于所述无线存储节点，其上实际存储每个文件的空间大小与该文件大小的比率；对于每个请求某个文件的无线节点，其从每个存储节点上下载的该文件的总数据量、以及无线链路上属于该文件下载数据吞吐率负载；对于所述中继节点的每个位置，设置0-1变量；

C3：利用所述定义的参数和变量构建目标函数，最大化网络吞吐率，并构建约束条件，所述约束条件用于保证进出无线网状路由器的数据流量守恒、保证进出中继节点和网关的数据流量守恒、定义无线链路的信号干扰所带来的约束、保证无线链路上的总数据流量不超过该链路的容量、保证如果一个中继节点布置在了可布置中继节点的位置时才会有数据流量经相应的虚拟中继节点、保证仅从所述可布置中继节点的位置集合中选取所述需要布置的中继节点总数个节点进行布置、保证存储在存储节点上的所有文件的数据总量不超过该节点的存储容量、保证每个文件请求节点从每个存储节点上下载某文件的数据总量不超过节点上存储的该文件的总数据量、保证每个文件请求节点从所有存储节点上下载文件的数据总量不超过该文件大小、给出整数变量和实数变量的取值范围。