无线mesh网中弹性虚拟子网映射方法技术

本发明专利技术公开了一种无线mesh网中弹性虚拟子网映射方法，主要解决现有无线mesh网络在资源分配和虚拟请求映射过程中映射成本高和链路平均利用率低的问题。其技术方案是：1.综合考虑无线mesh网络中底层物理网络的负载均衡和虚拟请求映射成本的最小化，建立联合动态优化问题模型；2.将联合动态优化问题分解为两个连续的静态子问题；3.描述上述两个连续的静态子问题，即物理层和MAC层的子信道资源分配子问题和虚拟网络映射子问题的目标函数和约束条件；4.求解上述两个连续的静态子问题，得到最优的资源分配矩阵和链路映射变量矩阵。本发明专利技术降低了链路映射成本，提高了链路平均利用率，可用于无线mesh网络的虚拟化。

Mapping method of resilient virtual subnet in wireless mesh network

The invention discloses a flexible wireless mesh network virtual network mapping method, which mainly solves the problem of low average utilization rate of the existing wireless mesh network in resource allocation and virtual request in the process of mapping mapping and high cost link. The technical scheme is: 1. considering the load balance and minimize the cost of the virtual map requests the underlying physical network in wireless mesh network, establish dynamic optimization problems with model; 2. will be combined with dynamic optimization problem is decomposed into two consecutive static sub problems; the 3. describes two consecutive static sub problems, the objective function and constraints the condition that the sub channel resources of the physical layer and MAC layer sub problem and virtual network mapping problem; 4. for the two consecutive static sub problems, the optimal resource allocation matrix and link mapping matrix variables. The invention reduces the cost of link mapping, improves the average utilization of link, and can be used for virtualization of wireless mesh network.

【技术实现步骤摘要】
无线mesh网中弹性虚拟子网映射方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种虚拟网络映射方法，可用于在无线mesh网络中，对资源调度和虚拟子网映射这两个问题进行优化。
技术介绍
在无线网络技术迅速发展的今天，各种802.1x标准不断被更新，新的无线网络架构也不断出现，当无线局域网方兴未艾时，无线mesh网作为一种新兴的网络出现了，它通过组织和配置网络中的节点高效动态地为城域网提供社区宽带网络接入服务。由于无线mesh网具有覆盖范围广、安装便捷、网络带宽高、部署成本低的优点，既适合提供Internet接入，又能够支持点到点通信，所以受到了多国政府和运营商的重视。将会有越来越多的网络应用和网络架构同时运行在无线mesh网络上，向用户提供某种服务或进行网络创新实验，通过无线Mesh网络虚拟化技术就能够实现这一目标。网络虚拟化是指在一个共享的物理网络资源之上创建多个虚拟网络VN，同时每个虚拟网络可以独立部署和管理。通过对无线mesh网进行虚拟化，可以实现：推动异构网络的融合和升级、网络环境、简化网络管理、保证服务质量这几个目标。无线网状网技术WMN具有较低的前期成本、便于网络维护、健壮性及可靠的服务范围等优点。正是利用自身具有的这些优点，WMN成为提高各种应用，如家庭宽带、企业网络的无线技术。但无线mesh网络在实际部署中也面临着很多挑战性的问题，如难以保证用户的接入带宽、丢包率较高、移动用户通信中断等问题。R.Matos,C.Marques,andS.Sargento,Context-basedconnectivityandcharacterizationofWirelessMeshNetworks:Simulationstudy[C],IEEEGLOBECOMWorkshops(GCWkshps),Dec.2010,pp.1118-1123.一文中研究了无线mesh网络中不同用户需求虚拟化到同一个物理网络上的映射算法，提出了一个多虚拟的结构，用来处理网状客户的环境需求的异质性，例如开销或安全性、移动模式等，但这种方法在实现过程中不能根据用户的资源请求量动态地实现资源的分配，无法满足灵活的服务质量要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种无线mesh网中弹性虚拟子网映射方法，以根据用户的资源请求量动态地进行资源分配，满足灵活的服务质量要求。本专利技术的技术思路是：建立无线mesh网络环境中的虚拟网络映射联合优化问题，并将其分解为资源分配和虚拟子网映射两个优化子问题，通过Hopfield神经网络算法求解分别得到最优的信道资源分配和虚拟网络映射方式，其实现方案包括如下：1)构建一个无线mesh网络的系统模型：1a)用物理节点无向图GS＝(NS,ES)表示无线mesh网中物理网络的拓扑结构，其中，NS是物理节点集合，ES是物理链路集合，ES中第s条物理链路用ls表示；1b)用虚拟节点无向图GV＝(NV,EV)表示虚拟网络的请求模型，其中，NV是虚拟节点集合，EV是虚拟链路集合，GV中第v个虚拟请求用gv表示；2)针对上述无线mesh网络的系统模型，综合考虑底层物理网络的负载均衡和虚拟请求映射成本的最小化，构建联合动态优化问题的目标函数：式中分子表示网络的映射成本，分母的第一项表示物理网络分配的信道带宽，第二项表示虚拟网络消耗的物理网络资源，为了避免分母为0，设置α为一个正常数；Nc为物理网络的子信道集合，nc表示第c条子信道，Bc表示子信道带宽，是物理链路ls的功率，是物理链路ls为虚拟链路lv提供的带宽量，gv(EV)表示第v个虚拟请求子网中的虚拟链路集合，lv表示gv(EV)中第v条虚拟链路；是0-1变量，表示子信道nc在物理链路ls上的分配情况；是0-1变量，表示物理链路ls在虚拟链路lv上的映射情况；3)将步骤2)构建的联合动态优化问题分解为两个连续的静态子问题：3a)设第一个连续的静态子问题的目标函数为：3b)设第二个连续的静态子问题的目标函数为：其中，i，j分别为物理链路ls的两个物理节点，N为节点个数，是物理链路(i,j)为虚拟链路lv提供的带宽量，b(ls)是各个物理链路上总的带宽资源量，表示物理链路(i,j)在虚拟链路lv上的映射情况；4)分别设定步骤3)中两个连续的静态子问题的目标函数的约束条件：4a)第一个连续的静态子问题的目标函数共有四条约束：第一条约束，是每条链路的最大容量大于最小速率请求；第二条约束，是每条子信道只能分配给一条物理链路使用；第三条约束，是所有子信道都要分配给物理链路使用；第四条约束，要求每条链路上至少要分得两条子信道，分别用于收发信息；4b)第二个连续的静态子问题的目标函数共有六条约束，第1条约束，要求所有映射到物理链路上的虚拟链路带宽需求不大于物理链路的剩余带宽；第2条约束，要求要满足流守恒定律，即从源节点流出的量要等于进入目的节点的量；第3条约束，排除了所选路径中包含不存在的物理链路的可能性；第4条约束，驱动神经元收敛于连接节点组成的有效路径；第5条约束，排除环路的可能性第6条约束，排除路径分割的可能性；5)在步骤4)添加约束的基础上，对步骤3)中提出的两个连续的静态子问题分别进行求解：5a)利用Hopfield神经网络算法求解第一个连续的静态子问题，使得第一个连续的静态子问题的目标函数最大化，得到最优的信道分配矩阵X；5b)通过步骤5a)得到的最优分配矩阵X中的元素计算各个物理链路上总的带宽资源量b(ls)，并将其代入第二个连续的静态子问题的目标函数中，利用Hopfield神经网络算法求解第二个连续的静态子问题，最小化第二个连续的静态子问题的目标函数，得到链路映射变量矩阵Y。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，由于本专利技术采用了将复杂的联合动态优化问题分解为两个连续的静态子问题的方案，分别解决了物理网络的资源分配和虚拟链路映射的问题，大大降低了原问题的求解复杂度，在保证物理网络的资源利用率的前提下，提高了虚拟子网的接入率。第二，由于本专利技术采用了Hopfield神经网络算法对虚拟网络进行映射，经过多次迭代，使能量函数收敛到了最优值，凸显出了神经网络快速收敛的特性，减少了求解时间，能够快速求解出分解后的两个连续的静态子问题的最优解。附图说明图1是本专利技术的实现流程图。图2是对本专利技术建立的无线mesh网络中物理链路分配的最大可用带宽仿真图。图3是用本专利技术求解两个连续的静态子问题时神经网络中能量函数随迭代次数变化的仿真图。图4是用本专利技术进行虚拟链路映射时支持多径映射和非多径映射时映射成本的仿真图。图5是用本专利技术进行虚拟链路映射时支持多径映射和非多径映射时链路平均利用率的仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述:参照图1，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，构建一个无线mesh网络的系统模型：1a)用物理节点无向图GS＝(NS,ES)表示无线mesh网中物理网络的拓扑结构，其中，NS是物理节点集合，ES是物理链路集合，ES中第s条物理链路用ls表示；1b)用虚拟节点无向图GV＝(NV,EV)表示虚拟网络的请求模型，其中，NV是虚拟节点集合，EV是虚拟链路集合，GV中第v个虚拟请求用gv表示。步骤2，针对上述无线mesh网络的系统模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
无线mesh网中弹性虚拟子网映射方法，包括：1)构建一个无线mesh网络的系统模型：1a)用物理节点无向图G

【技术特征摘要】
1.无线mesh网中弹性虚拟子网映射方法，包括：1)构建一个无线mesh网络的系统模型：1a)用物理节点无向图GS＝(NS,ES)表示无线mesh网中物理网络的拓扑结构，其中，NS是物理节点集合，ES是物理链路集合，ES中第s条物理链路用ls表示；1b)用虚拟节点无向图GV＝(NV,EV)表示虚拟网络的请求模型，其中，NV是虚拟节点集合，EV是虚拟链路集合，GV中第v个虚拟请求用gv表示；2)针对上述无线mesh网络的系统模型，综合考虑底层物理网络的负载均衡和虚拟请求映射成本的最小化，构建联合动态优化问题的目标函数：式中分子表示网络的映射成本，分母的第一项表示物理网络分配的信道带宽，第二项表示虚拟网络消耗的物理网络资源，为了避免分母为0，设置α为一个正常数；Nc为物理网络的子信道集合，nc表示第c条子信道，Bc表示子信道带宽，是物理链路ls的功率，是物理链路ls为虚拟链路lv提供的带宽量，gv(EV)表示第v个虚拟请求子网中的虚拟链路集合，lv表示gv(EV)中第v条虚拟链路；是0-1变量，表示子信道nc在物理链路ls上的分配情况；是0-1变量，表示物理链路ls在虚拟链路lv上的映射情况；3)将步骤2)构建的联合动态优化问题分解为两个连续的静态子问题：3a)设第一个连续的静态子问题的目标函数为：3b)设第二个连续的静态子问题的目标函数为：其中，i，j分别为物理链路ls的两个物理节点，N为节点个数，是物理链路(i,j)为虚拟链路lv提供的带宽量，b(ls)是各个物理链路上总的带宽资源量，表示物理链路(i,j)在虚拟链路lv上的映射情况；4)分别设定步骤3)中两个连续的静态子问题的目标函数的约束条件：4a)第一个连续的静态子问题的目标函数共有四条约束：第一条约束，是每条链路的最大容量大于最小速率请求；第二条约束，是每条子信道只能分配给一条物理链路使用；第三条约束，是所有子信道都要分配给物理链路使用；第四条约束，要求每条链路上至少要分得两条子信道，分别用于收发信息；4b)第二个连续的静态子问题的目标函数共有六条约束，第1条约束，要求所有映射到物理链路上的虚拟链路带宽需求不大于物理链路的剩余带宽；第2条约束，要求要满足流守恒定律，即从源节点流出的量要等于进入目的节点的量；第3条约束，排除了所选路径中包含不存在的物理链路的可能性；第4条约束，驱动神经元收敛于连接节点组成的有效路径；第5条约束，排除环路的可能性第6条约束，排除路径分割的可能性；5)在步骤4)添加约束的基础上，对步骤3)中提出的两个连续的静态子问题分别进行求解：5a)利用Hopfield神经网络算法求解第一个连续的静态子问题，使得第一个连续的静态子问题的目标函数最大化，得到最优的信道分配矩阵X；5b)通过步骤5a)得到的最优分配矩阵X中的元素计算各个物理链路上总的带宽资源量b(ls)，并将其代入第二个连续的静态子问题的目标函数中，利用Hopfield神经网络算法求解第二个连续的静态子问题，最小化第二个连续的静态子问题的目标函数，得到链路映射变量矩阵Y。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5a)中利用Hopfield神经网络算法求解第一个连续的静态子问题，按如下步骤进行：5a1)根据步骤(3a)的目标函数和步骤4a)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢小峰，赵丹萍，韩丛端，李文娜，李凯，刘博文，张海林，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61