[发明专利]一种面向大规模密集无线网络的分层式负载均衡方法

权利要求书

1.一种面向大规模密集无线网络的分层式负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对AP进行簇划分；

步骤2，进行AP簇间的负载均衡调度；

步骤3，进行AP簇内的负载均衡调度；

步骤1包括：

步骤1-1，在N个AP中随机选取其中的K个不同的AP，来作为K个AP簇的初始中心点；

步骤1-2，计算N个AP分别到K个不同的AP簇的初始中心的距离，根据距离最短原则，将N个AP分别划分到最近的AP簇中；

步骤1-3，对已经划分完成的AP簇，根据距离最短原则重新计算各AP簇的初始中心点，如果新的AP簇的初始中心点与前一次迭代过程的AP簇初始中心点不一致，则对各AP重新调整划分至最近的AP簇中，进行下一次迭代，即重新回到步骤1-2中；如果各AP簇初始中心点没有任何变化，说明此时分簇完成；

步骤2包括：

步骤2-1，对于能够在AP簇间进行迁移的终端用户的负载均衡调度问题，将所述问题转换成二分图来进行处理：将无线网络用二分图G＝(U∪F，E)进行表示，把每一个AP簇都作为二分图的一个顶点子集F＝{f₁，f₂...f_n}，其中，n为所有AP簇的数量；把无线网络中的能够进行簇间迁移的终端用户作为二分图的另一个顶点子集U＝{u₁，u₂...u_m}，其中m为所有能够进行簇间迁移的终端用户数量；最后，将两个子集F和U中顶点之间的关联表示为顶点之间的边集E＝{(f，u)|u∈U，f∈F，u∈f}，其中，f表示AP簇中的顶点集合，u表示用户顶点，若第j个终端用户u_j在第i个AP簇f_i的覆盖范围内，则在f_i与u_j之间存在边，否则不存在边，i取值为1～n，j取值为1～m；最终得到一个图G＝(U∪F，E)；由于在顶点子集F和U中均不存在内部边，因此图G是一个二分图；

步骤2-2，基于二分图G，寻找初始的半匹配图：对于二分图G＝(U∪F，E)，如果在边集中，对u_i，u_i∈U，有且仅有一个f_j，f_j∈F，存在一条到u_i的边e_k＝(f_j，u_i)且e_k∈M，则M称为二分图G的半匹配，基于贪心策略寻找初始半匹配；

步骤2-3，在初始的半匹配二分图上进行负载均衡调度，目标是寻找到初始的半匹配二分图的最小半匹配，以完成负载均衡的优化；

步骤2-2中，所述基于贪心策略寻找初始半匹配，具体包括：

步骤2-2-1，基于已构造的二分图：先对半匹配M初始化为空集，即再定义节点u_i的度数为d(u_i)，其值为与u_i关联边条数，对以d(u_i)升序的顺序对U进行遍历；

步骤2-2-2，将u_i与负载最小的f_j相匹配，负载相同的情况下，选择度数较小的f_j进行匹配，并将边加入到M中；

步骤2-3包括：

步骤2-3-1，根据如下公式定义顶点集上每一个点的均衡度：

其中，d(f_j)为第j个顶点f_j当前关联的边数，f_j∈F，C_M(f_j)表示第j个顶点的均衡度；

步骤2-3-2，对于半匹配M，其均衡程度T(M)表示为：

T(M)＝∑C_M(f_j)，

T(M)越大，则表明当前的半匹配越不均衡；

步骤2-3-3，寻找到T(M)最小的半匹配，将具有最小T(M)的半匹配称为最优半匹配；

步骤2-3-3包括：

步骤2-3-3-1，定义替换路径P：P＝(f₁，u₁，...，u_k-1，f_k)，P∈G，若对且(u_i，f_i+1)∈E/M，则称P为G中的一条替换路径；

步骤2-3-3-2，基于已构造的半匹配图：对寻找当前C_M(f_j)最小的f_j与之进行匹配，并将边加入M中，

步骤2-3-3-3，寻找M中的均衡减小路径并将其消除：

以d(f_j)降序的顺序对F进行遍历：

以f_j为根结点建立一条替换路径的树T；

找出树T中d(f_k)_min的结点为f_k，若其满足d(f_k)＜d(f_j)-1且|d(f_k)|+1≤C_k，则(f_j，u_j，...，u_k-1，f_k)为均衡减小路径，C_k为f_k的最大负载；

交换替换路径(f_j，u_j，...，u_k-1，f_k)中的每一对邻边(f_j，u_j)和(u_j，f_j+1)，至此，完成在AP簇之间的负载均衡的调度；

步骤3包括：

步骤3-1，对于能够在AP簇内进行迁移的终端用户的负载均衡调度问题，将所述问题转换成二分图来进行处理：将每个AP簇内的网络用二分图G′＝(U′∪F′，E′)进行表示，把每一个AP都作为二分图的一个顶点子集F′＝{f′₁，f′₂...f′_N}，把终端用户作为二分图的另一个顶点子集U′＝{u′₁，u′₂...u′_N}；

终端用户在AP的覆盖范围内，则在f′与u′之间存在边，否则不存在边，则得到一个图G′＝(U′∪F′，E′)，其中E′＝{(f′，u′)|u′∈U’，f′∈F′，u′∈f′}；

在顶点子集F′和U′中均不存在内部的边，因此图G′是一个二分图；

步骤3-2，基于二分图定义，利用步骤2-2中的方法寻找初始的半匹配图；

步骤3-3，在初始的半匹配二分图上进行负载均衡调度，利用步骤2-3中的方法完成AP簇内部的负载均衡的优化。