CN101494591A - 一种端到端的路由方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端到端的路由方法，包括：节点接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；如果所述节点为目的节点，则所述目的节点根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道；所述目的节点根据所述路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，并通过所述RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。本发明实施例实现了动态分配路由路径上的节点的信道和时隙，在保障路由带宽的同时提高了频谱利用率，增加了网络吞吐量。

Description

一种端到端的路由方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种端到端的路由方法、装置和系统。

背景技术

Ad hoc网络是一种对等自组织网络，网络无需有线基础设施的支持。每个节点既是主机又是路由器，节点之间的通信通过相互转发，以多跳的方式进行。

Ad hoc网络的路由协议分为主动式和被动式两种；主动式路由协议如DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector，目的序列距离向量)、CGSR(Clusterhead Gateway Switch Routing protocol，簇头网关交换路由协议)、WRP(Wireless Routing Protocol，无线路由协议)等，节点实时地维护着网络拓扑和状态信息。因此当节点有数据发送时，能够根据路由表迅速地找到到达目的地节点的路径，即风阻的发送时延小。但在节点拓扑、状态频繁变化的网络环境中，大量的更新信息会消耗过多的资源(带宽、能量等)，使得系统效率下降。被动式的路由协议如DSR(Dynamic Source Routing protocol，动态源路由协议)、AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector routing，Ad hoc按需距离向量路由)等，节点平时并不实时地维护网络路由，只在有数据要发送时，才激活路由发现机制寻找到达目的地的路由。这种方法虽然节省了许多资源，但存在一定的会话初期延迟。

上述协议的设计目的是尽最大努力地为网络提供服务，而服务质量问题没有被很好地考虑。因为许多媒体应用具有严格的带宽或时延要求，所以adhoc网络研究的重点从尽力服务转移到了QoS(Quality of Service，服务质量)保障问题。其中带宽保障是多媒体数据会话最常见的需求，而这依赖于节点在MAC(Medium Access Control，媒体访问控制)层获得足够的传输机会。MAC协议分为无竞争性和竞争性两种，前者如TDMA(Time Division MultipleAccess，时分多址)，后者如CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)。使用无竞争性MAC比使用竞争性MAC在资源预留方面具有更加精准的量化控制。

之前已有研究者提出了一些基于TDMA的QoS路由解决方案。其中一种方案提出了纯TDMA模式下路径带宽计算和QoS路由问题，带宽计算采用一种启发式的基于贪婪策略的算法。其基本思想是计算3个邻近跳的一组无冲突的时隙，以本地最大化从源到当前节点的带宽，并将该计算方式逐跳地传递给下个节点直至到达目的节点。QoS路由方法从符合的路径中选出一条并进行资源预留，路由发现基于AODV协议。在该协议中，当源节点试图建立一条到达目的节点的带宽保障的路由时，它首先广播RREQ(Route Request，路由请求)开始路由发现过程，目的节点收到RREQ后，根据所述RREQ为路由路径上的节点分配路由时隙，然后根据分配的路由时隙生成RREP(Route Reply，路由回复)，并将所述RREP逆向转发给源节点。该方法考虑到NP(Non-deterministic Polynomial，非性多项式)完全问题的计算量而作了近似求解，但其在多信道情况下并不适用。另有一种方案研究了异步TDMA架构下端到端QoS问题，但其涉及信道分配以回避隐藏终端问题，而这需要每个节点拥有足够数目的信道。由于实际的应用场景并不总是满足节点拥有足够数目的信道，因此方法不实用。

另一方面，随着无线通信业务需求的快速增长，频谱资源的缺乏问题越来越显得突出。然而根据美国联邦通信委员会FCC的研究报告，目前频谱的利用情况极不平衡，一些免授权频段使用频繁负荷很重，而有些授权频段却经常处于空闲的状态。因此近年来，能够对不可再生的频谱资源实现再利用的CR(Cognitive Radio，认知无线电)技术受到了广泛的关注。利用CR技术，节点感知可用的频谱，并动态使用这些频谱资源。由于每个节点感知得到的可用频谱资源不尽相同，并且频谱资源随时间动态变化。因此上文提及的QoS路由方法不适用于认知无线电ad hoc网络，新的QoS路由方法需要被设计。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：目前还没有适用于认知无线电ad hoc网络的端到端带宽保障的路由方法。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种端到端的路由方法，解决现有技术频谱利用率不高的问题。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种端到端的路由方法，包括：节点接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；如果所述节点为目的节点，则所述目的节点根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道；所述目的节点根据所述路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，并通过所述RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。

本发明实施例的技术方案还提供一种节点，包括：RREQ接收模块，用于接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；分配模块，用于根据所述RREQ接收模块接收的RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道；RREP生成模块，用于根据所述分配模块分配的路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP；RREP发送模块，用于通过所述RREP生成模块生成的RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。

本发明实施例的技术方案还提供另一种节点，包括：RREQ接收模块，用于接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；目的节点判断模块，用于根据所述RREQ接收模块判断所述节点是否为所述RREQ所请求的目的节点；RREQ转发模块，用于更新所述RREQ接收模块接收的RREQ并转发所述更新后的RREQ；QoS路由约束判断模块，用于判断所述RREQ接收模块接收的RREQ是否满足QoS路由约束条件。

本发明实施例的技术方案还提供一种端到端的路由系统，其特征在于，包括：所述中间节点用于更新路由请求RREQ，并向所述中间节点的邻居节点转发更新后的RREQ；所述目的节点用于接收所述中间节点发送的RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径，根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道，并根据所述路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，通过所述RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。

上述技术方案中的一个实施例具有如下优点：本发明实施例通过目的节点为路由路径上的各个节点分配物理层可用信道和MAC层可用时隙，然后根据所述时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，并通过所述RREP将所述路由时隙和信道的分配信息按所述RREQ的反向链路发送给所述路由路径上的各个节点，因此可以实现动态分配所述路由路径上的节点的信道和时隙，在保障路由带宽的同时提高频谱利用率，增加网络吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例的一种端到端的路由方法的网络模型示意图；

图2为本发明实施例的一种端到端的路由方法的时隙示意图；

图3为本发明实施例的一种端到端的路由方法的DSR路由示意图；

图4为本发明实施例的一种端到端的路由方法流程图；

图5为本发明实施例的一种端到端的路由系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

在描述本发明实施例具体实施步骤之前，先就本发明实施例的网络模型、QoS路由约束和关联法作简要介绍。

(一)本发明实施例的网络模型

本发明实施例的网络模型示意图如图1所示，其中虚线圆代表控制和数据接口的传输范围，括号内的数字表示节点可用的信道编号。所述网络模型基于如下一些假设：

(1)所述网络的每个节点都有两个接口：控制接口和数据接口。所述控制接口使用公共控制信道(可以是超宽带UWB或者专用频带)，用于邻居发现和节点间信息交互。所述控制接口还用于路由请求和路由回复报文的传输，同时还承担时间同步等任务。所述数据接口用于数据传输(假设为半双工，不能同时收发)，其可供使用的信道根据环境中主用户的活动情况而定(如所述节点检测到某信道已被主用户占用，则所述节点不能使用该信道)。而所述节点的网络层可以通过与其物理层跨层合作获得这些可用信道信息。所述信道是在频域内固定划分的不同频带，不同信道之间无干扰，并且每个信道都有唯一的编号。由于不同频率的无线电波具有不同的传播特性，因此所述节点在设计时可考虑只在一些传播特性相近的信道上工作。

(2)所述网络的每个节点通过控制接口达到时间同步，其同步机制可以仿效有线网络方法。所述节点的MAC层使用TDMA机制，每n个时隙组成一帧(如图2所示)。所述节点网络层的路由选择可与其MAC层的时隙调度相结合。假设各个信道的时间数据率相同，则QoS路由可以在路由发现时通过指定该路由所需的时隙数目来达到带宽保障的目的，而且所述QoS路由在为每一条路由分配时隙的同时也指定该时隙所使用的信道，并且收发明确(所述时隙的分配也可以是非连续的)。如果所述相邻的时隙使用不同的信道，则所述节点在信道切换时可能会有一些延时，这可以通过在每个时隙开始处预留一些保护时间间隔来解决(如图2所示)。所述路由以(源节点，目的节点，源序列号)唯一识别。

(3)所述网络的每个节点周期性地向1跳范围内的邻居广播自身的状态信息，这些状态信息包括空闲时隙、已分配的时隙以及该时隙使用的信道。所述状态信息可以用如式1所示的一个状态矩阵STATE来表示

$\mathrm{STATE}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ -1& 0& 0& 0\end{array}\right]$

式1

其中行表示不同的信道，列表示不同的时隙，数值-1表示接收，1表示发送。所述矩阵表明节点在第1个时隙用第3个信道进行接收，在第3个时隙用第2个信道进行发送，而时隙2和4空闲。所述邻居是指在控制接口或数据接口的传输范围内可以相互识别的节点，并假设其控制接口与数据接口具有相同的传输范围。

(4)所述网络的每个节点根据其周围邻居的状态和自身的状态矩阵以及可用信道信息计算发送矩阵TX和接收矩阵RX。假设某节点设计时可在m个信道上工作，且其一个MAC帧包含n个时隙。

则所述发送矩阵TX和接收矩阵RX的计算过程如下：

1、建立一个m×n的初始矩阵M，矩阵中所有元素置1；

2、如果所述节点的某些信道不可用，则将这些信道所对应初始矩阵M的行的所有元素置0；

3、检查自身的状态矩阵STATE，如果STATE某些时隙已被使用(即有元素不为0的列)，则将所述时隙对应初始矩阵M的列的所有元素置0。

4、检查所述节点周围邻居的状态矩阵STATE，分别计算TX和RX。对于每个STATE，如果有元素为-1，则将所述初始矩阵M中相应位置的元素置0，所有邻居检查完毕后所述初始矩阵M即为TX；对于每个STATE，如果有元素为1，则将所述初始矩阵M中相应位置的元素置0，所有邻居检查完毕后所述初始矩阵M即为RX。

所述TX表示可用于发送的元素(代表可用的时隙和信道资源)，所述RX表示可用于接收的元素。例如，某节点有发送矩阵TX(如式2所示)和接收矩阵RX(如式3所示)：

$\mathrm{TX}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 1& 1& 0\end{array}\right]$ $\mathrm{RX}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]$

式2    式3

如TX[m][n]＝1，则表明该节点第n个时隙可以用第m个信道发送数据，如TX[m][n]＝0则表明该节点第n个时隙不能用第m个信道发送数据；同样如RX[m][n]＝1，则表明该节点第n个时隙可以用第m个信道接收数据。注意发送矩阵不等同于接收矩阵，这取决于邻居的状态——如果所述节点的邻居正在第n个时隙使用第m个信道发送数据，则所述邻居不能在该时隙使用该信道接收其它节点的数据，以防止干扰，但可以在该时隙使用该信道发送数据，前提是不对其它节点造成干扰。

(5)发送矩阵TX和接收矩阵RX按元素与可得到某一跳链路的传输矩阵TS(如式4所示)：

TX(发送者) $\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 1& 1& 0\end{array}\right]$ &RX(接收者) $\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]=\mathrm{TS}\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]$

式4

所述矩阵的非0元素代表了该跳链路的可用时隙，以及对应该时隙下可用的信道。

(6)路由发现基于DSR路由协议，这是一种基于源路由方式的按需路由协议。如图3所示，在DSR协议中，当源节点向目的节点发送路由请求报文RREQ时，所述请求报文RREQ可携带路经节点的地址信息，而所有路经节点的地址构成地址链；所述目的节点发送时将所述请求报文RREQ中的地址链信息复制到路由发送报文RREP，并依据地址链反向将所述发送报文RREP发送到所述源节点，建立路由。本发明实施例的QoS路由方法将修改所述DSR协议中路由请求RREQ和路由发送RREP可携带的内容，以满足算法的要求。当然，所述DSR协议也可由AODV协议代替。

(二)本发明实施例的QoS路由约束

本发明实施例的QoS路由约束条件如下：

(1)路由路径中每一跳用于传输的时隙数目满足所述QoS路由约束所需；

(2)路由路径中每一跳的发送节点与接收节点使用相同的时隙和信道；

(3)路由路径中相邻2跳用于传输的时隙禁止重叠，隔一跳的发送节点禁止使用同一信道在同一时隙发送数据；

(4)路由路径中的节点在时隙使用信道发送数据时，禁止所述节点的邻居节点在该时隙使用该信道接收数据；

(5)路由路径中的节点在时隙使用信道接收数据时，禁止所述节点的邻居节点在该时隙使用该信道发送数据。

(三)本发明实施例的关联法

本发明实施例的关联法基于QoS路由约束条件之一：路由路径中相邻2跳用于传输的时隙不能重叠；隔一跳的发送节点不能使用同一信道在同一时隙发送数据。由此可见，每一跳的传输与前后各2跳的传输相关联。我们用不同的分值表示某一跳TS的元素与前后各2跳TS元素不同的关联程度：分值5表示该元素与前后各2跳无关联，即选择相应的时隙和信道不会对其他节点有影响；分值4表示该元素与前后各2跳中的某一跳相关，即选择该元素就会使另一跳某些元素不能被使用(避免时隙和信道的选择违背QoS路由约束条件)；依次类推，分值3表示与2跳相关，分值2表示与3跳相关，分值1表示与4跳相关。因为某一跳的传输最多只与4跳关联(前后各2跳)，所以TS可用元素的最小值为1，而0为不可用元素。我们为路由每一跳选择分值较大的TS元素，使选择元素与其它链路的关联程度达到最小，从而元素选择起冲突的可能性也达到最小。

如图4所示，为本发明实施例的一种端到端的路由方法流程图，具体实施步骤如下：

步骤S401，源节点向邻居节点广播RREQ。源节点发起路由请求时，将自身的地址和TX添加于RREQ的途径节点信息中，所述RREQ的格式为：

RREQ<Src，Dest，Seq，x，Path>，

其中，Src为源节点地址，Dest为目的节点地址，Seq为源序列号，x为预设的带宽保障QoS路由所需时隙数目，保证路由路径上的每一跳在传输数据时有足够的时隙可用，Path为途经节点信息，格式为((h1，TS1)，(h2，TS2)，...，(hi，TXi))，其中h代表途径节点的地址，TS为传输矩阵，TXi为当前正在转发RREQ的节点的发送矩阵。由于所述Path中大部分TS矩阵都为稀疏矩阵，因此可用稀疏矩阵的存储方法以使RREQ数据包尽可能地小。(Src，Dest，Seq)组成三元组以唯一识别路由表项，每一表项指明路由发送数据或接收数据时所用的信道和时隙。源节点发起路由请求时，将自身的地址和发送矩阵添加于所述RREQ中，并向自身的邻居节点广播RREQ。

步骤S402，途径节点计算获取TS。途径节点中的某一节点收到所述RREQ后，根据所述RREQ的Path中的TX和本节点的RX计算本节点上一跳的TS，具体为将收到的RREQ的Path中的TX与本节点的RX进行与运算，运算结果即为本节点上一跳的TS。

步骤S403，途径节点判断自身是否为目的节点。上述节点在计算获取本节点的上一跳的TS之后，判断自身是否为目的节点，如果自身不是目的节点，则执行步骤S404，否则，执行步骤S407。

步骤S404，中间节点判断RREQ是否满足QoS路由约束条件，如果不满足QoS路由约束条件则执行步骤405，否则，执行步骤S406。

步骤S405，该中间节点丢弃该RREQ。

步骤S406，中间节点更新并广播RREQ。上述节点在判断自身为中间节点后，用本节点上一跳的TS替换本节点接收到的RREQ的Path中的TX，同时将自身的地址和TX添加于该RREQ的Path中，更新RREQ，并向自己的邻居节点广播更新的RREQ，然后执行步骤S402。

步骤S407，目的节点存储RREQ，上述节点在判断自身为目的节点后，存储从多条路径传来的RREQ，以便于当一条路径不能计算出路由时隙和信道时，可以计算另一条，增加得到可行解的几率。

步骤S408，目的节点判断RREQ是否满足QoS路由约束条件。在存储RREQ之后，上述目的节点进一步判断所述RREQ是否满足QoS路由约束条件，如果所述RREQ不满足QoS路由约束条件，则执行步骤S409，否则，执行步骤S410。

步骤S409，目的节点丢弃该RREQ。

步骤S410，计算每一跳的关联值矩阵。上述目的节点从收到的RREQ中得到该路由路径上所有节点的每一跳的传输矩阵TS1，TS2，TS3，...，TSk，将所有TS的元素乘以5，得到各矩阵元素的初始关联值(如式5)。逐列比较TS1和TS2，若某一列TS 1和TS2都有非0元素，则将两个矩阵在该列的非0元素的值减1(因为相邻2跳不能选择同一时隙进行传输，即不能使用同一列的元素，它们是列相关的，如式6所示)。继续逐列比较TS2和TS3，如某一列TS2和TS3都有非0元素，则将两个矩阵在该列的非0元素的值减1；同时按元素比较TS1和TS3，如某行某列TS1和TS3的元素都为非0，则将这两个非0元素的值同时减1(因为相隔一跳的发送者不能使用同一信道在同一时隙发送数据，它们是元素相关的，如式7所示)。以后每一跳TSi都与TSi-1逐列比较，同时每一跳TSi与TSi-2按元素比较，将相互冲突的元素减值，直至TSk计算完毕。这样我们得到所有的关联值矩阵(如式8所示)，值越大的元素与其它链路关联性越小。

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 5\\ 0& 5\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}5& 0\\ 0& 5\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}5& 5\\ 5& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}5& 0\\ 5& 0\end{array}\right]$

式5

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 4\\ 0& 4\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}5& 0\\ 0& 4\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}5& 5\\ 5& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}5& 0\\ 5& 0\end{array}\right]$

式6

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 3\\ 0& 4\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}4& 0\\ 0& 3\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}4& 3\\ 4& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}5& 0\\ 5& 0\end{array}\right]$

式7

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 3\\ 0& 4\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}3& 0\\ 0& 3\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}3& 3\\ 3& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}3& 0\\ 4& 0\end{array}\right]$

式8

步骤S411，根据关联值矩阵分配路由时隙和信道。带宽保障QoS路由需要在每个传输矩阵中选出不同列的x个元素，一般倾向于在矩阵中选择关联值最大且不同列的x个元素。首先选择TS1中最大的且不同列的x个元素，同时修改TS2和TS3：将TS2中与TS1所选元素在相同列上的元素置0，将TS3中与TS1所选元素在相同位置的元素置0。然后从修改后的TS2中选择最大的且不同列的x个元素，同时修改TS3和TS4。接下去的每一跳都选择最大且不同列的x个元素，同时修改后两跳的传输矩阵，直至完成最后一跳TSk的元素选择。

以4跳2×2关联值矩阵序列(如式8所示)为例，假设QoS路由所需的时隙数为1。首先在TS1中选择最大的非0元素TS1[2][2]，然后修改TS2和TS3：将TS2第2列的元素置0，同时将TS3第2行第2列的元素置0(如式9所示)。考虑TS2，从中选出最大的非0值TS2[1][1]，然后将TS3第1列的元素置0，同时将TS4第1行第1列的元素置0(如式10所示)。同样考虑TS3和TS4，元素选择过程的最后结果为TS1[2][2]、TS2[1][1]、TS3[1][2]和TS4[2][1](如式11所示)。通过对最大关联值元素的选择，找到了一种满足带宽保障QoS路由要求的时隙和信道分配方法。

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 3\\ 0& 4*\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}3& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}3& 3\\ 3& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}3& 0\\ 4& 0\end{array}\right]$

式9

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 3\\ 0& 4*\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}3*& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}0& 3\\ 0& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 4& 0\end{array}\right]$

式10

${\mathrm{TS}}_1=\left[\begin{array}{cc}0& 3\\ 0& 4*\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_2=\left[\begin{array}{cc}3*& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_3=\left[\begin{array}{cc}0& 3*\\ 0& 0\end{array}\right]$ ${\mathrm{TS}}_4=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 4*& 0\end{array}\right]$

式11

步骤S412，目的节点发送RREP。上述目的节点根据关联法分配的路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址，将每一跳TS中分配的元素置1，其它元素置0，生成RREP，并通过所述RREP将所述路由时隙和信道的分配信息按所述RREQ的反向链路发送给所述路由路径上的各个节点。所述RREP格式为：

RREP<Src，Dest，Seq，x，Path>

其中RREP的其它参数与RREQ相同，Path的格式为((h1，TS*1)，(h2，TS*2)，...，(hk，TS*k))，TS*表示经时隙和信道分配后的传输矩阵(由于TS*矩阵一般为稀疏矩阵，因此可用稀疏矩阵存储方法减小RREP数据包的大小)。

步骤S413，路由路径上的节点接收该RREP。路由路径上的某一节点接收该RREP。

步骤S414，路由路径上的判断自身资源是否可用。上述路由路径上的某一节点在接收到该RREP后，判断自身资源是否可用，如果自身资源不可用，则执行步骤S415；否则，执行步骤S416。

步骤S415，目的节点重选RREQ。当上述路由路径上的节点接收到RREP后，发现自身的资源不可用，则沿着RREP的地址链向目的节点发送路由撤销报文，所述节点同时撤销其为该路由分配的资源。然后目的节点重选一条RREQ的路由路径，并为所述重选路由路径上的各个节点分配路由时隙和信道；然后根据所述分配的路由时隙和信道以及所述重选的RREQ指示的途经节点地址生成新的RREP，并通过所述新的RREP将所述路由时隙和信道的分配信息发送至所述重选的RREQ路由路径上的各个节点。

步骤S416，路由路径上的根据RREP的指示为路由预留相应的资源，并转发RREP。路由路径上的根据所述RREP的Path中的传输矩阵TS*更改自身的STATE、TX和RX，为该路由预留相应的资源，并转发所述RREP至下一个所述路由路径上的节点。

步骤S417，源节点判断是否建立起路由。源节点判断是否在预定时间收到该RREP，如果在预定时间未收到RREP，则执行步骤S418；否则，执行步骤S419。

步骤S418，源节点重新发起路由，具体的：源节点在发起路由后进入等待状态，如果在预定时间内未收到RREP，则认为符合带宽保障要求的QoS路由失败，该源节点等待一段时间后重新发起路由请求。

步骤S419，路由建立成功。源节点在发起路由后，如果在定时器预定时间内收到RREP，则认为符合带宽保障要求的QoS路由找到，该建立路由。所述路由为某一会话分配专有的资源，当会话结束时，所述路由路径上的所有节点释放为该路由分配的资源以供其它路由使用。所述节点为每一路由设置一个定时器，每次有数据使用该路由则将定时器清0。如果路由在规定时间Δt内未被使用，则所述节点认为该路由已失效，并从高速缓存储器Cache中删除该路由，同时释放该路由占用的资源，而如果节点因为移动或者停机造成路由断裂时，断裂处的上游节点发送消息告知源节点，以便源节点重新发起RREQ。当源节点与断裂处之间的节点收到消息后从所述Cache中删除该路由并释放相应资源，断裂处的下游节点若在所述Δt时间内没有传输数据，则自动删除路由并释放资源。

本发明实施例通过目的节点为路由路径上的各个节点分配物理层可用信道和MAC层可用时隙，然后根据所述时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，并通过所述RREP将所述路由时隙和信道的分配信息按所述RREQ的反向链路发送给所述路由路径上的各个节点，因此，当某一节点的为某一路由路径分配的信道空闲时，其他路由路径能够能使用该信道，从而实现了动态分配所述路由路径上的节点的信道和时隙，在保障路由带宽的同时，提高了频谱利用率，增加了网络吞吐量，适用于拥有动态多信道的认知无线电ad hoc网络。

如图5所示，为本发明实施例的一种端到端的路由系统结构图，包括：目的节点1、中间节点2和源节点3，目的节点1用于接收中间节点2发送的RREQ，获知上述RREQ所请求的路由路径，根据上述RREQ为路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道，并根据路由时隙和信道以及上述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，通过RREP按上述RREQ的反向链路向路由路径上的各个节点发送路由时隙和信道的分配信息。中间节点2用于更新RREQ，并向中间节点2的邻居节点转发更新后的RREQ。源节点3用于向中间节点2发送RREQ。

其中，目的节点1，进一步包括：RREQ接收模块11，用于接收RREQ，获知上述RREQ所请求的路由路径；分配模块12，用于根据RREQ接收模块11接收的RREQ为上述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道；RREP生成模块13，用于根据分配模块12分配的路由时隙和信道以及上述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP；RREP发送模块14，用于通过RREP生成模块14生成的RREP按RREQ的反向链路向路由路径上的各个节点发送路由时隙和信道的分配信息。

其中，目的节点1，还包括：传输矩阵获取模块15，用于根据RREQ接收模块11接收的RREQ的Path中的发送矩阵TX和本节点的接收矩阵RX计算本节点的上一跳的传输矩阵TS；QoS路由约束判断模块16，用于判断RREQ接收模块11接收的RREQ是否满足QoS路由约束条件，如果RREQ满足QoS路由约束条件，则指示分配模块12根据上述RREQ为路由路径上的节点分配路由时隙和信道；撤销报文接收模块17，用于接收路由路径上的节点发送的路由撤销报文，上述路由撤销报文为路由路径上的节点在发现自身的资源不可用时，向目的节点1发送的路由撤销报文；路由重选模块18，用于根据路由撤销报文重选另一条RREQ的路由路径，并指示分配模块为重选路由路径上的各个节点分配路由时隙和信道，RREP生成模块13根据分配模块12分配的路由时隙和信道生成新的RREP，并通过新的RREP发送路由时隙和信道的分配信息。

其中，分配模块12，进一步包括：关联值矩阵获取子模块121，用于根据上述RREQ接收模块11接收的RREQ的Path中的TS计算路由路径上的每一跳的关联值矩阵，上述每一跳的关联值矩阵的矩阵元素指示该时隙和信道与其他路由路径的关联程度；关联矩阵元素选择子模块122，用于在关联值矩阵获取子模块121获取的每个关联值矩阵的矩阵元素中选择X个与其他路由路径的关联程度最小的矩阵元素，上述X为预设的带宽保障QoS路由所需时隙数目。

其中，中间节点2，进一步包括：RREQ接收模块21，用于接收路由请求RREQ，获知RREQ所请求的路由路径；目的节点判断模块22，用于根据RREQ接收模块21判断节点是否为RREQ所请求的目的节点；RREQ转发模块23，用于更新RREQ接收模块21接收的RREQ并转发更新后的RREQ；QoS路由约束判断模块24，用于判断RREQ接收模块21接收的RREQ是否满足QoS路由约束条件；RREP转发模块25，用于接收目的节点1发送的RREP，并在判断本节点资源可用时，更新节点的状态矩阵STATE、TX和RX，并向下一个路由路径上的节点转发RREP。

本发明实施例通过目的节点1为路由路径上的各个节点分配物理层可用信道和MAC层可用时隙，然后根据所述时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，并通过所述RREP将所述路由时隙和信道的分配信息按所述RREQ的反向链路发送给所述路由路径上的各个节点，因此，当某一节点的为某一路由路径分配的信道空闲时，其他路由路径能够能使用该信道，从而实现了动态分配所述路由路径上的节点的信道和时隙，在保障路由带宽的同时，提高了频谱利用率，增加了网络吞吐量，适用于拥有动态多信道的认知无线电ad hoc网络。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

权利要求的内容记载的方案也是本发明实施例的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例方法中的全部或部分处理是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中。

以上所述仅是本发明本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (19)

1、一种端到端的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

节点接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；

如果所述节点为目的节点，则所述目的节点根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道；

所述目的节点根据所述路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，并通过所述RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。

2、如权利要求1所述端到端的路由方法，其特征在于，还包括：

所述每个节点包括一个状态矩阵STATE，所述STATE的状态信息包括所述节点的空闲时隙，已分配时隙和所述已分配时隙所使用的信道。

3、如权利要求2所述端到端的路由方法，其特征在于，还包括：所述节点周期性向所述节点的邻居节点广播所述STATE，并从所述节点的邻居节点接收所述邻居节点的STATE，并依据所述邻居节点的STATE计算获取所述节点的发送矩阵TX和接收矩阵RX，所述TX的矩阵元素指示所述节点可用于发送数据的时隙和信道，所述RX的元素指示所述节点可用于接收数据的时隙和信道。

4、如权利要求1所述端到端的路由方法，其特征在于，所述RREQ格式为：

RREQ<rc，Dest，Seq，x，Path>；

其中，Src为源节点地址；Dest为目的节点地址；Seq为源序列号，且Src、Dest和Seq组成三元组，用于唯一识别一条路由，并据此路由路径，中间节点丢弃重复收到的同一路由请求；x为预设的带宽保障QoS路由所需时隙数目，保证所述路由路径上的每一跳在传输数据时有足够的时隙可用；Path为途经节点信息。

5、如权利要求4所述端到端的路由方法，其特征在于，所述途经节点信息具体包括：途经节点的地址、路由路径中每一跳的传输矩阵TS、以及当前正在发送所述RREQ的节点的TX；所述一跳是指由发送方和对应接收方组成的传输节点对；所述TS的矩阵元素指示所述一跳可用于传输的时隙和信道。

6、如权利要求5所述端到端的路由方法，其特征在于，还包括：

所述节点根据RREQ的Path中的TX和所述节点的RX计算所述节点的上一跳的TS。

7、如权利要求1所述端到端的路由方法，其特征在于，还包括：

如果所述节点为目的节点，且所述RREQ满足QoS路由约束条件，则根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配路由时隙和信道。

8、如权利要求5或7所述端到端的路由方法，其特征在于，还包括：

如果所述节点为中间节点，且所述RREQ满足QoS路由约束条件，则更新RREQ，更新RREQ的方法为：把所述接收到的RREQ的Path中的TX作为所述节点的上一跳的TS，并把接收到的RREQ的Path中的TX更新为所述节点的TX，向所述节点的邻居节点发送更新的RREQ。

9、如权利要求2所述端到端的路由方法，其特征在于，所述目的节点根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配路由时隙和信道，具体包括：

根据所述RREQ的Path中的TS计算所述路由路径上的每一跳的关联值矩阵，所述每一跳的关联值矩阵的矩阵元素指示该时隙和信道与其他路由路径的关联程度；

在所述每个关联值矩阵的矩阵元素中选择X个与所述其他路由路径的关联程度最小的矩阵元素，所述X为预设的带宽保障QoS路由所需时隙数目。

10、如权利要求1所述端到端的路由方法，其特征在于，所述RREP的格式为：

RREP<Src，Dest，Seq，x，Path>；

其中，Src为源节点地址；Dest为目的节点地址；Seq为源序列号，且Src、Dest和Seq组成三元组，用于唯一识别一条路由；x为预设的带宽保障QoS路由所需时隙数目，保证所述路由路径上的每一跳在传输数据时有足够的时隙可用；Path为途经节点信息，所述Path包括RREQ指示的途经节点的地址、以及指示目的节点为途经每一跳分配的时隙和信道的传输矩阵TS^*。

11、如权利要求1所述端到端的路由方法，其特征在于，还包括：所述节点接收路由路径上的节点发送的路由撤销报文，所述路由撤销报文为所述路由路径上的节点在发现自身的资源不可用时，向所述节点发送的路由撤销报文；

所述节点重选一条RREQ的路由路径；

为所述重选路由路径上的各个节点分配路由时隙和信道；

根据所述分配的路由时隙和信道以及所述重选的RREQ指示的途经节点地址生成新的RREP，并通过所述新的RREP发送所述路由时隙和信道的分配信息。

12、一种节点，其特征在于，包括：

RREQ接收模块，用于接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；

分配模块，用于根据所述RREQ接收模块接收的RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道；

RREP生成模块，用于根据所述分配模块分配的路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP；

RREP发送模块，用于通过所述RREP生成模块生成的RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。

13、如权利要求12所述节点，其特征在于，还包括：

传输矩阵获取模块，用于根据所述RREQ接收模块接收的RREQ的Path中的发送矩阵TX和所述节点的接收矩阵RX计算所述节点的上一跳的传输矩阵TS。

14、如权利要求12所述节点，其特征在于，还包括：

QoS路由约束判断模块，用于判断所述RREQ接收模块接收的RREQ是否满足QoS路由约束条件；如果所述RREQ满足QoS路由约束条件，则指示分配模块根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配路由时隙和信道。

15、如权利要求12所述节点，其特征在于，还包括：

撤销报文接收模块，用于接收所述路由路径上的节点发送的路由撤销报文，所述路由撤销报文为所述路由路径上的节点在发现自身的资源不可用时，向所述节点发送的路由撤销报文；

路由重选模块，用于根据路由撤销报文重选另一条RREQ的路由路径，并指示所述分配模块为所述重选路由路径上的各个节点分配路由时隙和信道；

所述RREP生成模块根据所述分配模块分配的路由时隙和信道生成新的RREP，并通过所述新的RREP发送所述路由时隙和信道的分配信息。

16、如权利要求12所述节点，其特征在于，所述分配模块进一步包括：

关联值矩阵获取子模块，用于根据所述RREQ接收模块接收的RREQ的Path中的TS计算所述路由路径上的每一跳的关联值矩阵，所述每一跳的关联值矩阵的矩阵元素指示该时隙和信道与其他路由路径的关联程度；

关联矩阵元素选择子模块，用于在所述关联值矩阵获取子模块获取的每个关联值矩阵的矩阵元素中选择X个与所述其他路由路径的关联程度最小的矩阵元素，所述X为预设的带宽保障QoS路由所需时隙数目。

17、一种节点，其特征在于，包括：

RREQ接收模块，用于接收路由请求RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径；

目的节点判断模块，用于根据所述RREQ接收模块判断所述节点是否为所述RREQ所请求的目的节点；

RREQ转发模块，用于更新所述RREQ接收模块接收的RREQ并转发所述更新后的RREQ；

QoS路由约束判断模块，用于判断所述RREQ接收模块接收的RREQ是否满足QoS路由约束条件。

18、如权利要求17所述节点，其特征在于，还包括：

RREP转发模块，用于接收目的节点发送的RREP，并在判断所述节点资源可用时，更新所述节点的状态矩阵STATE、TX和RX，并向下一个所述路由路径上的节点转发所述RREP。

19、一种端到端的路由系统，其特征在于，包括：中间节点和目的节点，

所述中间节点用于更新路由请求RREQ，并向所述中间节点的邻居节点转发更新后的RREQ；

所述目的节点用于接收所述中间节点发送的RREQ，获知所述RREQ所请求的路由路径，根据所述RREQ为所述路由路径上的节点分配相应的路由时隙和信道，并根据所述路由时隙和信道以及所述RREQ指示的途经节点地址生成路由回复RREP，通过所述RREP按所述RREQ的反向链路向所述路由路径上的各个节点发送所述路由时隙和信道的分配信息。

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