CN101547491A - 一种移动自组织网络系统路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动自组织网络系统的路由方法。该路由方法是在优化链路状态路由协议OLSR(Optimized Link State Routing)的基础上进行的，包含了以下步骤：根据位置和运动趋势计算一个移动节点O与其二跳相邻节点之间的通信概率Pi；将二跳相邻节点按其通信概率Pi由大到小进行排序；从通信概率Pi大的二跳相邻节点开始计算，从节点O的一跳相邻节点中选取一个可达该二跳相邻节点的一跳相邻节点加入多点中继MPR集合。通过使用本发明，移动自组织网络系统即使在节点移动速度比较快的情况下，也能保持高的数据投递成功。

Description

一种移动自组织网络系统路由方法

技术领域

本发明属于移动通讯技术领域，具体涉及一种移动自组织网络系统路由方法。

背景技术

移动自组网MANET(mobile ad hoc Networks)是由移动的可以互相通信的主机组成的无线网络。基于无线功率有限、信道利用率以及节能方面的考虑，一台主机可能不直接与它的目的主机进行通信，而需要其他主机帮助转发，通过多跳以达到目的主机。在MANET中，每台主机既是终端(业务源)，又是路由器(为其他主机转发分组)。而且由于MANET不具备固定的网络基础设施，加上主机的移动性以及无线通信的时变特性，使得MANET的网络拓扑经常发生变化。

如果节点移动速度比较快，网络拓扑变化频繁，由传统的MANET路由选择算法得出的路径信息有可能很快变的不可达，势必重新进行选择路由，并会在一定程度上造成数据传输过程中数据包的丢失，从而严重影响网络性能。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种移动自组织网络系统路由方法，即使在节点移动速度比较快的情况下，也能保持高的数据投递成功率。

在实现本发明的目的时，使用了以下技术手段：该路由方法包括有以下步骤：

根据节点位置和运动趋势计算一个节点O与其二跳相邻节点之间的通信概率Pi；

将二跳相邻节点按通信概率Pi由大到小进行排序；

从通信概率Pi大的二跳相邻节点开始计算，从节点O的一跳相邻节点中选取一个可达该二跳相邻节点的一跳相邻节点加入多点中继MPR(Multi PointRelays)集合。

在本发明中，由于通信概率Pi是随着节点位置和运动趋势而变化的，因此就能够适应网络拓扑的频繁变化，从而在节点移动速度比较快的情况下，也能保持高的数据投递成功率，减少数据传输过程中数据包的丢失。

附图说明

图1是节点相对运动示意图。

图2是多点中继MPR集合选择流程图。

图3是鱼眼(Fisheye)区域构建示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

多点中继MPR(Multi Point Relays)技术是OLSR优化的关键所在。经典的OLSR路由协议在选择MPR集时，通过HELLO消息，每个节点可以获知自己的一跳和两跳邻居，形成相应的第一跳节点集合和第二跳节点集合。网络中每个节点将各自独立地通过算法在它的一跳邻居中选择MPR，这一MPR子集选择成立的前提是能够覆盖该节点所有的两跳邻居。由于该算法一味的强调选择MPR集时一定要是最小子集，当然，对于节点移动速度相对比较慢的移动自组网来说，这样做的目的无可厚非，就是想最大限度的减少控制信息的转发，减小链路信息泛洪，以达到节省网络带宽、提高网络系统处理能力。然而对于移动速度较高的通讯系统，经典的OLSR路由协议选择出来的MPR集，很有可能还没来得及传输数据包，网络拓扑就已经发生了改变。这样的MPR集是按照第一跳节点与第二跳节点的连接度进行算法选择的，由于网络拓扑更新比较快就算是那些连接度比较大的节点，由于速度的影响，早就移动出了可通信范围，那势必造成网络的不可达。因此，鉴于节点移动的高速性，在选择MPR集时也应该参考节点链路信息的及时性等相关信息。

本实施例在优化链路状态路由协议OLSR(Optimized Link State Routing)的基础上提出了改进链路状态优化协议IOLSR(Improved Optimized LinkState Routing Protocol)，对于MPR选择机制进行了优化，并利用鱼眼(Fisheye)原理减少了拓扑控制信息TC(Topology Control)的发送数量。本实施例所采用的方法适用于移动设备节点均配备如全球定位系统GPS(Global Positioning System)等定位系统的MANET网络中的路由协议，例如快速移动环境下的MANET无人机网络、地面移动车辆MANET网络等。

综合多个影响MPR选择的因素，为保证在高速移动、拓朴变化剧烈环境下消息的可达程度，在这里，将考虑节点的传输概率Pi，时间戳差值(t2-t1)，以及节点的连接度N。

首先，考虑移动节点的传输概率问题，例如无人机网络节点都装有如GPS等定位系统，节点可以提供自身的当前所在坐标位置，同时，所有飞行节点都有自身时间同步算法。当一个节点从另一个节点旁边通过时，先后可能收到多个HELLO消息，对这些HELLO消息进行修改，让其携带节点自身的GPS位置信息以及时间戳，通过HELLO消息到达的先后，可以判断两节点之间的相对移动情况。当节点运动远离，传输概率下降，反之当节点相对运动位置靠近，则传输概率增加。

在本实施例的MPR选择机制中，引入了选择优先度Ai。Ai为节点传输概率Pi及时间戳差值(t2-t1)和节点的连接度N的加权值。

通信概率Pi定义如下：

如图1所示，设定节点O为坐标原点，其他节点对于节点O做相对运动。节点O坐标为(x0，y0)，M节点某一时间在坐标(x1，y1)处进入节点O通信范围，节点通信半径为R。

节点由于自身的位置信息所决定的基本通信概率P_b设为：

$P_b=\left\{\begin{array}{cc}0& (d\&RightArrow;0)\\ 1-(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}/R)& (0<d<R)\\ 1& (d=R)\end{array}\right.---\left(1\right)$

再引入一个通信概率的修正系数ρ，通过节点M在每个位置上个HELLO消息时候的位置，则可以知道其运动趋势，并得到一个运动方向。设时间段参数Δt，可以预先计算得到节点M运动到坐标(x2，y2)及(x3，y3)时经过Δt时刻的位置坐标，从而得到该时刻与节点O的距离d2’以及d3’，分别将d2与d2’，d3与d3’做相关处理，可以设定通信概率变化修正系数ρ公式：

ρ＝λ(d-d′)/((Δt+η)R)(λ>0，Δt>0，η≥0)           (2)

通信概率Pi则为：

P_i＝P_b+ρ＝P_b+λ(d-d′)/((Δt+η)R)(λ>0，Δt>0，η≥0)  (3)

即：

$P_i=(1-(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}/R))+\mathrm{\&lambda;}\left(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}\right)$

                                                   (4)

$\begin{array}{cc}-\sqrt{{(x_{\mathrm{\&Delta;t}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{\&Delta;t}}-y_0)}^2}/\left((\mathrm{\&Delta;t}+\mathrm{\&eta;})R\right)& (\mathrm{\&lambda;}>0,\mathrm{\&Delta;t}>0,\mathrm{\&eta;}\&GreaterEqual;0)\end{array}$

其中：

λ、η为通信概率Pi的计算参数；Δt为时间段参数。

构建MPR的选择优先度Ai为：

Ai＝αPi+βe^(t2-t1)+γN(α≥0，β≥0，γ≥0，t2>t1)       (5)

其中，α，β，γ为相关系数，t2及t1分别为新收到节点i的包的时间戳信息及原有对节点i记录的时间戳信息，即(t2-t1)为一个时间戳差值。

为说明本实施例的MPR选择机制，先对以下术语进行解释：

一个接口的一跳相邻节点：假如一个本地节点上的一个接口存在一条链到达一个相邻节点的任何一个接口，那么这个本地节点就是“该接口的一个一跳相邻节点”。

从一个接口可达的二跳相邻节点：指一个节点的二跳相邻节点列表，从该接口的一跳相邻节点可达该节点。

一个接口的MPR集合：指一个接口的一跳相邻节点集合(子集)，这些一跳相邻节点被设置成愿意为其他节点传输信息，通过这些选定的一跳相邻节点，从该接口可达所有二跳相邻节点。

N1：表示一个节点的一跳相邻节点子集，这些一跳相邻节点是每个接口I的一跳相邻节点。

N2：表示从每个接口I可达的二跳相邻节点集合，但是不包括：

只能通过集合N1的不愿意为其他节点转发信息的成员到达的那些节点。

正在执行MPR计算的那个节点。

全部对称相邻节点：对于这些相邻节点，在某个接口上存在一条链可达该节点。

如图2所示，MPR选择机制说明如下：

从一个节点的一个接口的MPR集合开始计算，该MPR集合中的节点其N_willingness(转发意愿程度)域设置为WILL_ALWAYS(即总是愿意为其他节点转发信息)。

计算N2中节点的传输概率Pi，并将其N2中的节点按照传输概率Pi进行从大到小排序。

如果从一跳相邻节点集合N1中只有唯一的节点能够可达二跳相邻节点集合N2中的1个节点，则将N1中的该节点加入MPR集合中。

如果从一跳相邻节点集合N1中存在多个节点能够可达二跳相邻节点集合N2中的1个节点，则从N1中的这些节点中选择转发意愿程度最高的节点加入MPR集合中。

如果N1中的这些节点中节点转发意愿程度最高的有多个节点，则选择可达N2中节点数量最多的那个节点加入MPR集合中。

如果N1中的这些节点中可达N2中节点数量最多的有多个节点，则选择优先度Ai最高的那个节点加入MPR集合中。

如果N1中的这些节点中优先度Ai最高的有多个节点，则选择节点密度最高的那个节点加入MPR集合中。其中节点密度为该节点对称相邻节点的数量，但不包括所有相邻节点、以及正在执行该MPR计算的那个节点、和已进入MPR集合相邻节点所覆盖的二跳相邻节点。

每当N1中的一个节点被加入MPR集合中，就删除该节点所覆盖的N2节点。这样不断地选取N1节点加入MPR集合直到N2为空。

将一个节点的每个接口的MPR集合组合在一起，则建立该节点的MPR集合。

再根据鱼眼(Fisheye)方式，使用几个集合来构建鱼眼范围(Scope ofFisheye)。

如图3所示，最里层

代表第1区域，中间层

代表第2区域，最外层则代表第3区域，

代表节点，——代表边缘。

拓扑控制信息TC(Topology Control)的传播根据鱼眼范围(Scope ofFisheye)的层次来进行传播，不同层次采用不同的传播时间延迟，位于鱼眼(Fisheye)越内层，传播时间延迟则越短，越外层，传播时间延迟则越长。

鱼眼(Fisheye)用于维护精确距离与路由信息质量，距离越近更新越快，越远更新越慢。逐渐精确的路由减少了移动性能对路由精度的影响。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于，包括有以下步骤：

根据节点位置和运动趋势计算一个节点O与其二跳相邻节点之间的通信概率Pi；

将二跳相邻节点按通信概率Pi由大到小进行排序；

从通信概率Pi大的二跳相邻节点开始计算，从节点O的一跳相邻节点中选取一个可达该二跳相邻节点的一跳相邻节点加入多点中继MPR集合。

2.根据权利要求1所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于：

若可达该二跳相邻节点的一跳相邻节点有多个时，选取一个转发意愿程度最高的一跳相邻节点加入多点中继MPR集合。

3.根据权利要求2所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于：

若转发意愿程度最高的的一跳相邻节点有多个时，选取一个可达二跳相邻节点数量最多的一跳相邻节点加入多点中继MPR集合。

4、根据权利要求3所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于：

若可达二跳相邻节点数量最多的一跳相邻节点有多个时，选取一个优先度Ai最高的一跳相邻节点加入多点中继MPR集合，其中优先度Ai是根据通信概率Pi、时间戳差值(t2-t1)、节点的连接度N计算确定的。

5、根据权利要求4所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于：

若优先度Ai最高的一跳相邻节点有多个时，选取一个节点密度最高的一跳相邻节点加入多点中继MPR集合，其中的节点密度为该一跳相邻节点对称相邻节点的数量，但不包括所有一跳相邻节点、以及正在执行该MPR计算的那个节点、和已进入MPR集合一跳相邻节点所覆盖的二跳相邻节点。

6.根据权利要求1所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于所述的通信概率Pi按下述公式计算：

$P_i=(1-(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}/R))+\mathrm{\&lambda;}\left(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}\right)$

$-\sqrt{{(x_{\mathrm{\&Delta;t}}-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{\&Delta;t}}-y_0)}^2})/\left((\mathrm{\&Delta;t}+\mathrm{\&eta;})R\right)(\mathrm{\&lambda;}>0,\mathrm{\&Delta;t}>0,\mathrm{\&eta;}\&GreaterEqual;0),$

其中：x、y为二跳相邻节点M的位置座标，x₀、y₀为节点O的位置座标，x_Δt、y_Δt为二跳相邻节点M在经过Δt时刻的位置座标；R为移动节点的通讯半径；λ、η为通信概率P_i的计算参数；Δt为时间段参数。

7.根据权利要求4所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于所述的优先度Ai按下述公式计算：

Ai＝αPi+βe^(t2-t1)+γN(α≥0，β≥0，γ≥0，t2>t1)，

其中：α，β，γ为相关系数，t2及t1分别为新收到节点i的包的时间戳信息及原有对节点i记录的时间戳信息，即(t2-t1)为一个时间戳差值。

8、根据权利要求1所述的一种移动自组织网络系统路由方法，其特征在于还包括以下步骤：

拓扑控制信息TC(Topology Control)的传播是根据鱼眼范围(Scope ofFisheye)的层次来进行传播，不同层次采用不同的传播时间延迟，位于鱼眼(Fisheye)越内层，传播时间延迟则越短，越外层，传播时间延迟则越长。

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