CN101562860B - 基于mimo链路的路由寻址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MIMO链路的路由寻址方法，它属于无线通信技术领域。其步骤为：根据修正的MIR路由Metric公式和负载均衡路由的Metric公式，初始化路由表并发送路由信息；根据接收到的路由信息，建立分集与复用的双区域；对于由任意节点产生的数据，查询路由表，如果路由表中包含数据目的节点的路由信息，则发送，否则边界广播路由请求；接收到路由请求的节点，根据路由表判断是否有到目的节点的路由信息，如果有，则路由回复，否则继续向网络中边界广播路由请求；收到路由回复的节点判断自己是否是源节点，如果是，则进行双区域外数据发送，否则发送路由回复至源节点。本发明具有信道利用率高、碰撞率低的优点，用于大规模无线分布式网络。

Description

基于MIMO链路的路由寻址方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是一种基于MIMO技术的路由寻址方法，可用于大规模无线分布式网络。

背景技术

在无线分布式网络中，有效的路由寻址方法对整个网络的性能至关重要。要解决路由的问题，通常有先应式路由，反应式路由和基于地理位置信息辅助路由等几种算法。然而当网络规模增长或者网络拓扑变化频繁时，基于这几种基本路由算法提出的寻址方法效果都不理想。在文献“A new routing protocol for the reconfigurable wireless networks”中提出了一种适用于大规模无线分布式网络的区域路由协议，即ZRP协议。该ZRP协议是一种采用隐式分群策略的混合路由协议，在区域内采用先应式路由寻址方法时刻维护着路由信息，区域外采用反应式路由寻址方法按需进行路由选择，部分解决了以上路由寻址方法扩展性不足的问题。

无线通信依靠无线电波进行传输，然而在传输过程中，这些电波受建筑物、车辆、树木和其它障碍物影响，形成多径衰落，严重影响网络的性能。目前比较常用的多输入多输出MIMO技术，通过在通信链路的发送端与接收端均使用多根天线，将传统通信系统中存在的多径效应变成对用户通信性能有利的因素，从而提高网络性能。具体来说，在相同的发送功率条件下，利用MIMO技术可以带来分集增益和复用增益：分集增益的好处是保证一定误码率的条件下增大了网络中每个节点的通信半径，使节点的通信覆盖范围大大增加；复用增益是在不增加带宽的条件下提高了链路的信道速率，使节点间可以享用更高速的物理信道。在文献“Routing in ad-hoc networks with MIMO links，Optimizationconsiderations and protocols”中提出了一种利用MIMO技术的Ad Hoc路由寻址方法MIR，该方法将网络中的链路分为两类：分集链路和复用链路。分集链路能充分的利用分集增益，复用链路能充分的利用复用增益。但是，在此方法中分集链路和复用链路的代价权重比随着天线数目的增加成指数增加，这就使得网络中的业务会集中在某些链路中，造成网络中的业务分布很不平衡。

在现有的ZRP协议中，区域半径是影响网络性能的关键参数，这是因为它决定了表先应式路由协议和反应式路由协议的适用范围。但是如何针对不同的网络特点，设置合适的区域半径来适应不同的网络，这是ZRP协议没有解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的缺陷，提出了一种新的基于MIMO链路的路由寻址方法，通过将MIMO技术与ZRP协议的结合，优化网络的性能，使网络中的业务均匀分布，以适用于大规模无线分布式网路的路由寻址要求。

本发明的技术方案是：对ZRP协议进行改进，将ZRP协议中的单个区域分为分集区域和复用区域，重新划分网络的通信方式和范围，在无线分布式网络中以每个节点为中心，按照不同频率和不同方式周期性的交互路由信息。

一.术语说明

DIVERSITY_SOP控制帧：源节点采用分集方式发送的包含路由表信息的控制帧。

MULTIPLEXING_SOP控制帧：源节点采用复用方式发送的包含路由表信息的控制帧。

RREQ控制帧：源节点发送的路由请求控制帧。

RREP控制帧：目的节点发送的路由回复控制帧。

SOP_FACTOR：周期调整因子，通过此参数来动态的调整DIVERSITY_SOP控制帧的发送周期。

MIR路由协议：MIMO Routing Protocol。

二.实现步骤

本发明的具体实现步骤包括：

(1)根据修正的MIR路由Metric公式和负载均衡路由Metric公式，分别计算路由表Metric域的第一域值和第二域值，并发送路由信息；

(2)根据接收到的路由信息，建立分集与复用的双区域；

(3)对于由任意节点产生的双区域内的数据业务，通过查询该节点的路由表，获得数据业务的目的节点路由信息，并向该目的节点发送数据业务；

(4)对于由任意节点产生的双区域外的数据业务，通过查询该节点的路由表，判断是否有数据业务目的节点的路由信息，如果有，则向该目的节点发送数据业务；如果没有，则向网络中边界广播路由请求信息；

(5)接收到路由请求的节点，根据路由表判断是否有到目的节点的路由信息，如果有，则进行路由回复，否则继续向网络中边界广播路由请求信息；

(6)收到路由回复的节点判断自己是否是源节点，如果是，则进行双区域外数据业务的发送；否则通过查询路由表，获得关于源节点的路由信息，并发送该路由回复至源节点。

上述步骤1所述的修正的MIR路由Metric计算公式如下：

$Q_n\left(R\right)=\underset{i=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}*\frac{{f_i}^2}{r_i};$

式中，h为到达目的节点的跳数；f_i通过MAC层提供；r_i为归一化后的链路传输速率，复用链路的传输速率为K，分集链路的传输速率为1；α为权重调整因子，根据网络的节点密度确定，取值范围为(0，1)；

上述步骤1所述的负载均衡路由Metric公式如下：

$Q_l=\underset{d=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{div}}+\frac{1}{r_i}\underset{i=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{mux}}+\frac{N_d}{N}\underset{i=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{unknown}}+\frac{1}{r_i}\frac{N_m}{N}\underset{i=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{unknown}}$

式中，N为邻节点表的长度，N_d为邻节点表中分集邻节点的个数，N_m为邻节点表中复用邻节点的个数；QU_div为数据缓存队列中以分集方式发送的数据的长度之和；QU_mux为数据缓存队列中以复用方式发送的数据的长度之和；QU_unknown为数据缓存队列中发送方式未知的数据的长度之和。

上述步骤1所述的发送路由信息，是采用不同的方式发送不同的sop控制帧，即采用复用方式以周期T发送MULTIPLEXING_SOP控制帧；采用分集方式以周期SOP_FACTOR*T发送DIVERSITY_SOP控制帧；SOP_FACTOR为周期调整因子。

上述步骤2所述的根据接收到的路由信息，建立分集与复用的双区域，是通过处理收到的MULTIPLEXING_SOP控制帧中包含的路由信息，建立复用区域；通过处理收到的DIVERSITY_SOP控制帧中包含的路由信息，建立分集区域。

上述步骤4和步骤5中所述的向网络中边界广播路由请求，是由边界广播路由请求的节点以分集方式发送路由请求信息，收到路由请求信息的节点在转发路由请求信息时，判断自己是否是发送节点的边界节点，如果是则转发路由请求信息；否则丢弃该路由请求信息。

本发明与现有技术比较具有如下优点：

1.由于在MIMO技术的基础上对ZRP路由协议进行了改进，将传统ZRP协议维护的一个区域变成分集和复用两个区域。利用双区域机制，节点可以直接到达更远的通信范围，有利于提高信道利用率、减少碰撞；同时可以选择传输速率高的信道，满足网络中不同优先级的业务能够实时高效的传输。

2.区域外按需寻址时，本发明采用只有分集区域边界节点才转发RREQ控制帧，与传统的ZRP协议相比，极大的减小了不必要的泛洪开销，有利于整个网络性能的提高。

3.由于网络中的每个节点按照分集区域内网络拓扑变化的速度动态的调整DIVERSITY_SOP控制帧的发送周期，使得节点以较小的开销感知分集区域内的拓扑。

4.由于对MIR路由的Metric计算公式进行了改进，使得分集链路和复用链路的权重比更加合理、提高了网络中负载分布的公平性，合理的利用了网络中有限的资源。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的实例示意图。

具体实施方式

本路由寻址方法属于跨层路由协议，在发送信息帧时需要MAC层的协助，其原理如下：

网络层向MAC层发送信息帧时，会同时向MAC层提供相应的发送标志Flag_SendPreamble，fi，如果Flag_SendPreamble为真，MAC层需要在发送的信息帧头部插入一段导频，fi为扩展因子。具体发送策略分为两步：

a.发送节点首先用K根天线以空间复用方式发送导频1，用2根天线以分集方式发送导频2，……，用K根天线以分集方式发送导频K。

b.MAC按照fi决定发送数据帧的方式，如果fi为1，表明MAC层需要以K根天线以空间复用方式发送该数信息帧；如果fi为2，表明MAC层需要以2根天线用分集方式发送该信息帧；……；如果fi为K，表明MAC层需要以K根天线用分集方式发送该信息帧。

如果Flag_SendPreamble为假，则仅按照fi执行发送策略的第二步发送信息帧，而不再发送导频。

接收节点在收到导频之后，将收到的最小导频作为扩展因子随着信息帧提交给网络层。网络层将此扩展因子作为到达此信息帧发送节点的扩展因子。

参照图1，本发明的寻址步骤具体如下：

步骤1：根据修正的MIR路由Metric公式和负载均衡路由Metric公式，分别计算路由表Metric域的第一域值和第二域值，并发送路由信息。

(1)计算路由表Metric域的域值

设路由表如下：

根据修正的MIR路由Metric公式和负载均衡路由Metric公式，分别计算路由表Metric域的第一域值和第二域值，其中：

第一域值的计算公式如下：

$Q_n\left(R\right)=\underset{i=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}*\frac{{f_i}^2}{r_i};$

式中，h为到达目的节点的跳数；f_i通过MAC层提供；r_i为归一化后的链路传输速率，复用链路的传输速率为K，分集链路的传输速率为1；α为权重调整因子，根据网络的节点密度确定，取值范围为(0，1)；

第二域值的计算公式如下：

$Q_l=\underset{d=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{div}}+\frac{1}{r_i}\underset{i=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{mux}}+\frac{N_d}{N}\underset{i=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{unknown}}+\frac{1}{r_i}\frac{N_m}{N}\underset{i=1}{\overset{h-1}{\mathrm{\Σ}}}Q{U}_{\mathrm{unknown}}$

式中，N为邻节点表的长度，N_d为邻节点表中分集邻节点的个数，N_m为邻节点表中复用邻节点的个数；QU_div为数据缓存队列中以分集方式发送的数据的长度之和；QU_mux为数据缓存队列中以复用方式发送的数据的长度之和；QU_unknown为数据缓存队列中发送方式未知的数据的长度之和，即目的节点路由信息未知的数据的长度之和。

该QU_unknown、QU_div、QU_mux参数通过如下方式计算得到：

首先，设置三个变量q1、q2、q3，并初始化为0；

然后，在路由表中查询是否存在数据缓存队列中的数据目的节点的路由信息，如果不存在该数据目的节点的路由信息，则将q1加上该数据的长度；如果存在该数据目的节点的路由信息，并且路由信息的下一跳节点是分集邻节点，则将该数据的长度累加到q2；如果存在该数据目的节点的路由信息，并且路由信息的下一跳节点是分集邻节点，则将该数据的长度累加到q3。

最后，将q1、q2、q3分别赋给QU_unknown、QU_div、QU_mux。

(2)发送路由信息，即分别采用复用方式以周期T发送MULTIPLEXING_SOP控制帧，分集方式以周期SOP_FACTOR*T发送DIVERSITY_SOP控制帧。

该SOP_FACTOR为周期调整因子，其取值范围为(K，K*K)，通常有如下两种调整方式，但不限于这两种调整方式：

a.对于节点匀速移动的网络：SOP_FACTOR初始为K，K为MIMO技术采用的天线数目，当邻节点表中变化的节点个数不大于某个门限时，SOP_FACTOR增加1；否则SOP_FACTOR减小1；

b.对于节点移动具有突发性的网络：SOP_FACTOR初始为K，当邻节点表变化的节点个数大于某个门限时，就减半SOP_FACTOR，否则缓慢增加SOP_FACTOR。

根据网络层向MAC层发送信息帧的原理，网络层发送DIVERSITY_SOP控制帧时，向MAC层提供发送标志：TRUE，K；发送MULTIPLEXING_SOP控制帧时，向MAC层提供发送标志：FALSE，1。

步骤2：根据接收到的路由信息，建立双区域。

网络中的每个节点根据收到的MULTIPLEXING_SOP控制帧和DIVERSITY_SOP控制帧建立区域。区域的建立基于路由表的实时更新，通过周期性的更新路由表，不仅对双区域内的节点可实时的维护路由信息，而且对于区域内的某些节点，同时维护了两条路由信息，这两条路由信息可分为最新路由信息和最优路由信息。同时维护两条路由信息的原则在于：最新路由信息的序号域值总是大于最优路由信息的序号域值，并且最优路由信息的代价域值总是小于最新路由信息的代价域值。

当节点收到邻居节点广播的SOP控制帧时，更新自己的路由表。定义更新策略如下：

a.如果该路由信息是一个新的路由信息，将该路由信息添加到自己的路由表中，同时标记该链路的扩展因子。

b.如果路由表中已存在一条有效路由信息，令sop包中的路由信息的代价域值为：M(sop)，序号域值为：S(sop)；路由表中路由信息的代价域值为：M(route)，序号域值为：S(route)，则路由表的更新如下：

当((M(sop)＜＝M(route)&&S(sop)＞S(route)‖(M(sop)＜M(route)&&S(sop)＝S(route)))成立时，将路由表中的路由信息替换为sop包中包含的路由信息；

当(M(sop)＞M(route)&&S(sop)＞S(route))成立时，将sop包中路由信息更新为最新路由信息，将路由表中原有的路由信息置为最优路由信息；

当(M(sop)＜M(route)&&S(sop)＜S(route))成立时，将sop包中路由信息更新为最优路由信息，将路由表中原有的路由信息置为最新路由信息。

c.如果存在两条有效路由信息，令sop包中的路由信息的代价域值为：M(sop)，序号域值为：S(sop)；路由表中最新路由信息的代价域值为：M(route_N)，序号域值为：S(route_N)；路由表中最优路由信息的代价域值为：M(route_G)，序号域值为：S(route_G)。则路由表的更新如下：

当((M(sop)＜M(route_G)&&S(sop)＜S(route_N))‖(M(sop)＝M(route_G)&&S(route_G)＜S(sop)＜S(route_N)))成立时，将sop包中的路由信息更新为最优路由，原有最新路由不变；

当(M(sop)＜＝M(routeG)&&S(sop)＞＝S(route_N))成立时，将sop包中的路由信息更新为最新最优路由，删除原来的最新路由和最优路由；

当((M(sop)＞M(route_G)&&S(sop)＞S(route_N))‖(M(route_G)＜M(sop)＜M(route_N)&&S(sop)＝S(route_N)))成立时，将sop包中的路由信息更新为最新路由，原有最优路由不变。

步骤3：处理双区域内的数据业务。

对于由任意节点产生的双区域内的数据业务，通过查询该节点的路由表，获得数据业务的目的节点路由信息，并向该目的节点发送数据业务。

由于每个节点都维护了双区域内的所有节点的路由，因此，对于双区域内的数据业务，可以进行直接发送。发送双区域内的数据业务时，首先查询路由表中，获得关于数据业务目的节点的路由信息，如果路由表中存在一条关于该目的节点的路由信息，则按照该路由信息进行数据业务的发送；如果路由表中存在两条关于该目的节点的路由信息，则按照最优路由信息进行数据业务的发送

步骤4：处理双区域外的数据业务。

对于由任意节点产生的双区域外的数据业务，通过查询该节点的路由表，判断是否有数据业务目的节点的路由信息，如果有，则向该目的节点发送数据业务；如果没有，则向网络中边界广播路由请求信息。边界广播的机制为：节点以分集方式发送RREQ控制帧，收到RREQ控制帧的节点在转发RREQ控制帧时判断是否是源节点的边界节点，如果是边界节点则转发RREQ控制帧，否则丢弃该RREQ控制帧。根据网络层向MAC层发送信息帧的原理，网络层发送RREQ控制帧时，向MAC层提供发送标志TRUE，K

这样的边界广播方式将RREQ控制帧的广播限定在以源节点为根节点，以分集区域半径为子结点的广播树内，大大减少了泛洪搜索带来的网络开销。同时基于分集区域半径的路径跳数最少，可以获得快速回复的RREP控制帧，提高了网络的实时反应能力。

步骤5：处理路由请求信息。

接收到路由请求的节点，首先查询路由表，如果路由表中不存在到达路由请求目的节点的路由信息，则继续向网络中边界广播路由请求信息；如果路由表中存在一条到路由请求目的节点的路由信息，则按照此路由信息进行路由回复；如果存在两条到源节点的路由信息，则选择最优路由信息进行路由回复。

步骤6：处理路由回复信息。

收到路由回复信息的节点首先处理该路由回复信息，在路由表中建立一条到达目的节点的路由信息，然后判断自己是否是源节点，如果是，则根据已经建立起来的路由进行双去域外数据业务的发送；否则通过查询路由表，获得关于源节点的路由信息，并发送该路由回复至源节点。

根据本发明的实现步骤，给出以下实例：

参照图2，网络中的每个节点都以自己为中心维护一张一跳节点的路由表，包括一个复用区域和一个分集区域，区域之间相互重叠。源节点A在每个复用周期内采用复用方式交互MULTIPLEXING_SOP控制帧，维护其复用区域内的节点C、D、F，在分集周期内采用分集方式交互DIVERSITY_SOP控制帧，维护其分集区域内的节点B、E、H、J、N。节点B、E、H、J、N都是源节点A一条可达的节点，路由条目的更新取决于步骤2中所述策略。

如果源节点A产生的业务属于双区域内，查询路由表进行数据业务的发送。如果路由表中存在两条到达数据业务目的节点的路由信息，则选取最优路由信息作为实际发送的路由。

如果源节点A产生的业务属于双区域外，路由表中没有关于目的节点K的路由信息。源节点A构造RREQ控制帧采用分集方式广播，只有A的分集区域上的边界节点B、E、H、J、N收到该RREQ控制帧时处理，其他邻节点均在处理完之后丢弃该RREQ控制帧，减少不必要的泛洪开销。分集区域边界节点B和J查询自己的路由表，发现目的节点K的路由信息，则构造RREP控制帧进行路由回复。当源节点A收到RREP控制帧时，根据之前建立的路径发送业务。

Claims (4)

1.一种基于MIMO链路的路由寻址方法，包括如下步骤：

(1)根据修正的MIR路由Metric公式和负载均衡路由Metric公式，分别计算路由表Metric域的第一域值和第二域值，分别采用复用方式以周期T发送MULTIPLEXING SOP控制帧，分集方式以周期SOP FACTOR*T发送DIVERSITY SOP控制帧发送路由信息，

所述的MIR是一个路由协议的名称，其英文全称为MIMO Routing Protocol，

所述的修正的MIR路由Metric公式为：

式中，h为到达目的节点的跳数；f_i为扩展因子，通过MAC层提供；r_i为归一化后的链路传输速率，分集链路的传输速率为1；α为权重调整因子，根据网络的节点密度确定，取值范围为(0，1)；

所述的负载均衡路由Metric公式为：

式中，N为邻节点表的长度，N_d为邻节点表中分集邻节点的个数，N_m为邻节点表中复用邻节点的个数；QU_div为数据缓存队列中以分集方式发送的数据的长度之和；QU_mux为数据缓存队列中以复用方式发送的数据的长度之和；QU_unknown为数据缓存队列中发送方式未知的数据的长度之和；

所述的SOP_FACTOR为周期调整因子，取值范围为(K，K*K)，其中K为MIMO技术采用的天线数目；

(2)网络中的每个节点根据收到的MULTIPLEXING_SOP控制帧和DIVERSITY_SOP控制帧建立区域；

(3)对于由任意节点产生的双区域内的数据业务，通过查询该节点的路由表，获得数据业务的目的节点路由信息，并向该目的节点发送数据业务； 

(4)对于由任意节点产生的双区域外的数据业务，通过查询该节点的路由表，判断是否有数据业务目的节点的路由信息，如果有，则向该目的节点发送数据业务；如果没有，则向网络中边界广播路由请求信息；

(5)接收到路由请求的节点，根据路由表判断是否有到目的节点的路由信息，如果有，则进行路由回复，否则继续向网络中边界广播路由请求信息；

(6)收到路由回复的节点判断自己是否是源节点，如果是，则进行双区域外数据业务的发送；否则通过查询路由表，获得关于源节点的路由信息，并发送该路由回复至源节点。

2.根据权利要求1所述的路由寻址方法，其中负载均衡路由Metric计算公式中的参数QU_unknown、QU_div和QU_mux通过如下方式计算得到：

首先，设置三个变量q1、q2、q3，并初始化为0；

然后，在路由表中查询是否存在数据缓存队列中的数据目的节点的路由信息，如果不存在该数据目的节点的路由信息，则将q1加上该数据的长度；如果存在该数据目的节点的路由信息，并且路由信息的下一跳节点是分集邻节点，则将q2加上该数据的长度；如果存在该数据目的节点的路由信息，并且路由信息的下一跳节点是复用邻节点，则将q3加上该数据的长度；

最后，将q1、q2、q3分别赋给QU_unknown、QU_div、QU_mux。

3.根据权利要求1所述的路由寻址方法，其中步骤(2)所述的网络中的每个节点根据收到的MULTIPLEXING_SOP控制帧和DIVERSITY_SOP控制帧建立区域，是通过处理收到的MULTIPLEXING_SOP控制帧中包含的路由信息，建立复用区域；通过处理收到的DIVERSITY_SOP控制帧中包含的路由信息，建立分集区域。

4.根据权利要求1所述的路由寻址方法，其中步骤(4)和步骤(5)中所述的向网络中边界广播路由请求信息，是由边界广播路由请求的节点以分集方式发送路由请求信息，收到路由请求信息的节点在转发路由请求信息时，判断自己是否是发送节点的边界节点，如果是则转发路由请求信息；否则丢弃该路由请求信息。 

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