CN101668311A - 移动Ad Hoc网络的路由方法 - Google Patents

Abstract

一种网络技术领域的移动Ad Hoc网络的路由方法，包括：网络节点初始化；整理数据报文D_PKT；发送正确到达信号PKT_ACK或更新本地的网格号；对数据报文头部分内容进行更新；将此数据报文以广播的形式转发出去。本发明减小了相同数据报文传输的个数，降低数据传输过程中网络的开销，增大网络吞吐率，同时减小数据报文传输过程中发生碰撞的可能，提高数据报文传送成功率，适用于节点高密度环境。

Description

移动Ad Hoc网络的路由方法

技术领域

本发明是一种网络技术领域的方法，特别是一种适用于节点密度较高和节点移动性较高的移动Ad Hoc网络的路由方法。

背景技术

移动Ad Hoc网络所指的是一种特定的网络结构，它以分布式控制、自组织、无中心作为自己的特点。由于Ad Hoc网络的这些特点，一直以来，Ad Hoc网络设计的重点和难点就在路由协议的设计上。经过了多年的发展，Ad Hoc路由协议得到了很大的发展，应用于各种特定场景的协议也在不断的被提出和改善。

Ad Hoc路由协议一开始采用的这样的思想：寻找一条固定的路径，在整个传输过程中均使用这条路径传输，直至此次传输完毕。基于此方法的经典路由协议有DSR和AODV等。然而，这样做有两个弊端：一是这样静态的路由协议无法适应节点的移动性特征，一旦中继节点离开了上一跳转发节点的通信范围，此条路径就失效了。这是最主要的弊端。二是不能很好的利用通信链路的效率，因为这些固定路由协议设计网络层和MAC层是完全剥离开的，网络层无法感知物理层链路的情况，也就不能在选路时候考虑利用链路的效率。

Ad Hoc路由协议经过一段时间发展，出现了基于拓扑分区的路由协议，主要是网格类协议，主要思想是：利用定位仪器(如GPS)将节点分于不同的网格之中，以利于约束和选路。比如GAF协议和GRID协议。GAF协议主要设计用于能量受限的Ad Hoc网络或者传感器网络，并且往往和传统路由协议DSR或者AODV等结合使用。GRID协议主要设计用于延长AODV等传统路由协议的路由有效时间。这类协议也属于固定的路由的协议。还是没能完全适应节点移动性的特点。

由于上述的原因，近年来人们设计出了一种新的Ad Hoc寻路方式：机会路由(opportunistic routing)。其基本思想是：不事先确立固定的路径，而是动态地选出每个中继节点下一跳节点。相应的协议如：EXOR协议、GeRaF协议等。这些机会路由协议大多数是基于位置路由方法的(Geographical Routing)，并且使用最短距离方法寻找下一个中继节点。他们往往能较好的适应节点的动态特性，因此在网络延时和吞吐率上均胜过传统的固定路由协议。然而，在机会路由中，仍有很多问题需要解决，比如下一跳节点的选择问题，EXOR通过设置节点优先级来实现，然而EXOR可能出现多个“下一跳节点”的情况，使得报文重复传输。同时EXOR需要很多的路由探测数据报文来检测链路质量，降低了网络的工作的效率。GeRaF协议也面临这样的问题：有可能出现无法唯一确定下一跳节点，而出现相同的多个“下一跳节点”的情况。

经过检索，未发现动态指定网格进行机会路由传输的Ad Hoc路由协议相关的技术文献的报道。

发明内容

本发明针对目前移动AD HOC机会路由协议中多份数据报文拷贝传输的问题和不足，提供了一种移动Ad Hoc网络的路由方法。本发明无须复杂的网格内部握手机制进行网格内部节点协商和通信，也不会出现数据报文的多次传输的情况，减小数据报文传输过程中发生碰撞的可能，提高数据报文传送成功率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括如下步骤：

(1)在MANET网络启动时，网络中的的每个节点，包括所有的源节点SN，目的节点DN和中间节点MN均需进行初始化，包括以下五步：A.首先根据此网络节点收发机性能确定网格尺寸参数d(正方形网格边长)。B.为节点分配一个MAC地址。C.MAC地址确定以后，节点根据此MAC地址由定位设备获取该节点的地理位置信息。D.将获得的位置信息结合网格尺寸d计算出该节点的初始化网格号(LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y)。E.将以上信息保存到各自节点的本地寄存器中，以备后续使用并准备按照时间上的安排调度进行更新。

(2)源节点SN有业务需要发送时，需将业务整理成规范的数据报文D_PKT，数据报文内容为定长，为500BYTE至1000BYTE之间。发送数据报文前，要为数据报文增加一个报文头，报文头的内容为业务源MAC号SRC_ID，目的地MAC号DEST_ID，上一跳节点MAC号LAST_ID，上一跳网格号(LAST_ID_X，LAST_ID_Y)和目的网格号(DEST_ID_X，DEST_ID_Y)。

(3)数据报文D_PKT头初始化结束以后，源节点SN监听信道准备发送，如果忙，则对该D_PKT做存储处理，待信道闲时发送，如果信道闲，那么以广播的形式将此D_PKT发送出去。

(4)所有MN点接收到一个D_PKT，首先提取接收到得D_PKT中的DEST_ID数据，对比自己的MAC号，分析自己是否是目的节点DN，如果是目的节点，那么立刻发送正确到达信号PKT_ACK，通知所有MN不必再转发此报文。

(5)MN节点判断的结果是：目的节点不是自己，那么此MN首先根据本地最新地理位置信息更新本地的网格号(LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y)，接着判断自己是否为候选MN，不是候选MN则丢弃此报文。在MN判断自己是否为候选MN时，它判断的方式是自己所处的网格是否在X或Y方向上比上一跳MN距离目的节点网格更近了一步，若是，那么此MN是候选MN，若不是，则不是候选MN。

(6)候选MN进入D_PKT竞争发送过程，竞争实现时靠按照优先级等待一段时间T_WAIT然后发送报文来实现的，优先级划分是按照网格ID号来确定的，优先级越高的点，随机等待时间的下限越短：在X或者Y单方向更近一步网格节点的随机等待时间下限为0，在X，Y方向均更近一步的网格节点其随机等待时间下限为单方向更近一步网格节点的上限，而前者随机等待时间的上限是后者随机等待时间上限的两倍。在等待期间如果监听到信道变忙，那么表示有节点已经开始转发数据报文，此节点退出竞争。等待时间T_WAIT结束，此节点进入转发阶段。

(7)转发阶段此节点完成两项工作：一是对数据报文头部分内容进行更新：将上一跳节点MAC号LAST_ID更新为本节点本地MAC号LOCAL_ID，上一跳网格号(LAST_ID_X，LAST_ID_Y)更新为本节点本地网格号(LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y)。二是将此数据报文以广播的形式转发出去。

本发明与现有路由技术相比较，舍弃传统路由中指定下一跳节点进行传输这一方法，而使用动态指定某几个网格区域作为候选区域进行传输。因为本方法可以很好的适应节点高动态环境的场景；不需要进行寻路，而且在网格内部节点也不需要一些列复杂的控制握手机制；通过选取合适的网格大小和限定下一跳网格个数，使得每个网格内的节点都能感受到所有候选网格里面节点转发情况。

本发明减小了相同数据报文传输的个数，降低数据传输过程中网络的开销，增大网络吞吐率，同时减小数据报文传输过程中发生碰撞的可能，提高数据报文传送成功率，适用于节点高密度环境。

附图说明

图1动态网格机会路由网格尺寸示意图；

图2动态网格机会路由网格ID号示意图；

图3动态网格机会路由数据报文头结构示意图；

图4动态网格机会路由SN节点数据报文发送流程图；

图5动态网格机会路由下一跳候选网格指定示意图；

图6动态网格机会路由MN节点数据报文接收处理流程图；

图7动态网格机会路由一跳传输时序图；

图8动态网格机会路由传输样例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例在网络启动时，网络中的的每个节点，包括所有的源节点SN，目的节点DN和中间节点MN均需进行初始化，初始化时，首先根据此网络节点收发机性能确定网格尺寸参数d(正方形网格边长)，网络中网格为等大小的正方形网格，设节点通信半径为R，则设置网格边长参数为 $d=R/2\sqrt{2}.$ 选取这样的网格尺寸可以有效地限定下一跳网格集合，从而保证了在所有候选网格里面，只有一个节点进行转发，避免了传统机会路由协议中报文的重发的问题。

初始化下一阶段工作是初始化节点的网格ID号，它首先需要为节点分配一个MAC地址，作为各个节点的识别标志，MAC地址确定以后，节点根据此MAC地址由定位设备获取该节点的地理位置信息，然后将获得的位置信息结合网格尺寸d计算出该节点的初始化网格号(LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y)。如图2所示，节点网格ID号以一个向量来表示：(ID_X，ID_Y)且ID_X，ID_Y照位置分别顺序取值为：1，2，3…。根据二维地理位置坐标信息x_pos和y_pos使用以下方法完成网格号获取过程：

LOCAL_ID_X＝int(x_pos+d_net/d)+1

LOCAL_ID_Y＝int(y_pos+d_net/d)+1

其中d_net是网络尺寸参数，int()表示对数据进行取整处理。

当源节点SN有业务需要发送时，需将业务整理成规范的数据报文D_PKT，数据报文D_PKT数据内容为定长，为500BYTE至1000BYTE间的一个定值。发送数据报文前，要为数据报文增加一个报文头，如图3所示，报文头的内容为业务源MAC号SRC_ID，目的地MAC号DEST_ID，上一跳节点MAC号LAST_ID，上一跳网格号(LAST_ID_X，LAST_ID_Y)和目的网格号(DEST_X，DEST_Y).另外还需加上此MN节点发送的报文编号PACKET_ID以便DN节点识别是否已经收到过此报文。这部分内容为数据报文头初始化。

D_PKT头初始化结束以后，源节点SN监听信道，如果忙，则对该D_PKT做存储处理，待信道闲时发送，如果信道闲，那么以广播的形式将此D_PKT发送出去。关于SN节点发送流程图，如图4所示。

当所有MN点接收到一个D_PKT，首先提取接收到得D_PKT中的DEST_ID数据，对比自己的MAC号，分析自己是否是目的节点DN，如果是目的节点，那么立刻发送正确到达信号PKT_ACK，通知所有MN不必再转发此报文。

如果判断了目的不是自己，那么此MN首先根据本地最新地理位置信息更新本地的网格号(LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y)，更新方法如初始化网格号方法相同。接着判断自己是否为候选MN，它判断的依据是自己所处的网格是否在X或Y方向上比上一跳MN距离目的节点网格更近了一步具体的判断准则为以下三个条件，满足任意一个均可成为候选MN：

1.abs(SRC_X-DEST_X)-abs(LOCAL_X-DEST_X)＝1，

并且abs(SRC_Y-DEST_Y)-abs(LOCAL_Y-DEST_Y)＝0；

2.abs(SRC_X-DEST_X)-abs(LOCAL_X-DEST_X)＝0，

并且abs(SRC_Y-DEST_Y)-abs(LOCAL_Y-DEST_Y)＝1；

3.abs(SRC_X-DEST_X)-abs(LOCAL_X-DEST_X)＝1，

并且abs(SRC_Y-DEST_Y)-abs(LDCAL_Y-DEST_Y)＝1；

其中(SRC_X，SRC_Y)是源节点SN的网格ID号。动态网格机会路由选取出来的候选网格会有3个(特殊情况时也会出现只有两个或者一个候选网格的情况)，分别对应上面三个条件。如图5所示，若当前中继节点网格为其中白色网格，目的节点所在网格为黑色网格，条件1选取出的则是在X方向(图示水平方向)上距离目的节点网格更近了一步的网格，即白色节点右边的灰色节点。条件2选取出的则是在Y方向(图示垂直方向)上距离目的节点网格更近了一步的网格，即白色节点上方边的灰色节点。条件3选取出的则是在X和Y方向上均距离目的节点网格更近了一步的网格，即白色节点右上方边的黑色节点。

非候选MN丢弃此报文，候选MN进入D_PKT报文竞争转发阶段，竞争是靠按照优先级等待一段时间T_WAIT然后发送报文来实现的，优先级划分是按照网格ID号来确定的，优先级越高的点，等待时间越短。在三个候选网格之间，由上述条件1和条件2产生的候选网格是相等的，均是在现有网格基础上在某个方向上前进一步，然而由条件3产生的候选网格则比由条件1和条件2产生的候选网格更进一步，它在两个方向上都前进了一步，因此，条件3产生的候选网格应该比两外两个网格等待的时间更短。基于上述原因，条件1，2候选网格里面节点应该先等待一段固定的时间，等条件3网格执行完了随机等待的过程以后，确认没有节点转发报文时，再执行相应的随机等待和转发过程。具体而言，条件1，2候选网格执行的随机等待时间为t_max≤t≤2t_max，而条件3候选网格执行的随机等待时间为0≤t≤t_max，其中t_max为条件3候选网格随机等待时间的上限。在等待期间如果监听到信道变忙，那么表示有节点已经开始转发数据报文，此节点退出竞争。

等待时间T_WAIT结束，此节点进入转发阶段。转发阶段此节点完成两项工作：首先对数据报文头部分内容进行更新：将上一跳节点MAC号LAST_ID更新为本节点本地MAC号LOCAL_ID，上一跳网格号(LAST_ID_X，LAST_ID_Y)更新为本节点本地网格号(LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y)。接着将此数据报文以广播的形式转发出去。整个接收处理过程的时序图和节点工作流程图，如图6和图7所示。如图7所示，首先SN节点(或者前一跳的MN节点)在时间段t0-t1发送了报文。在t1时刻，即发送报文结束且传输到达的时刻，有三个MN节点收到了此次发送的报文，分别为A，B，C。那么他们首先进行报文头的解析，解析时隙定为t1-t2。通过解析，MN节点C发现自己不是适合的候选节点，于是在t1-t2时间段处理报文，退出竞争。A和B这两个余下的候选节点在t2时刻开始进入竞争发送报文的阶段。A，B分别根据自己网格号设置好随机等待时间t，A的随机等待时间为t2-t3，B的随机等待时间为t4-t2。当到达时刻t3时，MN节点A等待完毕，开始转发报文。处于等待的节点B侦听倒信道开始变忙，于是撤销自己的随机等待时间，不再继续等待，在此时的t3时刻转为IDLE状态。这就完成了一跳的接收和转发。

一个报文从SN到达DN的整个传输过程样例，如图8所示。此样例为一个两跳样例，SN为源节点，DN为目的节点，其余均为中继节点MN。当SN传出报文以后，左边网格内的节点开始竞争发送，设置各自的随机等待时间。第一次转发MN节点B获得了此转发机会，将此报文转发，而其余候选节点A，C，D根据信道信息退出转发而重置自己状态为空闲状态。右边网格为第二跳候选网格，其中节点E，F，G竞争发送报文，结果是F赢得发送，将其转发。最后DN收到此报文，对F做出答复，这一次传输全部完成。

Claims (10)

1.一种移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)在MANET网络启动时，网络中的的每个节点，包括所有的源节点SN，目的节点DN和中间节点MN均需进行初始化；

(2)源节点SN有业务需要发送时，需将业务整理成规范的数据报文D_PKT，发送数据报文前，要为数据报文增加一个报文头；

(3)数据报文D_PKTD_PKT头初始化结束以后，源节点SN监听信道准备发送；

(4)当所有MN点接收到一个D_PKT时，首先提取接收到得D_PKT中的DEST_ID数据，对比自己的MAC号，分析自己是否是目的节点DN，如果是目的节点，那么立刻发送正确到达信号PKT_ACK，通知所有MN不必再转发此报文；

(5)MN节点判断的结果：目的节点不是自己，那么此MN首先根据本地最新地理位置信息更新本地的LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y网格号；接着判断自己是否为候选MN，不是候选MN则丢弃此报文；

(6)候选MN进入D_PKT发送过程，

(7)转发阶段此节点完成两项工作：一是对数据报文头部分内容进行更新；二是将此数据报文以广播的形式转发出去。

2.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的初始化，包括：A.首先根据此网络节点收发机性能确定正方形网格边长d；B.为节点分配一个MAC地址；C.MAC地址确定以后，节点根据此MAC地址由定位设备获取该节点的地理位置信息；D.将获得的位置信息结合网格尺寸d计算出该节点的初始化LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y的网格号；E.将以上信息保存到各自节点的本地寄存器中，以备后续使用并准备按照时间上的安排调度进行更新。

3.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的数据报文，内容为定长，为500BYTE至1000BYTE之间。

4.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的报文头的内容为业务源MAC号SRC_ID，目的地MAC号DEST_ID，上一跳节点MAC号LAST_ID，上一跳LAST_ID_X，LAST_ID_Y网格号和目的DEST_ID_X，DEST_ID_Y网格号。

5.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的监听信道准备发送，是指：如果忙，则对该D_PKT做存储处理，待信道闲时发送，如果信道闲，那么以广播的形式将此D_PKT发送出去。

6.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的判断的方式，是指：自己所处的网格是否在X或Y方向上比上一跳MN距离目的节点网格更近了一步，若是，那么此MN是候选MN，若不是，则不是候选MN。

7.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的发送过程是竞争发送过程，竞争实现时靠按照优先级等待一段时间T_WAIT然后发送报文来实现的，优先级划分是按照网格ID号来确定的，优先级越高的点，随机等待时间的下限越短：在X或者Y单方向更近一步网格节点的随机等待时间下限为0，在X，Y方向均更近一步的网格节点其随机等待时间下限为单方向更近一步网格节点的上限，而前者随机等待时间的上限是后者随机等待时间上限的两倍。

8.根据权利要求7所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，在所述的等待期间如果监听到信道变忙，那么表示有节点已经开始转发数据报文，此节点退出竞争。

9.根据权利要求7或者8所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，在所述的等待时间T_WAIT结束，此节点进入转发阶段。

10.根据权利要求1所述的移动Ad Hoc网络的路由方法，其特征是，所述的对数据报文头部分内容进行更新，是指：将上一跳节点MAC号LAST_ID更新为本节点本地MAC号LOCAL_ID，上一跳LAST_ID_X，LAST_ID_Y网格号更新为本节点本地LOCAL_ID_X，LOCAL_ID_Y网格号。

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