CN101686521A - 基于网络编码的无线自组网路由查找方法 - Google Patents

基于网络编码的无线自组网路由查找方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的无线自组网路由查找方法，主要改进现有技术中路由信息交换的次数多，生存时间低的问题。其步骤为：在分群的大规模无线分组网中，源节点向群首发送路由请求信息，群首通过查找路由表返回信息或通过网关转发信息；网关节点在转发信息时，若在时延内收到两个群首的信息，则将其进行编码广播，若只收到一个群首的信息，则直接向相应群首转发；群首节点根据收到的信息和解码的结果转发和返回信息，当已知目的节点路径时，群首向源节点返回路由答复信息，否则群首向相邻群首转发路由请求信息。本发明具有信息发送次数少，网络能耗低的优点，可用于大规模无线自组网的路由建立。

Description

基于网络编码的无线自组网路由查找方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种路由查找方法，可用于无线自组网络。
背景技术
无线自组网Ad hoc是由一组带有无线收发信装置的节点组成的一个无线通信网络，它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中的节点利用自身的无线收发设备交换信息，当彼此不在通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现多跳通信。
无线自组网大多采用分布式网络结构，分布式结构又分为完全分布式网络结构和分层分布式控制网络结构，在完全分布式网络中，网络的每个节点在路由方面的责任完全相等，随着网络范围的扩大，节点在维护路由信息方面的信息交换也就越来越多，继而导致了网络时延的增大和网络的拥塞。分群是克服以上缺点的常用方式。在分群结构中，网络被划分为群，每个群由一个群首和多个群成员和一部分网关组成，群首形成高一级网络。群中群首和群成员动态变化，节点仍是自动组网，由群首节点和网关节点负责群间数据转发。
现有的分群网络路由查找协议CGSR(Clusterhead Gateway Switch Routing)中，通过由群首和网关维护的路由表进行路径的查找，节点对接收的信息并不进行任何处理，接收信息后储存，然后转发给相邻节点。这种方法由于在查找路由的过程中节点间的需要多次交换信息，浪费了网络有限的能量。
发明内容
本发明的目的在于克服上诉已有技术的缺点，提出一种基于网络编码的无线自组网路由查找方法，以减少了查找路由过程当中的信息交换次数，延长了网络的生存时间。
网络编码是一种融合编码和路由的信息交换技术，在传统存储转发的路由方法基础上，通过允许对接收的多个数据包进行编码信息融合，增加单次传输的信息量，提高网络整体性能。2000年，香港中文大学的R.Ahlswede等人基于网络信息流的概念提出了网络编码的思想后，网络编码的研究主要集中在网络编码的构造方式，理论容量等方面，较少的将网络编码应用在实际网络当中。
网络编码从广义上讲，是网络中的节点将对接收到的信息进行一定形式的编码处理，然后再传输出去的多点传送技术。在传统的网络中，作为中继的节点只能对接收到的信号进行复制、放大和转发，这对于网络资源有时候是一种浪费。网络编码技术打破了这种限制，它允许中继节点对接收到的信息进行编码，并将接收到的多个数据包按照某种特定算法重新组合再发送出去。网络编码的本质是利用节点的计算能力提高链路带宽的利用率。
在无线自组网中大多是能量有限的，群首和网关在信息交换当中承受了更多的流量。由于节点计算能力和功率控制水平的提高，一个节点用于无线收发的能量占据能量消耗的主要部分。如果能够在路由查找过程和信息交换过程中减少节点收发数据的次数，网络的生存时间将得到相应的延长，同时网络的传输速率也会提高。网络编码的本质是提高链路带宽的利用率，在查找路由的过程中应用网络编码技术，节点对信息进行编码解码处理，可以有效的减少路由信息交换的次数，进而提高网络的生存时间。
实现本发明目的的技术方案，包括如下步骤：
(1)在分群的大规模无线分组网中，源节点向群首节点发送路由请求信息，群首节点根据路由请求信息在路由表中查找到目的节点路径，对找到路径的目的节点，群首将路径存入路由答复信息并向源节点返回，对找不到路径的目的节点，群首通过网关转发路由请求信息给相邻群首；
(2)网关在转发信息时，时延一段时间，如果只收到一个群首发送的路由请求信息或路由答复信息，就直接转发给相应群首，如果收到了两个群首发送的路由请求信息或路由答复信息，就将这两个信息按位进行异或编码运算，通过无线广播媒介，一次发送给两个群首；
(3)群首收到编码信息后进行解码，根据解码的结果返回路由答复信息或是通过网关转发解码出的信息给相邻群首；
(4)在回送路由答复信息时，如果有别的群首偷听到路由答复信息，群首将根据偷听到的路由答复信息建立缓存表，保存路径，并对缓存表进行更新；
(5)源节点收到包含路径的路由答复信息后，按照到目的节点的路径通过网关发送数据信息；
(6)若在传输过程当中发现路由失效，先在失效处重新发送路由请求信息，若在时延一段时间后没有收到路由回复信息，再由源节点发送路由请求信息。
本发明具有如下优点：
1)本方法由于在无线自组网中采用了分群结构，更加适合大规模网络的应用，相对于完全分布式的无线自组网，减少了网络时延和网络的拥塞；
2)本方法由于在网关处进行了编码信息融合，相对于采用储存转发方式的群首网关路由协议，减少了信息发送次数，有效的减少了能量的消耗，提高了网络的传输效率。
附图说明
图1是本发明查找路由的流程图；
图2是本发明网关转发信息的原理示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的路由查找过程包括如下步骤：
步骤1，对无线自组网进行分群。
应用分群算法对大规模无线分组网，使用群首节点的ID号作为群号，群首可以通过最小ID算法、LEACH算法、GAF等算法进行选择，完成群首选择，之后在各个群首通信范围内的节点加入相应群首，形成群内的单跳网络，并初始化群内节点表，在多个群首通信范围内的节点成为网关。群内节点通过群首节点维护的群内节点表进行路由，群间节点的通信通过群首节点和网关节点维护的“群首到网关再到群首”的路径完成。
步骤2，源节点向群首发送路由请求信息。
当数据产生后，先将路由请求信息发送给群首节点，为了保证路由算法的有效性，对路由请求信息编号，每个源节点拥有一个路由请求信息编号，在发送路由请求信息时，将编号存入路由请求信息，并将节点的路由请求信息编号加一。群首对每一个听到的路由请求信息建立缓存表，保存源节点和相应的路由请求信息编号。
步骤3，群首节点根据收到的路由请求信息，返回路由答复信息或向相邻群首转发信息。
若路由请求信息中的编号比群首缓存中对应源节点的路由请求信息编号小，则丢弃该路由请求信息，若路由请求信息中的编号比群首缓存中对应源节点的路由请求信息编号大，则将路由请求信息中的编号存入群首路由的缓存表，并根据收到的路由请求信息，通过群内节点表和通过偷听到的信息建立的缓存表查找路径。对找到路径的目的节点，群首将路径存入路由答复信息并向源节点返回，对找不到路径的目的节点，群首通过网关转发路由请求信息给相邻群首。
步骤4，网关对收到的信息进行转发。
参照图2，本步骤的实现分为两种情况：
第一种情况：网关收到了两个群首发送的路由请求信息或路由答复信息，其步骤如图2(a)所示：
第一步，网关b收到群首A发送的信息1，时延一段时间，该信息1是路由请求信息或路由答复信息；
第二步，网关b在时延中收到群首D发送的信息2，该信息2是路由请求信息或路由答复信息；
第三步，网关b把收到的群首A和D的信息按位进行异或编码运算，生成编码信息3并将该信息通过无线广播媒介，一次发送给两个群首A和D。
第二种情况：网关只收到一个群首发送的路由请求信息或路由答复信息，其步骤如图2(b)所示：
第一步，网关b收到群首A发送的信息1，时延一段时间，该信息1是路由请求信息或路由答复信息，
第二步，在时延中，群首D没有向网关b发送的信息，网关b只收到群首A发送的信息1，
第三步，网关b将信息1直接转发给群首D。
步骤5，群首收到编码信息后进行解码，根据解码的结果返回路由答复信息或是向相邻群首转发解码出的信息。
解码出的信息有两种情况：
第一种情况：解出的结果如果是路由请求信息，则在完成编号比较后，根据是否能在群首路由表中找到到目的节点的路径，确定向源节点返回信息或向相邻群首转发信息，如果群首能找到到目的节点的路径，则将到目的节点的路径存入路由答复信息并向源节点返回，如果群首找不到到目的节点的路径，则通过网关转发路由请求信息给相邻群首；
第二种情况：解出的结果如果是路由回复信息或数据信息，则群首按路径通过网关转发路由回复信息或数据信息。
步骤6，通过偷听建立缓存表。
在回送路由答复信息时，如果有别的群首偷听到路由答复信息，群首将根据偷听到的路由答复信息建立缓存表，保存路径，并对缓存表进行更新，是将超时的条目删除，若没有超时的条目则选择淘汰掉包含节点最少的路径。
步骤7，传输数据。
在网络中的源节点发送路由请求信息到目的节点的过程中，源节点寻找到了一条到目的节点的路径，目的节点根据相同路径发送路由答复信息至源节点，源节点和目的节点将沿路双向传输数据，源节点收到路由答复信息后就认为路由建立已经完成，即进行数据传输。
步骤8，路由维护。
若在传输过程当中发现路由失效，先在失效处重新发送路由请求信息，若在时延一段时间后没有收到路由回复信息，再由源节点发送路由请求信息。
术语解释
CGSR：Cluster head Gateway Switch Routing，群首网关交换路由算法；
ID：identity，身份；
LEACH：low energy adaptive clustering hierarchy；
GAF：geographical adaptive fidelity。

Claims (4)

1、一种基于网络编码的无线自组网路由查找方法，包括如下步骤：
(1)在分群的大规模无线分组网中，源节点向群首节点发送路由请求信息，群首节点根据路由请求信息在路由表中查找到目的节点路径，对找到路径的目的节点，群首将路径存入路由答复信息并向源节点返回，对找不到路径的目的节点，群首通过网关转发路由请求信息给相邻群首；
(2)网关在转发信息时，时延一段时间，如果只收到一个群首发送的路由请求信息或路由答复信息，就直接转发给相应群首，如果收到了两个群首发送的路由请求信息或路由答复信息，就将这两个信息按位进行异或编码运算，通过无线广播媒介，一次发送给两个群首；
(3)群首收到编码信息后进行解码，根据解码的结果返回路由答复信息或是通过网关转发解码出的信息给相邻群首；
(4)在回送路由答复信息时，如果有别的群首偷听到路由答复信息，群首将根据偷听到的路由答复信息建立缓存表，保存路径，并对缓存表进行更新；
(5)源节点收到包含路径的路由答复信息后，按照到目的节点的路径通过网关发送数据信息；
(6)若在传输过程当中发现路由失效，先在失效处重新发送路由请求信息，若在时延一段时间后没有收到路由回复信息，再由源节点发送路由请求信息。
2、根据权利要求1所述的无线分布式网络路由方法，其中步骤(1)所述路由表，包括群内节点表和通过偷听到的信息建立的缓存表。
3、根据权利要求1所述的无线分布式网络路由方法，其中步骤(3)所述根据解码的结果返回路由答复信息或是通过网关转发解码出的信息给相邻群首，分为两种情况：
第一种情况：解出的结果如果是路由请求信息，则根据是否能在群首路由表中找到到目的节点的路径，确定向源节点返回信息或向相邻群首转发信息，如果群首能找到到目的节点的路径，则将到目的节点的路径存入路由答复信息并向源节点返回，如果群首找不到到目的节点的路径，则通过网关转发路由请求信息给相邻群首；
第二种情况：解出的结果如果是路由回复信息或数据信息，则群首按路径通过网关转发路由回复信息或数据信息。
4、根据权利要求1所述的无线分布式网络路由方法，其中步骤(4)所述对缓存表进行更新，是将超时的条目删除，若没有超时的条目则选择淘汰掉包含节点最少的路径。
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