CN101754321A

CN101754321A - 基于mimo链路的认知路由方法

Info

Publication number: CN101754321A
Application number: CN200910219215A
Authority: CN
Inventors: 盛敏; 龙春燕; 史琰; 乐天助; 李红艳; 李建东; 赖征林; 姚君
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: CN101754321B

Abstract

本发明公开了一种基于MIMO链路的认知路由方法，主要解决现有技术的吞吐量低和开销大的问题。其过程是：通过Q学习算法实现认知的过程，对网络的状态进行学习和预测；根据所感知的网络状态设置路由寿命和hello周期；使用MIMO技术，使得网络中存在多种链路类型，即复用、分集和组复用链路；建立网络中每个节点的扩展因子表，通过查询该表获得节点之间的链路类型；使用分集链路发送hello、RREQ包，通过查表获得发送数据和RREP包所使用的链路类型；更新扩展因子表，使节点之间的链路类型不断更新；更新路由表，使源节点和目的节点之间所建立的路径最优。本发明保证了业务的QoS需求，优化网络的性能，能够根据节点密度和网络状态的变化进行自适应的调整。

Description

基于MIMO链路的认知路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及MIMO链路的认知路由方法，用于认知无线网络中。

背景技术

认知路由能够感知当前网络的状态，通过适当的学习机制，如强化学习，根据所感知的网络状态做出正确的规划、判决和动作。在认知的过程中，使用强化学习作为其学习机制，它是一种无监督的学习方法，使智能体能够在环境模型未知的情况下，利用环境奖赏寻找并执行最优的行为。文献“Cognitive NetworkManagement with Reinforcement Learning for Wirless Mesh Networks”所提出了一种Q学习算法。在该算法中，每个节点对无线网络的状态进行预测，并根据当前所预测的网络状态重新配置本条路由寿命和hello周期。

传统无线通信中存在着多径衰落现象，严重影响了网络的性能。目前比较常用的MIMO多输入多输出技术，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了对用户通信性能有利的因素。文献“Routing in Ad-hoc Networks with MIMO Links”与“一种基于MIMO技术的网络节点密度自适应路由协议”所提出的路由协议，均利用了MIMO的复用和分集增益。但是这两种路由协议的路由寿命和hello周期是固定的，不能随网络状态的变化自适应的调整，这将导致端到端时延增加，吞吐量下降，网络开销增加。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术的缺点，提出了一种基于MIMO链路的认知路由方法，能够根据节点密度和网络状态的变化进行自适应的调整，保证了业务的QoS需求，提高了网络吞吐量，减小了端到端时延，降低了网络开销。

术语说明

RREQ包：源节点发送的路由请求包。

RREP包：目的节点发送的路由回复包。

hello包：用于通知邻居节点本节点存在的包。

扩展因子：节点之间所使用的链路类型。

metric：路由代价。

MIMO：多输入多输出。

SISO：单输入单输出。

CRMA路由协议：基于MIMO链路的认知路由方法。

本发明的具体实现过程包括：

(1)在路由表、RREQ和RREP包中增加路由代价域，在RREP包中增加端到端时延域；

(2)建立网络中每个节点的扩展因子表，通过查询扩展因子表获得与下一跳节点之间的链路类型；

(3)网络中的源节点采用广播泛洪的方式通过分集链路发送RREQ包，源节点在开始广播RREQ包时，将路由代价域初始化为0；

(4)第一次收到RREQ包的中继节点，更新扩展因子表，根据MIR路由协议中的metric公式更新RREQ包中的路由代价域，并记录在路由表中，同时根据该节点是否有到达目的节点的有效路径判断是回复RREP包还是转发RREQ包，如果该节点有一条到达目的节点的有效路径，中继节点回复RREP包，否则，中继节点将转发RREQ包；

(5)收到重复RREQ包的中继节点，更新扩展因子表，根据MIR路由协议中的metric公式更新RREQ包中的路由代价域，根据目的节点序列号和路由代价判断是否对路由表进行更新，如果RREQ包中的源节点序列号大于路由表中记载的目的节点序号或等于路由表中记载的目的节点序号且前者记录的路由代价小于后者时，中继节点将更新路由表；同时根据该节点是否有到达目的节点的有效路径判断是回复RREP包还是转发RREQ包，如果该节点有一条到达目的节点的有效路径，中继节点回复RREP包，从扩展因子表中读取到达下一跳节点所使用的链路类型，并按照该信息将RREP包转发到下一跳节点，否则，中继节点将转发RREQ包；

(6)目的节点回复RREP包时，从路由表中读取路由代价并将其赋给RREP包中的路由代价域，从MAC层读取接入时延并将其赋给RREP包中的端到端时延域，从扩展因子表中读取扩展因子，该因子决定回复RREP包所使用的链路类型；

(7)收到RREP包的中继节点，更新RREP中的时延域、路由代价域和扩展因子表，根据目的节点序列号和路由代价决定是否转发该RREP包和更新路由表，如果RREP包中的目的节点序号大于路由表中记载的目的节点序号或目的节点序号等于路由表中记载的目的节点序号且前者记录的路由代价小于后者时，中继节点将转发该RREP包，同时更新路由表，并采用Q学习算法重新设置hello周期和本条路由的路由寿命；

(8)收到RREP包的源节点，更新RREP中的时延域、路由代价域和扩展因子表，采用Q学习算法重新设置hello周期和本条路由的路由寿命，根据目的节点序列号和路由代价决定是否更新路由表，如果RREP包中的目的节点序号大于路由表中记载的目的节点序号或目的节点序号等于路由表中记载的目的节点序号且前者记录的路由代价小于后者时，源节点更新路由表，完成源节点与目的节点之间的路由建立；

(9)源节点和目的节点之间利用已建立的路由传输数据包，并从扩展因子表中读取扩展因子，根据扩展因子决定所使用的链路类型。

本发明与现有技术相比所具有如下优点：

1.本发明由于采用Q学习算法对网络的状态进行学习和预测，并合理地配置自己的路由寿命和hello周期，这不仅实现了路由寿命的动态管理，而且及时维护节点之间可达性，保证了业务的QoS需求，降低了网络开销；

2.本发明由于对扩展因子表的更新，使收发节点之间的链路类型得到及时的更新，减少了由于节点的移动而导致数据包的丢失，提高了整个网络的吞吐量；

3.本发明由于对路由表的更新，从而保证了源节点和目的节点之间所建立的路径达到最优。

附图说明

图1是本发明的认知路由过程图；

图2是本发明的实例示意图。

具体实施方式

本路由过程属于跨层路由协议，通过认知的过程管理路由寿命和hello周期。将物理层使用MIMO技术所带来的空间复用增益和分集增益对应为链路的类型，即复用、分集和组复用链路。复用链路能提高链路的速率，分集链路能够增大通信范围，组复用链路不仅能提高链路的速率还能增大通信距离。

参照图1，本发明的具体实现如下：

过程1：在路由表、RREQ和RREP包中增加路由代价域，RREP包中增加端到端时延域。

RREQ包的主要域有：广播ID号、目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点的IP地址、源节点序列号、跳数和路由代价域。RREP包的主要域有：目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、生存时间、跳数、端到端时延和路由代价域。路由表的主要路由条目有：目的节点IP地址、目的节点序列号、跳数和路由代价。在路由表、RREQ和RREP包中增加路由代价域，其目的是在源目的节点对之间建立一条代价最小的链路。RREP包中增加端到端时延域，对端到端时延进行估计。

过程2：建立网络中每个节点的扩展因子表，计算扩展因子，该扩展因子表示节点之间所使用的链路类型。

(2a)新建Excel表格，表中第一项是邻居节点的地址，第二项是扩展因子，当节点第一次收到邻居节点发送的hello、RREQ和RREP包时，打开所建立的表格，将其邻居节点的地址和扩展因子填在所建立的表中，并关闭所建立的扩展因子表，当节点再次收到邻居节点发送的hello、RREQ和RREP包时，打开扩展因子表，根据当前收发节点之间的距离重新计算扩展因子，根据hello、RREQ和RREP包中的目的地址在所建立的表中找到相应的项，将新的扩展因子替换旧的扩展因子，关闭扩展因子表；

(2b)扩展因子的计算方法如下：当网络中的每个节点所配置的天线数是4时，如果收发节点之间的距离在复用链路范围内，则扩展因子为1，如果收发节点之间的距离在组复用链路范围内，则扩展因子为2时，如果收发节点之间的距离在组复用链路范围内，则扩展因子为4时；

(2c)当扩展因子为1时，节点之间使用复用链路进行传输，当扩展因子为2时，节点之间使用组复用链路进行传输，当扩展因子为4时，节点之间使用分集链路进行传输。

过程3：源节点发送RREQ包。

网络中的源节点采用广播泛洪的方式通过分集链路发送RREQ包，源节点在开始广播RREQ包时，将路由代价域初始化为0。

过程4：第一次收到RREQ包的中继节点，更新扩展因子表，并判断是回复RREP包还是转发RREQ包。

(4a)第一次收到RREQ包的中继节点，根据MIR路由协议中的metric公式更新RREQ包中的路由代价域，并记录在该节点的路由表中，MIR路由协议中计算metric公式如下所示：

该公式综合考虑MIMO的复用和分集特性，将通信半径大的分集链路所引起的静默范围作为一种不利的因素，置于分子上，将复用高速率带来的信息速率的提高作为有利因素将其置于分母上；

(4b)第一次收到RREQ包的中继节点，根据其是否有到达目的节点的有效路径判断是回复RREP包还是转发RREQ包，如果该节点有一条到达目的节点的有效路径，中继节点回复RREP包，否则，中继节点将转发RREQ包。

过程5：收到重复RREQ包的中继节点，更新扩展因子表，判断是否对路由表进行更新，并判断是回复RREP包还是转发RREQ包。

收到重复RREQ包的中继节点，根据MIR路由协议中的metric公式更新RREQ包中的路由代价域，根据目的节点序列号和路由代价判断是否对该节点的路由表进行更新，如果RREQ包中的源节点序列号大于路由表中记载的目的节点序号或等于路由表中记载的目的节点序号且前者记录的路由代价小于后者时，更新路由表，该更新是根据收到的RREQ包中目的节点地址在该节点的路由表中找到相应的项，并用RREQ包中目的节点序列号、跳数、路由寿命和路由代价域所存储的信息替换该节点路由表中已存储的信息，同时根据该节点是否有到达目的节点的有效路径判断是回复RREP包还是转发RREQ包，如果该节点有一条到达目的节点的有效路径，中继节点回复RREP包，从扩展因子表中读取到达下一跳节点所使用的链路类型，否则，中继节点将转发RREQ包。

过程6：目的节点回复RREP包。

目的节点回复RREP包时，从路由表中读取路由代价并将其赋给RREP包中的路由代价域，从MAC层读取接入时延并将其赋给RREP包中的端到端时延域，从扩展因子表中读取扩展因子，获得到达下一跳节点所使用的链路类型。

过程7：收到RREP包的中继节点，更新扩展因子表、RREP中的时延域和路由代价域，判断是否对路由表进行更新及RREP包的转发，根据所预测到的网络状态重新设置该节点的hello周期和本条路由的路由寿命。

(7a)收到RREP包的中继节点，按照下述公式更新RREP包中时延域为：

d_RREP＝d_RREP+d_MAC+d_transmit

式中d_RREP是指端到端时延，该值从RREP包中时延域读取，d_MAC是指MAC层的接入时延，该值为分组到达MAC层到分组在MAC层被传输的时间间隔，d_transmit是指传输时延，该值为数据包大小与链路速率的比值；

(7b)收到RREP包的中继节点，按照下述公式更新RREP包中路由代价域：

m_RREP＝m_RREP-m_p

m_{p} = f_{i, j}^{2} / r_{i, j}

式中，m_RREP从RREP包中的路由代价域读取，m_p是指该节点与下一跳节点的路由代价，m_p计算公式中的f_i，j是指节点i和节点j之间所使用链路的扩展因子；

(7c)如果RREP包中的目的节点序号大于路由表中记载的目的节点序号或目的节点序号等于路由表中记载的目的节点序号且前者记录的路由代价小于后者时，中继节点将转发该RREP包，同时更新该节点的路由表，该更新是根据收到的RREP包的目的节点地址在该节点的路由表中找到相应的项，并用RREP包中目的节点序列号、跳数、路由寿命、路由代价域所存储的信息替换该节点路由表中已存储的信息；

(7d)采用Q学习算法对网络的状态进行预测，并重新设置该节点的hello周期和RREP包中的路由寿命，Q学习算法描述如下：

该算法由网络的状态集合，行为集合以及累计报酬值组成，网络的状态集合S＝{0，1}，其中“0”是指当前的网络状态不稳定，“1”是指当前的网络状态稳定，行为集合A＝{a₀，a₁}，其中，“a₀”表示执行行为：减小本条路由的路由寿命和hello周期，“a₁”表示执行行为：增大本条路由的路由寿命和hello周期，Q_i ¹[t]：表示节点i在t时刻执行行为a₀所获得的累计报酬值，初始化为0，Q_i ²[t]：表示节点i在t时刻执行行为a₁所获得的累计报酬值，初始化为0，初始化后，Q值按照如下公式进行更新：

Q_{i}^{1} [t] = &PartialD; * Q_{i}^{1} [t - 1] + (1 - &PartialD;) γ

Q_{i}^{2} [t] = &PartialD; * Q_{i}^{2} [t - 1] + 1 - &PartialD; / γ

式中

是指学习因子，取值范围为[0，1)，γ＝ete_t/ete_max，ete_t表示在t时刻端到端时延，该值从RREP的端到端时延域中读取，ete_max表示网络允许的端到端时延的最大值，节点i每次收到RREP包时，首先对Q值进行更新，然后比较Q值的大小，并根据比较结果执行相应的行为：当

Q_{i}^{1} > Q_{i}^{2}

时，说明网络的状态为“0”，执行行为a₀，当

Q_{i}^{1} < Q_{i}^{2}

时，说明网络的状态为“1”，执行行为a₁。

过程8：源节点收到RREP包，更新扩展因子表，根据目的节点序列号和路由代价决定是否更新路由表，并根据所预测到的网络状态重新设置该节点的hello周期和本条路由的路由寿命。

收到RREP包的源节点，更新RREP中的时延域和路由代价域，采用Q学习算法重新设置hello周期和本条路由的路由寿命，根据目的节点序列号和路由代价决定是否更新路由表，如果RREP包中的目的节点序号大于路由表中记载的目的节点序号或目的节点序号等于路由表中记载的目的节点序号且前者记录的路由代价小于后者时，源节点更新路由表，该更新是根据收到的RREP包的目的节点地址在源节点的路由表中找到相应的项，并用RREP中目的节点序列号、跳数、路由寿命、路由代价域所存储的信息替换源节点路由表中已存储的信息，完成源节点与目的节点之间的路由建立。

过程9：源节点利用已建立的路由将数据包传输到目的节点。

源节点和目的节点之间利用已建立的路由传输数据包，并从扩展因子表中读取扩展因子，根据扩展因子决定所使用的链路类型。

根据上述本发明的实现步骤，给出以下实例：

参照图2，网络中的每一个节点都配置4根天线，链路上的数字表示扩展因子，即链路的类型：复用、分集和组复用链路。当扩展因子为1时，节点之间使用复用链路进行传输，信道速率是SISO传输速率4倍；当扩展为2时，使用组复用链路，信道速率是SISO传输速率2倍，传输范围是SISO传输范围2倍；当扩展为4时，使用分集链路，传输范围是SISO传输范围4倍。源节点S使用分集链路发送RREQ包，节点0和节点1第一次收到源节点S发送的RREQ包，在其路由表和扩展因子表中记录该条信息，再转发RREQ包，当节点1第二次收到节点0转发的RREQ包时，检查是否需要转发该RREQ包及对已存在的路由条目进行更新，按照MIR路由协议中所定义的metric可知，S-＞1和S-＞0-＞1的metric分别为16和4，所以节点1更新该条路由条目，继续转发RREQ包。节点2和目的节点D对第二次收到的RREQ包处理方式与节点1相同。节点2收到节点1回复的RREP时，预测到网络的状态稳定，延长本条路由寿命和hello周期。最终源节点S和目的节点D所建立的路由是S-＞0-＞1-＞2-＞D。

Claims

1.一种基于MIMO链路的认知路由方法，包括如下过程：

2.根据权利要求1所述的认知路由方法，其中过程(2)所述的扩展因子表，包括邻居节点的地址和扩展因子，该扩展因子表示节点之间所使用的链路类型，其计算过程如下：

当网络中的每个节点所配置的天线数是4时，如果收发节点之间的距离在复用链路范围内，则扩展因子为1，节点之间使用复用链路进行传输，如果收发节点之间的距离在组复用链路范围内，则扩展因子为2，节点之间使用组复用链路，如果收发节点之间的距离在组复用链路范围内，则扩展因子为4，节点之间使用分集链路。

3.根据权利要求1所述的认知路由方法，其中过程(2)所述的建立网络中每个节点的扩展因子表，按如下过程进行：

首先，设置建Excel表格，表中第一项设置为邻居节点的地址，第二项是设置为扩展因子；

然后，在表格中填充相应内容，当任意一个节点第一次收到邻居节点发送的hello、RREQ和RREP包时，将其邻居节点的地址和扩展因子填在所建立的表中；当节点再次收到邻居节点发送的hello、RREQ和RREP包时，根据当前收发节点之间的距离重新计算扩展因子，根据hello、RREQ和RREP包中的目的地址在所建立的表中找到相应的项，用新的扩展因子替换旧的扩展因子表。

4.根据权利要求1所述的认知路由方法，其中过程(5)所述的收到重复RREQ包的中继节点更新路由表，是根据收到的RREQ包中目的节点地址在中继节点的路由表中找到相应的项，并用RREQ包中目的节点序列号、跳数、路由寿命和路由代价域所存储的信息替换中继节点路由表中已存储的信息。

5.根据权利要求1所述的认知路由方法，其中过程(7)所述的收到RREP包的中继节点更新路由表，是根据收到的RREP包的目的节点地址在中继节点的路由表中找到相应的项，并用RREP包中目的节点序列号、跳数、路由寿命、路由代价域所存储的信息替换中继节点路由表中已存储的信息。

6.根据权利要求1所述的认知路由方法，其中过程(8)所述的收到RREP包的源节点更新路由表，是根据收到的RREP包的目的节点地址在源节点的路由表中找到相应的项，并用RREP中目的节点序列号、跳数、路由寿命、路由代价域所存储的信息替换源节点路由表中已存储的信息。