CN101765143B

CN101765143B - 一种适合无线网状网机会性路由的路由量度方法

Info

Publication number: CN101765143B
Application number: CN2010101259087A
Authority: CN
Inventors: 石柯; 华鹏; 付逸斐
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: CN101765143A

Abstract

本发明提出一种适合无线网状网络中机会性路由的路由量度方法，用于计算源节点和目的节点间机会性转发时成功传输一个包所需要的最少传输次数，并基于此路由量度定义节点间距离，划分上游节点和下游节点。该方法充分考虑了机会性路由的广播特性，利用网络中空闲节点的传输能力，让网络中收到数据包的节点都参与转发，从而得到节点间按机会性路由方式转发包时成功传输一个包所需要的最少传输次数。以最少传输次数为路由量度选出的转发节点和传统路由量度相比更加适应于机会性路由中机会性转发节点集的选择。

Description

一种适合无线网状网机会性路由的路由量度方法

技术领域

本发明涉及无线网络路由领域，特别是涉及无线mesh网络机会性路由的路由量度。

背景技术

无线网状网络(Wireless Mesh Network, WMN)也称为多跳(multi-hop)网络，其核心指导思想是让无线网络中的每个节点都可以发送和接收信号。在无线网状网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP（Accessing Point）和路由器，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止，这样的访问方式就是多跳访问。多跳访问方式使普通无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性差等问题迎刃而解。网络中大量终端设备能自动通过无线连成网状结构，网络中的每个节点都具备自动路由功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种自组织、自管理的智能网络，不需主干网即可构筑富有弹性的网络。

路由量度(Routing Metric)是一组参数，通过它们一个路由选择公式决定一个更优的路由。每一种路由量度均从不同角度衡量了某种链路代价开销。当进行路由发现或路由维护时，均首先从路由表中判断邻居节点的路由量度值的大小，然后再选择下一跳转发节点。目前典型的路由量度方法有以下几种：

跳数量度(hop count，Hops)，Hops量度方法选择总跳数最小的路径作为数据传输路径。单跳选路时，链路质量的量度呈现出二进制特性，链路或者存在，或者不存在。

单跳往返时间量度(per hop round trip time，Per-RTT)，Per-RTT量度方法是通过在相邻节点之间发送探测包，以此来测量探测包的往返时延，路由算法选择单跳往返时间最小的路径进行传输。

期望的发包数(expected transmission count，ETX)，ETX量度方法是发送节点通过定期发送广播包测得其与邻居节点之间正向及反向链路的包接受率，从而估计出要正确传输一个数据包所需重发的包的数量。路由算法选择期望发包次数较小的邻居节点作为下一跳。

上述几种路由量度方法的思想均是基于传统路由方式，而忽略了无线网络机会性路由本身的特性。机会性路由，是指在数据包传输完成后再确定哪些接收到数据的节点成为路由的下一跳。在无线网状网络中，传输信道是无线的，数据传输的本质是广播，因此，处于该次传输的发送节点和接受节点附近的其他节点都可以机会性地接收到此次传输的数据。对于传统的路由方式，无线信道的广播性使其在选路过程中产生了许多冗余链路，占用了大量网络资源，而机会性路由则是从充分利用这些冗余链路的角度出发，在节点将数据发送出去之后，让收到数据的节点都参与数据的转发，并根据各节点的机会性接收情况来选择合适的节点成为传输的下一跳。因此，机会性路由势必会对无线网状网络的数据传输性能带来较大提高。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的缺陷和不足，其目的在于提供一种更加适用于无线网状网机会性路由的路由量度方法，采用该路由量度方法确定数据传输路由，减少节点间的数据传输次数，提高网络的吞吐率。

本发明以节点间机会性转发时成功传输一个包所需要的最少传输次数ELT(Expected Least Transmissions期望最少传输次数)作为机会性路由量度，并基于此路由量度定义节点间距离，划分上游节点和下游节点。本发明包括如下步骤：

第一步，对每个无线Mesh节点加载一个探测包队列，并按照一定的时间间隔周期性发送探测包，同时接受其他节点发送的探测包，将所接收到探测包的发送点标记为接受节点的邻居节点，并通过检测一段时间内收到邻居节点的探测包个数计算出节点间的前向包和反向包发送成功率。对无线任意一条链路A—B，节点A周期性地(周期设为(1+γ)秒，γ为(0，0.1)之间的一个随机数，称为震荡时间)发送探测包给B。在B节点处设置一个长度为s的窗口，记录在过去的s秒内B成功接收到来自A节点探测包的次数c，并用c/s作为A—B链路前向包成功发送率。反之B节点周期性地发送探测包给A，同理可以求出A—B链路的反向包成功发送率。

所述前向包发送成功率是指某邻居节点接受到本地节点发送的包的概率。

所述反向包发送成功率是指本地接受到某邻居节点发送的包的概率。

第二步，根据第一步中所得的链路前向和反向包成功发送率，计算得到各节点对其所有相邻节点的发包成功率统计表，作为路由量度的初始依据。

所述发包成功率是指目的节点成功收到来自源节点的数据包，且源节点成功接收到来自目的节点的ACK包的概率，所以发包成功率p等于前向包成功发送率pf与反向包成功发送率pr的乘积，即。

第三步，根据第二步中生成的发包成功率统计表，计算得到各节点到其所有相邻节点的单跳链路ETX统计表。

所述ETX是指节点间沿最短路径成功传送一个探测包所需传输次数的预测值。不妨设本地节点到某一相邻节点的发包成功率为p，那么单跳链路的ETX的公式为：

第四步，根据第三步中生成的单跳链路ETX统计表，计算出各节点到目的节点的ETX值，即到目的节点的链路中各段单跳链路ETX之和的最小值，并将这些节点到目的节点的ETX升序排列，以此区分上、下游节点和距离的远近。按升序排序后的目的节点的序号为1，源节点的序号为n，则中间节点为2，3，4……n-1。那么源节点的下游节点集为{1，2，3……n-1}，这里将节点集{1，2，3……n-1}简记为{n-1}。

所述上、下游节点是相对于传输过程中的目的节点而言的，用各节点到目的节点的距离来区分，距离小的是下游节点，距离大的是上游节点。

所述到目的节点的距离依赖于采用的路由量度，不同的路由量度定义的距离是不同的。

第五步，根据第四步中得出的节点上下游关系，计算出本地节点需要发送包的次数，设为，以使得至少一个下游节点能够收到其发送的包。对于某节点s，其下游节点集为{1，2……s-1}，先计算节点s的下游节点集中至少有一个节点收到包的概率，记为，简记为。则有，表示节点s到下游节点i之间的发包成功率。当节点集只有一个节点i时，；然后计算，得到节点s成功传输一个数据包到下游节点集所需要的最少传输次数。

第六步，根据第四步中得出的节点上下游关系，计算出本地节点的下游节点集中至少有一个节点收到包的情况下，数据包从收到包的下游节点发送到目的节点需要的转发次数。先计算节点s的下游节点k收到包的概率，，对于目的节点，即节点序号k=1时，等于节点s到目的节点的数据包成功接收率，即；对于其他节点，即节点序号大于1而小于s的节点，，因此；然后计算让下游节点集中每个节点都参与传输时所需的总传输次数，该值采用递归迭代算法，按照节点序号先计算出前面节点的ELT值，利用这些ELT值来计算；最后得到从下游节点集成功传输到目的节点所需要的最少传输次数。

第七步，将第五步和第六步的结果相加，，得到本地节点的ELT值，即本地节点到目的节点的期望最少传输次数，然后按各节点的ELT升序排列，以此确定最终的上、下游节点关系。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1. 提出一种适合无线网状网络中机会性路由的路由量度ELT，以源节点和目的节点间机会性转发时成功传输一个包所需要的最少传输次数为定义节点间距离的路由判据，充分考虑了无线链路存在的干扰及负载情况、以及无线网络数据传输的广播特性，因此与Hops、ETX等传统路由量度相比，减少了节点间的数据传输次数，从而提高了网络的吞吐率。

2. 基于ELT定义节点间距离，划分上游节点和下游节点，选择出适合无线网状网机会性路由的最优转发节点集，充分利用网络中空闲节点的传输能力来发挥机会性路由的优势，让网络中收到数据包的节点都参与转发，因此与Hops、ETX等传统路由量度相比更加适合于机会性路由中机会性转发节点集的选择。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例的节点布置关系拓扑图。

具体实施方式

下面结合图1、2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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以一个4层的教学楼为例，如图2所示，节点布置在房间中，一楼和四楼均有一个房间布置了节点，分别为105室和410室，二楼和三楼均有两个房间布置了节点，分别为205室、210室和310室、315室。

当前105室的某PC机想发送数据给410室，其步骤如下：

第一步，对每个无线Mesh节点加载一个探测包队列，并按照一定的时间间隔周期性发送探测包，同时接受其他节点发送的探测包，将所接收到探测包的发送点标记为接受节点的邻居节点，并通过检测一段时间内收到邻居节点的探测包个数计算出节点间的前向包和反向包发送成功率。本实施例中作为检验节点的‘210’(其他节点行为与其相同)在第一步过程中发现‘105’，‘310’，‘315’和‘410’，并可以计算与之相邻节点的前向包发送成功率和反向包发送成功率。

第二步，根据第一步中所得的链路前向和反向包成功发送率，计算得到各节点对其所有相邻节点的发包成功率统计表，作为路由量度的初始依据。本实施例中‘210’根据与其邻居节点‘105’，‘310’，‘315’和‘410’的前向包发送成功率和反向包发送成功率计算出与他们之间的发包成功率，并记录为发包成功率表，如‘210’到‘315’的前向包发送成功率为0.6，反向包发送成功率为0.5，则他们之间的发包成功率为0.6 * 0.5 = 0.3。

第三步，根据第二步中生成的发包成功率统计表，计算得到各节点到其所有相邻节点的单跳链路ETX统计表。本实施例中，‘210’到其邻居节点‘105’，‘310’，‘315’和‘410’的单跳链路ETX表可以通过公式求得，如‘210’到‘315’的单跳。

第四步，根据第三步中生成的单跳链路ETX统计表，计算出各节点到目的节点的ETX值，并将这些节点按到目的节点的ETX升序排列，以此区分上、下游节点和距离的远近，ETX值越小表示距离目的节点越近。本实施例中，‘210’到目的节点‘410’的链路中，各链路的ETX值之和如下：

210—310—410：

210—410：

210—315—410：

其他链路的ETX显然会更大，因此就不一一列出了。通过比较，链路‘210’—‘415’的ETX=2.5为最小，因此‘210’节点到目的节点‘415’的ETX记为2.5。

同样，可得出其他节点的ETX：

节点 105 205 210 310 315 410

ETX 4.17 3.33 2.50 1.25 2.00 0

按其升序排序为：{410，310，315，210，205，105}。

第五步，根据第四步中得出的节点上下游关系，计算出本地节点需要发送包的次数，以使得至少一个下游节点能够收到其发送的包。本实施例中，‘210’节点的下游节点集为{410，310，315}，根据可知该节点集接收到‘210’发送的包的概率为，所以‘210’节点成功传输一个数据包到下游节点集所需最少传输次数为。

第六步，根据第四步中得出的节点上下游关系，计算出本地节点的下游节点集中至少有一个节点收到包的情况下，数据包从收到包的下游节点发送到目的节点需要的转发次数。本实施例中，以‘210’节点作为源节点发送数据包，下游节点集{410，310，315}中节点k收到数据包的概率，那么有

q f ELT

410 0.4 0.4 0

310 0.88 0.48 1.25

315 0.916 0.036 2

所以，得到从下游节点集成功传输到目的节点所需要的最少传输次数。

第七步，将第五步和第六步的结果相加，即得到本地节点的ELT值，即本地节点到目的节点的期望最少传输次数，并按各节点的ELT升序排列，以此确定节点间的最终上下游关系。本实施例中，‘210’节点的ELT值为1.09+0.73=1.82。同样，得到其他节点的ELT值：

节点 410 310 315 210 205 105

ELT 0 1.25 2.00 1.82 3.33 3.16

按ELT升序排序为{410，310，210，315，105，205}，作为最终的上、下游节点关系。由此可知，在本实施例中，源节点‘105’发送数据后，‘205’节点和‘315’节点参与机会性转发，当‘210’节点收到数据包后选择新的转发节点‘310’节点和‘315’节点参与机会性转发。因此在此例中，以ELT为路由量度选择的转发节点集是适合机会性路由的转发节点集。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种适合无线网状网机会性路由的路由量度方法，其特征在于，它以节点间机会性转发时成功传输一个包所需要的最少传输次数ELT作为机会性路由量度，包括如下步骤：

第一步，对每个无线Mesh节点加载一个探测包队列，并按照一定的时间间隔周期性发送探测包，同时接受其他节点发送的探测包，将所接收到探测包的发送点标记为接受节点的邻居节点，并通过检测一段时间内收到邻居节点的探测包个数计算出节点间的前向包和反向包发送成功率；

第二步，根据第一步中所得的链路前向包和反向包成功发送率，计算得到各节点对其所有邻居节点的发包成功率统计表，作为路由量度的初始依据；

第三步，根据第二步中生成的发包成功率统计表，计算得到各节点到其所有邻居节点的单跳链路ETX统计表，所述ETX是指节点间沿最短路径成功传送一个探测包所需传输次数的预测值；

第四步，根据第三步中生成的单跳链路ETX统计表，计算出各节点到目的节点的ETX值，并将这些节点按到目的节点的ETX升序排列，以此区分上、下游节点和距离的远近，ETX值越小表示距离目的节点越近；

第五步，根据第四步中得出的节点上下游关系，计算出本地节点需要发送包的次数，以使得至少一个下游节点能够收到其发送的包；

第六步，根据第四步中得出的节点上下游关系，计算出本地节点的下游节点集中至少有一个节点收到包的情况下，数据包从收到包的下游节点发送到目的节点需要的转发次数；

第七步，将第五步和第六步的结果相加，即得到本地节点的ELT值，即本地节点到目的节点的期望最少传输次数，并按各节点的ELT升序排列，以此确定节点间的最终上下游关系。

2.根据权利要求1所述的适合无线网状网机会性路由的路由量度方法，其特征是，第二步所述发包成功率是指目的节点成功收到来自源节点的数据包，且源节点成功接收到来自目的节点的ACK包的概率，所以发包成功率p等于前向包成功发送率pf与反向包成功发送率pr的乘积，即p＝pf*pr。

3.根据权利要求2所述的适合无线网状网机会性路由的路由量度方法，其特征是，在第三步中计算单跳链路的ETX的公式为：

ETX = Σ_{t = 1}^{\infty} t * {(1 - p)}^{t - 1} * p = - p * Σ_{t = 1}^{\infty} \frac{d {(1 - p)}^{t}}{dp} = \frac{1}{p}

式中，p为本地节点到某一邻居节点的发包成功率。

4.根据权利要求3所述的适合无线网状网机会性路由的路由量度方法，其特征是，第五步中，对于某节点s，其下游节点集为{1，2......s-1}，节点s的下游节点集中至少有一个节点收到包的概率，记为q_{{1，2，...s-1}}，简记为q_{s-1}，

p_i表示节点s到下游节点i之间的发包成功率；节点s成功传输一个数据包到下游节点集所需要的最少传输次数

5.根据权利要求4所述的适合无线网状网机会性路由的路由量度方法，其特征是，第六步中，计算出本地节点的下游节点集中至少有一个节点收到包的情况下，数据包从收到包的下游节点发送到目的节点需要的转发次数的计算方法为：先计算节点s的下游节点k收到包的概率，f(k)，对于目的节点，即节点序号k＝1时，f(k)等于节点s到目的节点的数据包成功接收率，即f(k)＝q_{k}＝p_k；对于其他节点，即节点序号大于1而小于s的节点，f(k)＝q_{k}-q_{k-1}，因此

f (k) = \{\begin{matrix} q_{{k}} = p_{k} \\ q_{{k}} - q_{{k - 1}}, 2 \leq k \leq s \end{matrix};

然后计算让下游节点集中每个节点都参与传输时所需的总传输次数

该值采用递归迭代算法，按照节点序号先计算出前面节点的ELT值，利用这些ELT值来计算；最后得到从下游节点集成功传输到目的节点所需要的最少传输次数

6.根据权利要求5所述的适合无线网状网机会性路由的路由量度方法，其特征是，所述第七步中，用公式ELT(s)＝Q(s)+D(s)得到本地节点的ELT值。