CN101848523B - 一种多信道无线网状网络中的路径选择方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多信道无线网状网络中的路径选择方法及装置；方法包括：找到源节点和目的节点之间的各路径；对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。本发明能合理解决多信道无线Mesh网络中的路由选择问题，有效改善无线Mesh网络的延迟，吞吐量等性能。

Description

一种多信道无线网状网络中的路径选择方法及装置

技术领域

本发明涉及无线网络领域，尤其涉及一种多信道无线网状网络中的路径选择方法及装置。

背景技术

无线Mesh网络是一种新型的无线网络结构，也称为“多跳(multi-hop)”网络。传统无线网中，节点的通信须经过AP(接入点)；Mesh网络中，每个节点与一个或者多个对等节点进行直接通信。它具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本，是一种解决无线接入“最后一公里”瓶颈问题的新方案。现阶段用户对无线Mesh网络接入技术的共同需求是更高的带宽、更低的延迟、更大的网络容量。

由于无线通信“共享介质”以及无线传输时变的特征，实际应用中多用户冲突和多跳传输等问题大幅影响网络吞吐量，因此单信道的无线协议限制了无线Mesh网络的容量。为解决这个问题，多信道Mesh网络架构被提出，以解决无线多跳网络扩展性差和网络容量受限等问题。多信道Mesh网络的核心问题是信道分配方法，信道分配方法为每个接口分配物理信道，保证网络连通性的同时，还需尽量减少相邻节点之间的干扰。在多信道无线Mesh网络中，静态分配方法简单但信道利用率低，动态分配方法信道利用率高但可扩展性差。而基于分簇式信道分配方法结合了静态信道分配和动态信道分配，有效改善了网络带宽、延迟及容量等网络性能。

在多信道网络中，传统的路由选路指标是基于跳步数实现的，这种路由选择方法不能解决路径质量差而影响网络吞吐量等性能的问题，因此基于跳步数路由选择方法已经不能充分发挥多信道的优势，选择一种能正确反映出链路质量对各网络指标的影响的路由尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多信道无线网状网络中的路径选择方法及装置，能合理解决多信道无线Mesh网络中的路由选择问题，有效改善无线Mesh网络的延迟，吞吐量等性能。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多信道无线网状网络中的路径选择方法，包括：

找到源节点和目的节点之间的各路径；

对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；

在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。

进一步地，路径的所述干扰范围内最大干扰链路数为该路径上各段链路的干扰链路数中最大的数；其中，一段链路的干扰链路数为：

$\underset{j=i+1}{\overset{\min (i+\mathrm{InterferenceLen},\mathrm{HC})}{\mathrm{\Σ}}}I(C\left(i\right)==C\left(j\right))$

其中HC是该路径的跳步数；I(C(i)＝＝C(j))当链路i和链路j使用同一个信道的时候为1，否则为0；InerferenceLen是以跳步数为单位的干扰距离；

路径上的所述能增加的信道数目为该路径上各节点的接口因子之和；所述节点的接口因子当该节点存在空闲接口或可变接口时为1，否则为0。

进一步地，所述第三权重小于第二权重。

进一步地，所述确定路径的选路指标值的步骤后、所述选出所述选路指标值最小的路径的步骤前还包括：

分别将各路径的所述选路指标值加上乘以第四权重后的该路径的簇因子，得到该路径的新的选路指标值；所述路径的簇因子当所述源节点和目的节点来自同一个簇、并且该路径使用了该簇的簇内信道以外的信道时为1，其它情况均为0。

进一步地，0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1，0＜λ＜1。

本发明还提供了一种多信道无线网状网络中的路径选择装置，包括：路由模块，用于找到源节点和目的节点之间的各路径；

计算模块，用于对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；

选择模块，用于在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。

进一步地，路径的所述干扰范围内最大干扰链路数为该路径上各段链路的干扰链路数中最大的数；其中，一段链路的干扰链路数为：

$\underset{j=i+1}{\overset{\min (i+\mathrm{InterferenceLen},\mathrm{HC})}{\mathrm{\Σ}}}I(C\left(i\right)==C\left(j\right))$

其中HC是该路径的跳步数；I(C(i)＝＝C(j))当链路i和链路j使用同一个信道的时候为1，否则为0；InerferenceLen是以跳步数为单位的干扰距离；

路径上的所述能增加的信道数目为该路径上各节点的接口因子之和；所述节点的接口因子当该节点存在空闲接口或可变接口时为1，否则为0。

进一步地，所述第三权重小于第二权重。

进一步地，所述的装置还包括：修正模块，用于接收所述计算模块得到的所述选路指标值，并分别将各路径的所述选路指标值加上乘以第四权重后的该路径的簇因子，得到该路径的新的选路指标值，然后发送给所述选择模块；所述路径的簇因子当所述源节点和目的节点来自同一个簇、并且该路径使用了该簇的簇内信道以外的信道时为1，其它情况均为0。

进一步地，0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1，0＜λ＜1。

本发明的技术方案综合考虑跳步数、信道分布情况和未来信道改变等因素进行路径选择，可提供吞吐量高、延迟小的路由路径；增加了静态信道分配的比重，综合考虑了面向分簇式多信道无线网状网络的动态信道分配和静态信道分配相结合的特性，对跳步数和可能增加的信道数目的权重进行了限制；在选路过程中结合簇的特性，为选路指标增加表示分簇特性的因子，选择有助于均衡网络负载的路径。

附图说明

图1是实施例一中一个具体例子中的参考路径图；

图2是实施例一中另一个具体例子中的参考路径图；

图3是实施例二中多信道无线网状网络中的路径选择装置的示意框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一，一种多信道无线网状网络中的路径选择方法，包括：

找到源节点和目的节点之间的各路径；

对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；

在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。

本实施例中，所找到的各路径可以包括源节点和目的节点之间的全部或部分路径；如果是包括部分路径，可以是先过滤掉一些不会选择的路径，比如设置一个跳步数的阈值，排除掉跳步数大于该阈值的路径，所找到的就是剩余的路径；还可以用其它方案进行过滤；这样可以进一步提高选择的效率。

本实施例中，所述第一、第二、第三权重的范围可以但不限于为：0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1；实际应用时可以采用其它取值。

本实施例中，所述跳步数HC(Hop Count)代表路径要经过的节点数(等于路径中包括源节点和目的节点在内的节点总个数减1)，是在网络拓扑给定的情况下静态计算的。

所述干扰范围内最大干扰链路数MLC(Maximum interfered-Link Count)用于表明路径上当前信道分布情况。

本实施例中，一路径上的MLC为该路径上各段链路的干扰链路数中最大的数；其中，一段链路i(路径上相邻两个节点之间的链路)的干扰链路数为：

$\underset{j=i+1}{\overset{\min (i+\mathrm{InterferenceLen},\mathrm{HC})}{\mathrm{\Σ}}}I(C\left(i\right)==C\left(j\right))$

其中HC是路由路径的跳步数，链路j(j＝i+1)是指路径上一段链路i的下一段链路，其它以此类推；I(C(i)＝＝C(j))表示当链路i和链路j使用同一个信道的时候，该函数值为1，否则函数值为0；InerferenceLen代表以跳步数为单位的干扰距离，可以根据经验或仿真结果设置为一个固定的常数，例如3。实际应用时，也可以是计算HC内，或InerferenceLen内使用同一个信道的链路的段数；将计算得到的段数中的最大值作为MLC；比如HC内或InerferenceLen内，使用第一信道的有3段链路，使用第二信道的有2段，则MLC＝3。

所述路径上能增加的信道数目VCM(Variable Channel Metric)则代表了未来信道改变的情况，反映了路径的信道动态切换能力。

本实施例中，一路径上的VCM为该路径上各节点(包括源节点和目的节点)的接口因子HasUnusedInterface之和；所述节点的接口因子当该节点存在空闲接口或可变接口时为1，否则为0；这里的“存在”可以是指存在一个，也可以是指存在多个；可以两种接口都存在，也可以只存在一种。

所述的多信道无线Mesh网络中，节点的接口状态分为三种：空闲，锁定和可变。空闲接口是指该接口上没有任何活跃的链路，而用于簇内通信的接口被认为是锁定接口，不能切换信道，对于边界的网关节点其用于簇间通信的接口被认为是可变接口。

实际应用时，不排除用其它方式得到上述MLC、VCM。

分簇式的信道分配方法目标是希望借助簇结构降低信道分配问题的规模并减小信道依赖问题出现频率，因此在选路过程中应该尽量结合簇的特性。

一个具体例子如图1所示，网络中有簇A和簇B两个簇，其中簇A包括第一节点1、第二节点2、第三节点3和第六节点6，簇B包括第四节点4和第五节点5。

其中，所述第二节点2和第三节点3有空闲接口；当源节点和目的节点分别为所述第一节点1和第六节点6时，所述第一节点1到第六节点6有如下两条可选路径：

路径(1)：第一节点1-＞第二节点2-＞第三节点3-＞第六节点6；

路径(2)：第一节点1-＞第四节点4-＞第五节点5-＞第六节点6。

根据上文可知，路径(1)中：HC为3；

第二节点2和第三节点3的接口因子为1，第一节点1和第六节点6的接口因子为0，因此VCM为2；

所述第一节点1和第二节点2之间、第二节点2和第三节点3之间、第三节点3和第六节点6之间都是采用信道11；因此在干扰距离为2的情况下，第一节点1和第二节点2之间的链路的干扰链路数为2，第二节点2和第三节点3之间的链路的干扰链路数为1，第三节点3和第六节点6之间的链路的干扰链路数为0；MLC为其中的最大值2。

路径(2)中：HC也为3；

各节点接口因子均为0，因此VCM为0；

所述第一节点1和第四节点4之间、第六节点6和第五节点5之间都是采用信道10；所述第四节点4和第五节点5之间采用信道12；因此第一节点1和第四节点4之间的链路的干扰链路数为1，第四节点4和第五节点5之间的链路的干扰链路数为0，第五节点5和第六节点6之间的链路的干扰链路数为0；MLC为其中的最大值1。

最后可以得到：路径(1)的选路指标值为2α+3β-2γ；路径(2)的选路指标值为α+3β；

当α＝2γ时，路径(1)和路径(2)的选路指标值是一样的。然而，路径(1)却使得原本是簇内部的通信占用了簇间通信信道和相邻簇的簇内通信信道。而选择路径(1)可以在簇内固定信道上完成簇的内部通信，将信道依赖等问题有效限制在簇的内部，减小了对公共信道的使用，避免了簇之间的相互影响。

本实施例的一种实施方式中，对于分簇的多信道无线网状网络，还可以进一步结合簇的特性，选择有助于降低问题规模和均衡网络负载的路径。

该实施方式中，所述确定路径的选路指标值的步骤后、所述选出所述选路指标值最小的路径的步骤前还可以进一步包括：

分别将各路径的所述选路指标值加上乘以第四权重后的该路径的簇因子ICC(Intra Cluster Channel)，得到该路径的新的选路指标值；所述路径的簇因子当所述源节点和目的节点来自同一个簇、并且该路径使用了该簇的簇内信道以外的信道时为1，其它情况均为0。

本实施例中，所述第四权重的范围可以但不限于为：0＜λ＜1。

可见，本实施方式中，所述选路指标值按照下式计算：

α×MLC+β×HC-γ×VCM+λ×ICC；

其中，0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1，0＜λ＜1。

可见，采用本实施方式后，如有簇内路径可用，则选择簇内路径；没有簇内路径或者簇内路径信道干扰大、开销高时，则可选簇间路径，在增加选路灵活性和适应性的同时也提供了吞吐量高、延迟小的路由路径。

另一个具体例子如图2所示，包括第七节点7、第八节点8、第九节点9、第十节点10和第十一节点11。

其中，所述第七节点7、第八节点8、第九节点9有空闲接口；作为源节点的第七节点7发出路由请求消息，寻找到达第九节点9的路径。两条可能的路径为：

路径(1)：第七节点7-＞第八节点8-＞第九节点9；

路径(2)：第七节点7-＞第十节点10-＞第十一节点11-＞第九节点9。

所述第七节点7和第八节点8之间、第八节点8和第九节点9之间都是采用信道21，因此路径(1)的MLC为1；所述第七节点7和第十节点10之间、第九节点9和第十一节点11之间都是采用信道20，所述第十节点10和第十一节点11之间采用信道22，因此路径(2)的MLC也为1；两条路径的MLC相同，即信道干扰情况相似。

路径(1)的VCM为1，路径(2)的为0。假如γ＝β，则两条路径选路指标值相同，但实际网络中，跳步数少的路径通常占用的网络资源较少，尽管VCM越大，网络吞吐量可提升的空间越大，但路径(2)实际的可达吞吐量和延迟情况更优。

因此，在本实施例的又一实施方式中，限定γ＜β，以合理的利用网络资源、提供更好的网络性能。

实施例二，一种多信道无线网状网络中的路径选择装置，包括：

路由模块，用于找到源节点和目的节点之间的各路径；

计算模块，用于对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；

选择模块，用于在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。

本实施例中，所述第一、第二、第三权重的范围可以但不限于为：0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1。

本实施例中，所述跳步数HC、干扰范围内最大干扰链路数MLC和能增加的信道数目VCM可以同实施例一。

本实施例的一种实施方式中，所述装置还包括：

修正模块，用于接收所述计算模块得到的所述选路指标值，并分别将各路径的所述选路指标值加上乘以第四权重后的该路径的簇因子ICC(IntraCluster Channel)，得到该路径的新的选路指标值，然后发送给所述选择模块；所述路径的簇因子当所述源节点和目的节点来自同一个簇、并且该路径使用了该簇的簇内信道以外的信道时为1，其它情况均为0。

本实施例中，所述第四权重的范围可以但不限于为：0＜λ＜1。

本实施例的又一实施方式中，γ＜β。

其它实现细节可以同实施例一。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多信道无线网状网络中的路径选择方法，包括：

找到源节点和目的节点之间的各路径；

对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；

在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

路径的所述干扰范围内最大干扰链路数为该路径上各段链路的干扰链路数中最大的数；其中，一段链路的干扰链路数为：

$\underset{j=i+1}{\overset{\min (i+\mathrm{InterferenceLen},\mathrm{HC})}{\mathrm{\Σ}}}I(C\left(i\right)==C\left(j\right))$

其中HC是该路径的跳步数；链路j是指路径上一段链路i的下一段链路，j＝i+1；I(C(i)＝＝C(j))当链路i和链路j使用同一个信道的时候为1，否则为0；InterferenceLen是以跳步数为单位的干扰距离；

路径上的所述能增加的信道数目为该路径上各节点的接口因子之和；所述节点的接口因子当该节点存在空闲接口或可变接口时为1，否则为0。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

所述第三权重小于第二权重。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述确定路径的选路指标值的步骤后、所述选出所述选路指标值最小的路径的步骤前还包括：

分别将各路径的所述选路指标值加上乘以第四权重λ后的该路径的簇因子，得到该路径的新的选路指标值；所述路径的簇因子当所述源节点和目的节点来自同一个簇、并且该路径使用了该簇的簇内信道以外的信道时为1，其它情况均为0。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1，0＜λ＜1。

6.一种多信道无线网状网络中的路径选择装置，其特征在于，包括：

路由模块，用于找到源节点和目的节点之间的各路径；

计算模块，用于对于所找到的各路径，分别用该路径的干扰范围内最大干扰链路数乘以第一权重α，加上乘以第二权重β后的该路径的跳步数，再减去乘以第三权重γ后的该路径能增加的信道数目，得到该路径的选路指标值；

选择模块，用于在所找到的各路径中选出所述选路指标值最小的路径，作为所述源节点和目的节点之间的路径。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

路径的所述干扰范围内最大干扰链路数为该路径上各段链路的干扰链路数中最大的数；其中，一段链路的干扰链路数为：

$\underset{j=i+1}{\overset{\min (i+\mathrm{InterferenceLen},\mathrm{HC})}{\mathrm{\Σ}}}I(C\left(i\right)==C\left(j\right))$

其中HC是该路径的跳步数；链路j是指路径上一段链路i的下一段链路，j＝i+1；I(C(i)＝＝C(j))当链路i和链路j使用同一个信道的时候为1，否则为0；InterferenceLen是以跳步数为单位的干扰距离；

路径上的所述能增加的信道数目为该路径上各节点的接口因子之和；所述节点的接口因子当该节点存在空闲接口或可变接口时为1，否则为0。

8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于：

所述第三权重小于第二权重。

9.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，还包括：

修正模块，用于接收所述计算模块得到的所述选路指标值，并分别将各路径的所述选路指标值加上乘以第四权重λ后的该路径的簇因子，得到该路径的新的选路指标值，然后发送给所述选择模块；所述路径的簇因子当所述源节点和目的节点来自同一个簇、并且该路径使用了该簇的簇内信道以外的信道时为1，其它情况均为0。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：

0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1，0＜λ＜1。

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