CN101854691A - 用于多信道无线网络的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于多信道多跳无线网络的路由方法。在多信道多跳无线网络中，可以使用该方法建立路由。该路由方法主要由四个步骤组成。网络每个节点内都有一个路由请求信息表，节点通过查询路由请求信息表，判断是否已经收到过同样的路由请求信息。每个节点定时更新本节点的路由度量，路由度量通过专门的公式进行计算，节点通过路由度量值选择确定路由。

Description

用于多信道无线网络的路由方法

技术领域

本发明是一种应用于多信道无线网络的路由方法，属于无线通信和信息传播技术领域。

背景技术

目前，大部分多跳无线网络采用单网卡单信道的方式进行通信。这些多跳无线网络其物理层和MAC层一般采用IEEE 802.11系列协议，802.11协议将无线频带划分为多个物理信道，如IEEE 802.11b标准，在2.4GHz频段共有14个可供选择的物理信道，其中包括多组互相正交(频段不重叠)的信道，这为多信道技术在多跳无线网络中的应用提供了基础。

与单信道网络相比，采用多信道技术可以显著提高网络容量，但同时也带来了新的问题，如信道选择问题，多信道隐藏节点问题等。传统的用于多跳无线网络的路由协议，如自组织按需距离向量(Ad hoc On-Demand Distance Vector，AODV)路由协议和动态源路由(Dynamic Source Routing，DSR)协议，虽然也可以用在多信道环境中，但是并不能获得最优的性能。传统的这些路由协议一般以最小跳数作为路由度量，在该度量下，跳数相同的路由，每跳采用同一信道与每跳采用不同信道具有同样的路由成本。实际由于自相干扰的存在，多个信道间切换的路由会比单信道路由获得更大的网络容量。针对多信道路由，设计了一些路由协议。这些协议一般用于多信道环境下某些特定场景中，如静态网络、全同步网络等。如用于静态网络的多无线电-链路质量源路由(Multi-Radio Link-QualitySource Routing，MR-LQSR)协议，该协议采用一种新的加权累积期望传输时间作为度量，进行路由选择，可以达到比AODV、DSR等最短路径协议更大的网络容量，使用该协议，网络每个节点要配置与可用信道数目相同数量的接口。本发明所述的多信道无线网络路由选择方法，适用于多信道、多网卡环境。

发明内容

技术问题：本发明针对多信道无线网络路由选择问题，提出了一种用于多信道无线网络的路由方法，节点选择路由时，综合考虑选择网络负荷的均衡性、节点的公平性、延时等，选择相应的路由，传送数据。

技术方案：本发明的目的是提出一种适用于于多信道无线网络的路由方法，该方法用于在多条信道无线网络中，可充分利用多条信道，根据本发明中规定的路由度量，建立路由。

该路由方法包括以下步骤：

a.源节点发送数据的时候，如果不存在到目的节点的路由，将通过控制信道广播一个路由请求信息，建立到目的节点的路由，并将新产生的路由请求信息添加至路由请求信息表中；

b.中间节点收到来自其它节点的路由请求信息后，将检查路由请求信息表，如果路由请求信息表中无相同路由请求信息，中间节点将把收到的路由请求信息添加至路由请求信息表中，然后检查路由表，查看是否有到源节点的路由，如果不存在，则在路由表中添加到源节点的路由；随后查找路由表中是否有到目的节点的路由，如果节点路由表中存在到相应目的节点的路由，且序列号大于或等于路由请求消息中的序列号，则将停止转发该路由请求消息，并向源节点发送路由应答消息，否则，将重新计算并更新路由请求信息中的路由度量以及生存时间后，在控制信道转发路由请求信息；

c.目的节点第一次收到该路由请求信息后，把收到的路由请求信息添加至路由请求信息表中，同时进入等待状态，在等待时间结束后，选择一个路由度量值最小的路径，并沿反向路径向源节点发送路由应答信息；

d.源节点第一次收到对该路由请求信息的路由应答信息后，进入等待状态，在等待时间内，如果有多个路由应答消息到达，将选择一个具有最小路由度量的路径，开始传输数据。

所述的路由请求信息表包含了源节点IP地址，目的节点IP地址，以及序列号。

所述源节点、中间节点和目的节点将路由请求信息添加至路由请求信息表所做的操作为将路由请求信息中所包含的源节点IP地址，目的节点IP地址，以及序列号添加到路由请求信息表中。

在步骤b中，中间节点检查路由请求信息表，如果路由请求信息表中某项与收到的路由请求信息具有相同的源节点IP地址，目的节点IP地址，以及序列号，则认为路由请求信息表中存在与收到的路由请求信息相同的路由请求信息。

步骤c中目的节点第一次收到某路由请求信息后，将进入等待状态，等待固定时间后再发送路由应答信息。

步骤d中源节点第一次收到某路由请求信息的路由应答信息后，将进入等待状态，等待固定时间后，选择路径。

网络中每个节点每隔时间T，定期更新本节点的路由度量，每个节点路由度量C按以下公式计算得到：

C＝αp+(1-α)d

上式中p为节点发送数据失败的概率，d为队列延时系数，α为加权系数(0≤α≤1)。

$p=\left\{\begin{array}{cc}\frac{N_f}{N}& N=0\\ 0& N\≠0\end{array}\right.$

N为在间隔时间T内，节点发送数据包的次数，N_f为在该间隔时间内，节点发送数据包失败的次数；

$d=\frac{Q_{{\mathrm{in}}_{\mathrm{sum}}}}{Q}$

其中Q为节点各信道队列总长度，Q_(i)为第i个信道队列长度，Q_{in_sum}为节点各信道队列已存放的数据总长度，Q_in(i)为第i个信道队列已存放的数据长度；i≤c，c为节点总的可用信道数目，以上队列长度单位为字节；

$Q=\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\left(i\right)}$

$Q_{{\mathrm{in}}_{\mathrm{sum}}}=\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{in}\left(i\right)}$

经计算得到新的节点路由度量值后，将统计量N和N_f值复位为0，在下一个时间段内重新开始统计。

有益效果：本发明提出的用于多信道无线网络的路由选择方法，具有以下优点：1.与传统的用于无线网络的路由方法相比较，该方法所采用的路由度量降低了网络延时，提高了信道利用的均衡性，增加了网络容量。2.该方法可以均衡网络流量。3.该方法建立路由时，不需要确定传递数据所用的具体信道，可快速建立路由。4.该方法易于实现，复杂度低。

附图说明

图1为路由请求消息格式。

图2为路由应答消息格式。

图3多信道无线节点内信道队列示意图。

图4为多信道无线网络示例图。

图5为8比特浮点表示格式。

具体实施方式

下面是本发明所述方法的一个具体实施例。整个过程如下：

1、以一个包含6个节点的多信道多跳无线网络为例。首先初始化网络。网络中所有节点选择同一个信道作为控制信道，并为该信道分配一个专用的网卡。然后再为每个信道分配固定长度的信道队列缓冲区。设置加权系数α的值为0.5，等待时间T_w1和T_w2的值为5毫秒，统计间隔时间T的值为1秒，并将N和N_f值初始化为0。

2、以网络中节点A为例，假设节点A(IP地址为140.252.13.35)有数据需要发送至节点E(IP地址为140.252.13.65)。首先节点A查询其路由表，检查是否有到目的节点E的可用路由。经查询，未发现到节点E的可用路由，因此节点A产生一个路由请求信息，并通过控制信道进行广播该信息。路由请求信息中各字段的具体位置以及长度不影响本发明的实施。本例中，该路由请求信息中各字段值和长度如下(二进制表示)：

类型(4比特)：0000，表示该信息为路由请求信息。

源节点IP地址(32比特)：10001100 11111100 00001101 00100011，表示源节点IP地址为140.252.13.35。

目的节点IP地址(32比特)：10001100 11111100 00001101 01000001，表示目的节点IP地址为140.252.13.65。

路由度量(8比特)：0000 0000。建立路由请求信息时路由度量值被设置为0。

(本例中路由度量用8比特浮点表示，格式如图5所示。路由度量的表示方法不影响本发明的实施。)

生存时间(4比特)：0100。表示该路由请求信息被转发的次数最大值为3。

序列号(16比特)：00000000 00000001。表示为本节点发送的第一个目的节点IP地址为140.252.13.65的路由请求信息。

3、节点A的相邻节点B、D、F都将收到该路由请求信息，按照技术方案各节点首先检查其路由请求信息表，查看是否收到过来自源节点的相同路由请求信息，即源节点IP地址、目的节点IP地址和序列号均相同的路由请求信息，如果存在，则将丢弃收到的路由请求信息，不再转发该路由请求信息，本例中，我们假设各节点的路由请求信息表中不存在相同的路由请求信息。因此各节点将更新请求信息表，将路由请求信息中的源节点IP地址、目的节点IP地址和序列号添加到请求信息表中。然后查看其路由表，检查是否存在到源节点的路由。如果存在，则不更新路由表，否则更新本节点路由表，添加到源节点的路由。最后各节点将检查路由表中是否有到目的节点E的路由，这里我们假设节点B、D、F的路由表中不存在到E的路由，则各节点将路由请求信息中的生存时间值减1，将本节点的路由度量值与路由请求信息中的路由度量值相加，得到路由请求消息中新的路由度量，然后转发更新过的路由请求信息。假设各节点的路由度量值分别为：

节点B：0.2  节点D：0.7  节点F：0.6

各节点转发的路由请求信息中更新后的路由度量值为：

节点B：0.2  节点D：0.7  节点F：0.6

4、经过第一次转发后，节点A收到来自节点B、D、F转发的路由请求信息，节点B收到来自节点D转发的路由请求信息，节点C将会收到来自节点B转发的路由请求信息，节点D将会收到来自节点B、F转发的路由请求信息，节点E将会收到来自节点D、F转发的路由请求信息，节点F收到来自节点D转发的路由请求信息。除目的节点E外，其它节点收到后将进行同3中一样的操作。其中节点A、B、F在路由请求信息表中查询到相同的路由请求信息，将丢弃收到的路由请求信息，不再转发。节点C将会在路由请求信息表中添加该路由请求信息，并检查路由表中是否有到源节点的路由，如果不存在，则在路由表中添加到源节点的路由。假设节点C中不存在到目的节点的路由，则节点C将更新路由请求消息并转发。假设节点C的路由度量值为0.3，更新过程为将生存时间值减1，将本节点的路由度量值与路由请求信息中的路由度量值相加，即路由度量值更新为0.5(0.2+0.3＝0.5)，转发路由请求信息。目的节点E收到转发的路由请求信息后，将进入等待状态。

处于等待状态的目的节点E在等待时间内，收到了来自节点C转发的路由请求信息。经过等待时间后，节点E将比较收到的3个路由请求信息中的路由度量值，选择具有最小路由度量的路径。收到的三个路由请求信息对应的路径和路由度量分别如下：

1.ADE：0.7  AFE：0.6  ABCE：0.5

因此节点E选择来自节点C转发的路由请求信息，该信息所对应的路径为ABCE。然后节点E沿反向路径向源节点A发送路由应答信息。路由应答信息中各字段的具体位置以及长度不影响本发明的实施。本例中，该路由应答信息中各字段值和长度如下(二进制表示)：

类型(4比特)：0001，表示该信息为路由应答信息。

源节点IP地址(32比特)：10001100 11111100 00001101 01000001，表示源节点IP地址为140.252.13.65。

目的节点IP地址(32比特)：10001100 11111100 00001101 00100011，表示目的节点IP地址为140.252.13.35。

路由度量(8比特)：0000 1000，表示路由度量值为0.5。

序列号(16比特)：00000000 00000001。

2.源节点A收到来自节点E的经节点C和B转发的路由应答信息后，进入等待状态。经过等待时间后，节点A将根据该路由应答信息，建立到目的节点的路由，沿路径ABCE开始传输数据。

在上述过程中，每个节点每隔时间T，更新本节点的路由度量。更新后将统计量N和Nf的值复位为0，重新开始统计。

Claims (7)

1.一种用于多信道多跳无线网络的路由方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

a.源节点发送数据的时候，如果不存在到目的节点的路由，将通过控制信道广播一个路由请求信息，建立到目的节点的路由，并将新产生的路由请求信息添加至路由请求信息表中；

b.中间节点收到来自其它节点的路由请求信息后，将检查路由请求信息表，如果路由请求信息表中无相同路由请求信息，中间节点将把收到的路由请求信息添加至路由请求信息表中，然后检查路由表，查看是否有到源节点的路由，如果不存在，则在路由表中添加到源节点的路由；随后查找路由表中是否有到目的节点的路由，如果节点路由表中存在到相应目的节点的路由，且序列号大于或等于路由请求消息中的序列号，则将停止转发该路由请求消息，并向源节点发送路由应答消息，否则，将重新计算并更新路由请求信息中的路由度量以及生存时间后，在控制信道转发路由请求信息；

c.目的节点第一次收到该路由请求信息后，把收到的路由请求信息添加至路由请求信息表中，同时进入等待状态，在等待时间结束后，选择一个路由度量值最小的路径，并沿反向路径向源节点发送路由应答信息；

d.源节点第一次收到对该路由请求信息的路由应答信息后，进入等待状态，在等待时间内，如果有多个路由应答消息到达，将选择一个具有最小路由度量的路径，开始传输数据。

2.如权利要求1所述的用于多信道多跳无线网络的路由选择方法，其特征在于所述的路由请求信息表包含了源节点IP地址，目的节点IP地址，以及序列号。

3.如权利要求1所述的用于多信道多跳无线网络的路由选择方法，其特征在于所述源节点、中间节点和目的节点将路由请求信息添加至路由请求信息表所做的操作为将路由请求信息中所包含的源节点IP地址，目的节点IP地址，以及序列号添加到路由请求信息表中。

4.如权利要求1所述的用于多信道多跳无线网络的路由选择方法，其特征在于在步骤b中，中间节点检查路由请求信息表，如果路由请求信息表中某项与收到的路由请求信息具有相同的源节点IP地址，目的节点IP地址，以及序列号，则认为路由请求信息表中存在与收到的路由请求信息相同的路由请求信息。

5.如权利要求1所述的用于多信道多跳无线网络的路由选择方法，其特征在于步骤c中目的节点第一次收到某路由请求信息后，将进入等待状态，等待固定时间后再发送路由应答信息。

6.如权利要求1所述的用于多信道多跳无线网络的路由选择方法，其特征在于步骤d中源节点第一次收到某路由请求信息的路由应答信息后，将进入等待状态，等待固定时间后，选择路径。

7.如权利要求1所述的用于多信道多跳无线网络的路由选择方法，其特征在于网络中每个节点每隔时间T，定期更新本节点的路由度量，每个节点路由度量C按以下公式计算得到：

C＝αp+(1-α)d

上式中p为节点发送数据失败的概率，d为队列延时系数，α为加权系数0≤α≤1；

$p=\left\{\begin{array}{cc}\frac{N_f}{N}& N=0\\ 0& N\≠0\end{array}\right.$

N为在间隔时间T内，节点发送数据包的次数，N_f为在该间隔时间内，节点发送数据包失败的次数；

$d=\frac{Q_{{\mathrm{in}}_{\mathrm{sum}}}}{Q}$

其中Q为节点各信道队列总长度，Q_(i)为第i个信道队列长度，Q_{in_sum}为节点各信道队列已存放的数据总长度，Q_in(i)为第i个信道队列已存放的数据长度；i≤c，c为节点总的可用信道数目，以上队列长度单位为字节；

$Q=\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\left(i\right)}$

$Q_{{\mathrm{in}}_{\mathrm{sum}}}=\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{in}\left(i\right)}$

经计算得到新的节点路由度量值后，将统计量N和N_f值复位为0，在下一个时间段内重新开始统计。

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