CN101888682B

CN101888682B - 基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法

Info

Publication number: CN101888682B
Application number: CN2010101520537A
Authority: CN
Inventors: 徐平平; 马远; 冷汶锴; 王岩; 周倩
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN101888682A

Abstract

基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法，节点首先利用超宽带的定位技术获得网络中各个节点的坐标，随后节点基于定位信息进行范围受限的洪泛路由发现，收到路由查询报文的中间节点可以根据本节点记录位置信息更新路由请求区域，在路由请求区域的选择上采用范围可动态调节的扇形区域，仿真及分析结果表明，与LAR协议相比，本发明在消耗少量节点能量进行节点定位和路由请求区域的计算更新之后减小了路由控制报文的开销，缩短了数据报文端到端平均时延，改进效果明显。

Description

基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法

技术领域

本发明是无线个域网中一种基于超宽带定位辅助的路由技术，适用于提供高质量多媒体业务的无线个域网络应用，属于无线通信技术领域，具体为一种基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法。

背景技术

无线个人局域网(WPAN)就是在个人周围空间形成的无线网络，现通常指覆盖范围在10m半径以内的短距离无线网络，尤其是指能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网。WPAN被定位于短距离无线通信技术，但根据不同的应用场合又分为高速WPAN（HR-WPAN）和低速WPAN（LR-WPAN）两种。典型的高速WPAN标准有IEEE 802.15.3和ECMA-368/369等。

ECMA-368/369标准是由WiMedia联盟提出，采用多带OFDM技术作为物理层解决方案的新一代超宽带高速WPAN通信标准，覆盖了最高数据速率为480Mbps的工作在3.1到10.6GHz频段的超宽带（UWB）短距离无线网络。其中，ECMA-368标准定义了基于多带OFDM技术的物理层PHY与基于分布式架构的媒体接入控制MAC子层，ECMA-369标准规定了MAC-PHY接口。两项标准已被ECMA提交国际标准化组织ISO，国际电工委员会IEC和信息技术联合委员会JTC1，并于2007年初被批准为正式标准ISO/IEC 26907与26908发布。

ECMA-368标准的物理层具有厘米级的精确测距能力，结合三角定位法可以准确计算出节点的相对位置，在网络中设定参考节点坐标后通过报文洪泛的方式网络中的每个节点都可以拥有整个拓扑图。在传统按需路由协议，如动态源路由协议DSR协议和按需平面距离矢量路由协议AODV协议中，当某一节点准备向目的节点发送信息但没有通往目的节点的路由而进行路由发现时，源节点一般采用洪泛的方式广播路由请求，中间节点在没有目的节点的可用路由时将再次广播此路由请求。无线个域网中的节点都是能量有限的，路由发现过程中多次洪泛将必然加快节点的能量消耗，缩短了网络寿命。定位辅助路由协议可以根据目的节点的预期区域，计算路由发现的请求区域，使路由查询报文只在请求区域传播，以减少路由请求报文的数量，提高路由请求的效率，因此研究个域网定位辅助路由协议具有重要的现实意义。

LAR协议中，假定源节点已知目的节点在t₀时刻的位置(X_d,Y_d)和最大移动速度V_max，则t₁时刻目的节点的期望域就是以(X_d,Y_d)为圆心，V_max×(t₁-t₀)为半径的圆形区域。对于请求区域的选定，LAR协议给出了两种方式。其中一种方式采用的是矩形请求区域，即包含源节点和期望域且两条边分别平行于横轴和纵轴的最小矩形，根据源节点和和期望区域的位置不同，有两种不同的情况，如图1所示，源节点S在目的节点的期望区域内或在期望区域外。在计算出路由请求区域后，LAR协议将广播范围受限的路由查询报文，中间节点收到该路由查询报文时需判断自己是否在该请求区域中，如在请求区域中才转发该报文，否则丢弃该报文。

上述LAR协议方式存在以下问题：

（1）LAR协议方式的矩形路由请求区域是非对称的，导致源目的节点的相对位置不同时，路由请求区域的大小差距很大。如图2所示，(a)和(b)的源目的节点之间绝对距离相同，但(a)中源节点S和目的节点D的连线与请求区域下底边的夹角为45°，路由请求的区域比较大，(b)的请求区域相对小很多。在(a)的情况下，请求区域中远离S和D的两个矩形顶端区域中的节点离源节点和目的节点间直线的距离较远，即便在路由发现时有可用路径通过该类节点该路径也不易被选中，因此这两个区域的路由洪泛查找往往白白浪费了节点能量，而(b)中的请求区域则过于狭长，范围受限洪泛查找路由时可能会找不到下一跳节点，导致路由查找失败；

（2）LAR协议方式中请求区域是根据源节点所记录的目的节点位置信息来决定的，实际上在路由发现的过程中，中间节点可能有比源节点更接近当前时刻的目的节点位置信息，LAR协议未能充分利用此信息更新路由请求区域；

（3）在范围受限的路由发现失败后，LAR协议将直接采用全网洪泛路由查询报文的方式进行路由发现，路由请求区域的调整方式过于简单。

发明内容

本发明要解决的问题是：无线网络利用请求区域进行路由查询时，现有的LAR协议方式路由于请求区域受源节点和目的节点相对位置影响较大，不能及时更新路由请求区域，存在路由发现失败时路由请求区域的调整过于简单的缺点，针对这些问题提出一种路由请求区域动态调整的超宽带定位辅助路由协议。

本发明的技术方案为：基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法，节点首先利用超宽带定位技术获得网络中各个节点的坐标，随后各节点基于定位信息进行路由发现，路由请求区域采用扇形区域，所述扇形区域范围可动态调节，包括以下步骤：

1）、首先在网络的初始化阶段，各节点利用超宽带定位和测距技术计算本节点和邻居节点的距离，在网络中有固定位置的参考节点，参考节点预先已知自身坐标，在参考节点的帮助下利用三角定位法计算本节点坐标并记录下当前时刻作为该位置的记录时间，然后将本节点位置和该位置的记录时间全网洪泛使，网络中每个节点都拥有整个网络的拓扑图；

2）、当源节点准备向目的节点发送信息，但没有通往目的节点的路由时进行路由发现：源节点首先根据目的节点的位置和网络中节点的最大移动速度计算目的节点的期望域；源节点在目的节点的期望域内，洪泛查找可用路由；当源节点在期望域外，计算以源节点为顶点的扇形路由请求区域，所述扇形路由请求区域覆盖目的节点的期望域；

将源节点和目的节点的位置信息、目的节点位置的记录时间、扇形区域圆心角和半径附在路由查询报文中，广播此路由查询报文；中间节点收到此查询报文后首先判断本节点是否处在扇形路由请求区域之中，如不在则丢弃此报文；如果中间节点对于目的节点位置的记录时间比源节点对于目的节点的记录时间更接近当前时刻，则中间节点以本节点为顶点重新计算扇形路由请求区域，以中间节点为新的源节点做新路由查询报文进行广播，并将查询结果返回原源节点；

3）、如果路由发现失败，则源节点增大扇形请求区域的圆心角，扩大路由请求区域覆盖范围，再次进行路由发现；

4）、如果路由发现多次失败，且扇形区域圆心角已增至2π时，不再限定路由请求范围，采用全网洪泛路由查询报文的方式进行路由发现。

当设备为源节点时，节点的工作周期流程为：

1）、节点有信息发送给目的节点时，首先查找本地节点位置信息表中的目的节点地址，若没有则直接采用全网洪泛路由查询报文的方式进行路由发现；

2）、节点如果有目的节点位置信息，设目的节点在t₀时刻的位置为(X_d,Y_d)，网络中节点最大移动速度为V_max，则目的节点在t₁时刻的期望域就是以(X_d,Y_d)为圆心，以V_max×(t₁-t₀)为半径的圆形区域，若源节点在目的节点的期望域中则洪泛路由查询报文进行路由发现；

3）、如果源节点不在目的节点期望域中，设源节点位置为(X_s,Y_s)，以(X_s,Y_s)为端点向期望域做两条切线，则两条切线间的扇形区域就是初始路由请求区域，扇形的半径为

\sqrt{{(X_{d} - X_{s})}^{2} + {(Y_{d} - Y_{s})}^{2}} + V_{\max} \times (t_{1} - t_{0}),

圆心角为

2 \arcsin \frac{V_{\max} \times (t_{1} - t_{0})}{\sqrt{{(X_{d} - X_{s})}^{2} + {(Y_{d} - Y_{s})}^{2}}},

源节点将本节点位置、目的节点位置和本节点记录目的节点位置的时刻t₀，扇形区域的圆心角和半径附在路由查询报文中，广播此报文并设置路由查询定时器，限定等待路由查询结果的时间；

4）、如果源节点在路由查询定时器超时前接收到路由应答报文，则判定本次路由发现成功，源节点根据应答报文的信息更新本地路由表，发送数据报文；如果源节点在路由查询定时器超时后仍未接收到路由应答报文，则判定本次路由发现失败，源节点增大路由请求区域的范围，再次进行路由发现，请求区域的增大通过增大扇形区域的圆心角实现，圆心角设有

π，2π三种阈值，选择最接近初始扇形区域圆心角且比初始扇形区域圆心角大的一级阈值作为更新后的扇形区域圆心角；如果更新后的扇形区域圆心角为2π，则不再限定请求区域范围，全网洪泛路由查询报文，否则将更新后的扇形区域信息附在路由查询报文中并广播此报文，进行新一轮查询。

当设备为中间节点或目的节点时，也就是非源节点时，工作周期流程为：

1）、非源节点接收到路由查询报文时，首先判断此报文是否为重复接收报文，若节点已接收过此报文则丢弃该重复报文，不做重复处理；

2）、如果非源节点首次接收到此路由查询报文，则判断本节点是否为目的节点，若为目的节点则回复路由应答报文；

3）、如果非源节点不是目的节点，则检查该路由查询报文生存时间，若该报文生存时间已耗尽则丢弃该报文；

4）、如果路由查询报文生存时间未耗尽，则判断该路由查询报文的类型，若是全网洪泛路由查询报文，则将本节点信息附在该报文中，向邻居节点广播该路由查询报文；

5）、如果路由查询报文为范围受限的洪泛报文，则根据报文中的信息判断本节点是否处在路由请求区域之内，若不在该区域之内则丢弃该报文不做处理；

6）、如果本节点处于路由请求区域之内，则比较路由查询报文中目的节点位置的记录时刻t₀和本节点中目的节点位置的记录时刻t₀′，若t₀′＞t₀，即如果本节点对于目的节点位置的记录时间比源节点对于目的节点的记录时间更接近当前时刻，则重新计算目的节点的期望域，并以本节点为顶点重新计算扇形请求区域的覆盖范围，更新路由查询报文中的相关信息，然后节点将本节点信息附在路由查询报文中，向邻居节点广播该路由查询报文。

本发明在ECMA-368 WPAN的基础上，提出了一种请求区域动态调整的超宽带定位辅助路由协议实现方法，采用对称的扇形路由请求区域，在路由发现的过程中根据中间节点记录的目的节点位置信息及时更新路由请求区域。在路由发现失败后，该协议将动态调整扇形路由请求区域的面积，再次进行范围扩大的有限洪泛路由发现，如果路由发现仍然失败，扇形路由请求区域的覆盖范围可以逐步增大直至全网洪泛。

本发明在覆盖范围较小，节点分布密度较高的网络环境中，耗费少量节点能量进行节点定位，经过路由请求区域计算和更新之后，有效降低路由协议的控制开销，减小数据报文端到端平均时延，并针对目的节点的移动，提高路由发现概率。相比LAR协议，本协议使用了对称的扇形路由请求区域，中间节点可以根据本节点记录信息更新请求区域的范围，路由发现概率高，在路由发现失败的情况下，本协议逐步增大路由请求区域的范围，降低了路由协议的能耗。本发明主要应用在需要提供高质量多媒体业务的无线个域网络中。

附图说明

图1为LAR协议方式的请求区域，（a）为源节点在目的节点的期望域外，（b）为源节点在目的节点的期望域内，源节点为S，目的节点D，A、B、C、E为中间节点。

图2为LAR协议中源节点和目的节点相对位置不同时的请求区域。

图3为本发明源节点和非源节点的工作流程图。

图4为本发明中源节点在期望域外时初始路由请求区域。

图5为本发明路由请求区域动态调整方法示意。

图6为本发明中间节点路由请求区域更新方法。

图7为实施例网络仿真场景。

图8为本发明和LAR协议路由控制开销的对比示意图。

图9为本发明和LAR协议路由数据报文平均端到端时延对比示意图。

具体实施方式

本发明是无线个域网中一种基于超宽带定位辅助的路由技术，适用于提供高质量多媒体业务的无线个域网络应用，属于无线通信技术领域。本发明中节点首先利用超宽带的定位技术获得网络中各个节点的坐标，随后节点基于定位信息进行范围受限的洪泛路由发现，收到路由查询报文的中间节点可以根据本节点记录位置信息更新路由请求区域，在路由请求区域的选择上采用范围可动态调节的扇形区域，仿真及分析结果表明，与LAR协议相比，本发明在消耗少量节点能量进行节点定位和路由请求区域的计算更新之后减小了路由控制报文的开销，缩短了数据报文端到端平均时延，改进效果明显。

节点首先利用超宽带定位技术获得网络中各个节点的坐标，随后各节点基于定位信息进行路由发现，路由请求区域采用扇形区域，所述扇形区域范围可动态调节：

1）、首先在网络的初始化阶段，各节点利用超宽带定位和测距技术计算本节点和邻居节点的距离，在网络中有固定位置的参考节点，参考节点预先已知自身坐标，在参考节点的帮助下利用三角定位法计算本节点坐标并记录下当前时刻作为该位置的记录时间，然后将本节点位置和该位置的记录时间全网洪泛使网络中每个节点都拥有整个网络的拓扑图，整个网络的拓扑图也就是网络中所有节点的坐标；

将源节点和目的节点的位置信息、目的节点位置的记录时间、扇形区域圆心角和半径附在路由查询报文中，广播此路由查询报文；中间节点收到此查询报文后首先判断本节点是否处在扇形路由请求区域之中，如不在则丢弃此报文；如果中间节点对于目的节点位置的记录时间比源节点对于目的节点的记录时间更接近当前时刻，则中间节点以本节点为顶点重新计算扇形路由请求区域，以中间节点为新的源节点做新路由查询报文进行广播，并将查询结果返回原源节点；也就是如果目的节点位置在源节点发出路由查询请求期间发生了变化，中间节点记录到最新的目的节点位置坐标，中间节点重新确定扇形路由请求区域，进行路由发现，并将发现的路由结果返回给原源节点；这样就大大增加了目的节点的路由发现概率。

如图3所示的节点工作流程图，本发明方法具体步骤如下：

首先网络初始化阶段，节点将定位本节点位置信息并全网洪泛。每个节点设备地位平等。

当设备为源节点时：

1）：节点有信息发送给目的节点时，首先查找本地节点位置信息表中的目的节点地址，若没有则直接采用全网洪泛路由查询报文的方式进行路由发现；

2）：源节点如果有目的节点位置信息，假定目的节点在t₀时刻的位置为(X_d,Y_d)，网络中节点最大移动速度为V_max，则目的节点在t₁时刻的期望域就是以(X_d,Y_d)为圆心，以V_max×(t₁-t₀)为半径的圆形区域。若源节点在目的节点的期望域中则洪泛路由查询报文进行路由发现；

3）：如果源节点不在目的节点期望域中，假定节点位置为(X_s,Y_s)，以(X_s,Y_s)为端点向期望域做两条切线，则两条切线间的扇形区域就是初始路由请求区域，扇形的半径为

\sqrt{{(X_{d} - X_{s})}^{2} + {(Y_{d} - Y_{s})}^{2}} + V_{\max} \times (t_{1} - t_{0}),

圆心角为

2 \arcsin \frac{V_{\max} \times (t_{1} - t_{0})}{\sqrt{{(X_{d} - X_{s})}^{2} + {(Y_{d} - Y_{s})}^{2}}},

初始扇形路由请求区域如图4所示。源节点将本节点位置，目的节点位置和本节点记录该位置的时刻t₀，扇形区域的圆心角和半径附在路由查询报文中，广播此报文并设置路由查询定时器；

4）：如果节点在路由查询定时器超时前接收到路由应答报文，则判定本次路由发现成功，节点根据应答报文的信息更新本地路由表，发送数据报文。如果节点在路由请求定时器超时后仍未接收到路由应答报文，则判定本次路由发现失败，节点增大路由请求区域的范围，再次进行路由发现。请求区域的增大通过增大扇形区域的圆心角来实现，圆心角共有

π，2π三种阈值，选择最接近初始扇形区域圆心角且比初始扇形区域圆心角大的一级阈值作为更新后的扇形区域圆心角。如果更新后的扇形区域圆心角为2π，则不再限定请求区域范围，全网洪泛路由查询报文，否则将更新后的扇形区域信息附在路由查询报文中并广播此报文，路由请求区域的动态调整如图5所示。

当设备为中间节点或目的节点时：

1）：节点接收到路由查询报文时，首先判断此报文是否为重复接收报文，若节点已接收过此报文则丢弃该重复报文，不做重复处理；

2）：如果节点首次接收到此路由查询报文，则判断本节点是否为目的节点，若为目的节点则回复路由应答报文；

3）：如果节点不是目的节点，则检查该路由查询报文生存时间，若该报文生存时间已耗尽则丢弃该报文，报文生存时间为无线个域网系统默认值；

4）：如果路由查询报文生存时间未耗尽，则判断该路由查询报文的类型，若是全网洪泛路由查询报文，则将本节点信息附在该报文中，向邻居节点广播该路由查询报文；

5）：如果路由查询报文为范围受限的洪泛报文，则根据报文中的信息判断本节点是否处在路由请求区域之内，若不在该区域之内则丢弃该报文不做处理；

6）：如果本节点处于路由请求区域之内，则比较路由查询报文中目的节点位置的记录时刻t₀和本节点中目的节点位置的记录时刻t₀′，若t₀′>t₀则重新计算目的节点的期望域，并以本节点为顶点重新计算扇形请求区域的覆盖范围，更新路由查询报文中的相关信息，中间节点对于路由请求区域的更新方法如图6所示。然后节点将本节点信息附在路由查询报文中，向邻居节点广播该路由查询报文。

为了说明本发明的有效性，我们用OPNET 10.0仿真了该算法，仿真环境如下：

1.如图7在50m*50m的空间内，由若干普通节点构成，节点的通信半径为10m，节点位置随机放置。

2.节点采用随机移动的方式，移动速度为5m/s。

3.节点的MAC层使用ECMA-368MAC层协议的PCA机制。物理层使用ECMA-368PHY层协议，数据报文的传输速率为480Mbps。

4.节点的报文生成速率为10packets/s，数据报文的大小为512bytes，控制报文的大小为8bytes。

5.仿真期间认为信道是理想的，只考虑报文碰撞引起的丢包和节点移动造成的路由失效丢包。

控制报文开销定义为：所有控制报文字节数与所有成功接收的报文字节数的比值，该值越小证明协议需要额外的开销越小，协议的效率就越高。控制报文开销的公式为：

数据报文端到端平均时延的定义为：该参数是在接收数据时由路由层统计的，其统计的是一个数据包从源节点路由层成功到达目的节点路由层所平均经过的时间。该参数能反映网络是否通畅，时延越小证明网络越通畅。

在相同的场景中，分别仿真了节点数为10、15、20、25、30、35、40的情况下，LAR协议和本发明路由协议的控制报文开销和数据报文端到端平均时延。从控制开销的仿真结果图8可以看出：随着节点数的增加，路由请求区域内的节点密度增大，两种协议的控制报文开销都逐渐增加，但在不同节点数量的情况下本发明路由协议的开销始终低于LAR协议，并且在节点密度较大时差距更为明显，这是由于本发明的初始路由请求区域比LAR协议小，当节点密度增大时第一次路由发现就可以成功查找到可用路由的概率增加，本发明路由协议因此节省了更多的控制开销。从时延的仿真结果图9可以看出：随着节点数的增加，两种协议报文端到端平均时延逐渐增加。在不同节点数量的情况下，本发明路由协议的报文时延均小于LAR协议，这是由于在节点数量增多时，不同节点接入信道时碰撞的概率增大，数据报文在节点缓存队列中排队等待的时间增加，本发明路由协议相比LAR协议减少了控制报文的数量，降低了控制报文和数据报文的碰撞概率，缩短了报文在节点缓存队列中的排队等待时间。

本方法采用基于超宽带定位辅助的路由协议，路由请求区域的覆盖范围动态可调，本方法减小了路由层控制报文的开销，降低了数据报文端到端平均时延，在无线个域网的应用中具有重要参考价值。

Claims

1.基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法，其特征是节点首先利用超宽带定位技术获得网络中各个节点的坐标，随后各节点基于定位信息进行路由发现，路由请求区域采用扇形区域，所述扇形区域范围可动态调节，包括以下步骤：

1）、首先在网络的初始化阶段，各节点利用超宽带定位和测距技术计算本节点和邻居节点的距离，在网络中有固定位置的参考节点，参考节点预先已知自身坐标，在参考节点的帮助下利用三角定位法计算本节点坐标并记录下当前时刻作为该位置的记录时间，然后将本节点位置和该位置的记录时间全网洪泛，使网络中每个节点都拥有整个网络的拓扑图；

2.根据权利要求1所述的基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法，其特征是当设备为源节点时，节点的工作周期流程为：

\sqrt{{(X_{d} - X_{s})}^{2} + {(Y_{d} - Y_{s})}^{2}} + V_{\max} \times (t_{1} - t_{0}),

圆心角为

2 \arcsin \frac{V_{\max} \times (t_{1} - t_{0})}{\sqrt{{(X_{d} - X_{s})}^{2} + {(Y_{d} - Y_{s})}^{2}}},

4）、如果源节点在路由查询定时器超时前接收到路由应答报文，则判定本次路由发现成功，源节点根据应答报文的信息更新本地路由表，发送数据报文；如果源节点在路由查询定时器超时后仍未接收到路由应答报文，则判定本次路由发现失败，源节点增大路由请求区域的范围，再次进行路由发现，请求区域的增大通过增大扇形区域的圆心角实现，圆心角设有π，2π三种阈值，选择最接近初始扇形区域圆心角且比初始扇形区域圆心角大的一级阈值作为更新后的扇形区域圆心角；如果更新后的扇形区域圆心角为2π，则不再限定请求区域范围，全网洪泛路由查询报文，否则将更新后的扇形区域信息附在路由查询报文中并广播此报文，进行新一轮查询。

3.根据权利要求1或2所述的基于超宽带定位辅助的无线个域网路由协议实现方法，其特征是当设备为中间节点或目的节点时，也就是非源节点时，工作周期流程为：

6）、如果本节点处于路由请求区域之内，则比较路由查询报文中目的节点位置的记录时刻t₀和本节点中目的节点位置的记录时刻t₀′，若t₀′>t₀，即如果本节点对于目的节点位置的记录时间比源节点对于目的节点的记录时间更接近当前时刻，则重新计算目的节点的期望域，并以本节点为顶点重新计算扇形请求区域的覆盖范围，更新路由查询报文中的相关信息，然后节点将本节点信息附在路由查询报文中，向邻居节点广播该路由查询报文。