CN101932062A - 一种Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法，在Ad Hoc网络现有的加入累积时延参数选择路径保证端到端时延的方法的基础上，提出了一种新的多路径路由方法来提供QoS保障。该路由方法包括两部分：1、将累积时延作为选择路径的接入控制参数筛选路径；2、引入了考虑节点状态的参数：节点时延N_delay，将节点时延N_delay作为衡量路径好坏的又一标准，对根据累积时延选择出路径进行进一步的选择，从而克服了根据累积时延选择出的路径有多条，无法比较其优劣的问题，保证了Ad Hoc网络的QoS性能。

Description

一种Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法 

技术领域

本发明属于通信系统Ad Hoc自组织网络技术领域，更为具体地讲，涉及一种Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法。 

背景技术

Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。这种网络是一种没有中心基础设施的自组织网络，网络中的移动节点通过多跳的方式建立无线连接。由于无线Ad Hoc网络不需要中心基础设施的支持，它能在许多特殊的场合得到应用，例如军事应用和紧急救灾领域，AdHoc网络能迅速的部署并投入应用。 

Ad Hoc网络动态变化的网络拓扑、有限的节点资源和有限的无线传输带宽决定了Ad Hoc网络的路由协议有别于传统的路由协议。一类典型的Ad Hoc网络路由协议称为按需路由协议，主要有DSR(动态源路由协议)、TORA(临时排序路由算法)、AODV(Ad Hoc按需距离矢量协议)和ABR(基于关联的路由协议)等。在按需路由协议中，源节点在需要传输数据时才会发起路由发现的过程。按需路由协议不需要维护去往全网所有节点的路由信息，所以它们的网络负载很小。DSR协议是最早采用按需路由思想的路由协议，它以源节点到目的节点的跳数作为选择路径的标准，虽然实现了跳数最小这个目的，但是导致了网络时延大，网络拥塞等问题。近年来特别是随着多媒体应用的发展，网络对QoS(服务质量)的要求越来越高，为Ad Hoc网络提供QoS的支持显得越来越重要。 

目前大多数的Ad Hoc网络的QoS路由协议的主要思想是在路由发现的过程中加入QoS参数(带宽、时延等)来保证对QoS的支持。为了提供网络实际应用中对端到端时延的保障，许多QoS协议在路由发现的过程中加入时延要求和累积时延的参数，当传输到某个中间节点，如果累积时延超过了时延要求，QoS协议放弃这条路径。这种选择路径的方法虽然能在一定程度上满足对时延的要求，但是存在着以下问题： 

1、累积时延只能反映路由发现过程中路由请求(RREQ)从源节点传输到中间节点的时间，并不能反映端到端时延。这种筛选路径的算法只是把路由发现中不满足时延要求的路径排除出去了，剩余路径不一定都能满足应用中的时延要求； 

2、通过这种路径选择方法得到的路径有多条，它们之间的优劣性无从比较； 

3、仅仅以路由发现的累积时间作为唯一的度量标准，算法得到的路径在其它QoS性能方面的表现无法保证。 

针对以上问题，本文在上述加入累积时延参数选择路径算法的基础上，提出了一种新的QoS路由协议DMSR(Delay-aware Multipath Source Routing)来提供端到端时延的支持。算法主要包括两部分： 

将累积时延作为选择路径的接入控制参数筛选路径； 

引入了考虑节点状态的参数：节点时延。将节点时延作为衡量路径好坏的标准，保证了网络的QoS性能。 

发明内容

本发明目的在于在现有技术的基础上，提供一种Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法，对路径选择进行进一步优化，保证了网络的QoS性能。 

为实现上述发明目的，本发明Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法，其特征在于，包括以下步骤： 

(1)、路由发现 

a1、一个应用程序请求建立源节点S到目的节点D的连接时，源节点S发起路由发现：广播一个路由请求(RREQ)分组，路由请求分组是DSR协议中路由请求分组基础上，在路由请求中加入累积时延D_acc参数、当前应用的端到端时延要求D_req参数以及路径时延P_delay参数，其中，累积时延D_acc参数、路径时延P_delay参数的初始值为0； 

a2、中间节点收到路由请求分组，并检测路由请求分组的标识来确定它以前是否收到过同样的路由请求分组： 

a21、如果以前没收到过，中间节点首先计算出路由请求分组从上一跳节点传输到本中间节点一跳的时间并将它累加到累积时延D_acc参数中，更新路由请求 分组中的累积时延D_acc参数，然后就以下条件进行判断： 

1)、路由请求分组的路由记录中不包含本节点的地址； 

2)、路由请求分组的生存时间TTL大于0； 

3)、更新后的路由请求分组累积时延D_acc小于端到端时延要求D_req； 

如果满足上述3个条件，则中间节点首先计算其节点时延N_delay，如果计算出来的节点时延N_delay大于路由请求分组中的路径时延P_delay，则中间节点将用自己的节点时延N_delay替代路由请求分组中的路径时延P_delay，如果计算出来的节点时延N_delay小于等于路由请求分组中的路径时延P_delay，则中间节点不用更新路由请求分组中的路径时延P_delay，然后中间节点将自己的ID加入到路由请求分组的路径记录T中，并转发路由请求分组；其中，节点时延N_delay为： 

    N_delay＝a×P_num+b×Nb_num+c×T_busy

上式中a、b和c为权重系数，P_num是中间节点缓冲队列中数据包的长度，Nb_num是中间节点的邻居节点数量，T_busy是中间节点的平均信道忙碌时间； 

如果不满足上述3个条件，则中间节点丢弃该路由请求分组； 

a22、如果以前收到过，则丢弃该路由请求分组； 

a3、目的节点D收到第一个路由请求分组后，将会设置一个定时器，定时器运行时间内，目的节点D将会收到多个路由请求分组，定时器中止时，目的节点D停止接收路由请求； 

目的节点在所收到的路由请求分组中选出拥有较小路径时延P_delay的独立的路径集合，然后给源节点发送一系列的路由回复分组，每个路由回复分组里包含一条独立路径，路由回复分组沿着其独立路径的反方向发送给源节点S； 

当源节点S收到路由回复分组后，路由发现的过程结束；源节点S将会收到的独立路径集中选出拥有最小路径时延P_delay的路径并传输数据。 

(2)、路由维护 

当Ad Hoc网络中，当中间节点检测到下一跳的链路中断时，中间节点给源节点发送路由错误的路由请求分组，源节点S将从独立路径集中的剩余路径中选择拥有最小P_delay的路径进行数据传输，如果路径集为空了，源节点S重新发起路由发现的过程。 

在本发明中，在现有的加入累积时延参数选择路径方法的基础上，提出了一种新的多路径路由方法，该路由方法包括两部分： 

1、将累积时延作为选择路径的接入控制参数筛选路径； 

2、引入了考虑节点状态的参数：节点时延N_delay，将节点时延N_delay作为衡量路径好坏的又一标准，对根据累积时延选择出路径进行进一步的选择，从而克服了根据累积时延选择出的路径有多条，无法比较其优劣的问题，保证了Ad Hoc网络的QoS性能。 

附图说明

图1是Ad Hoc网络模型图； 

图2是平均端到端时延随着节点负载增加的变化曲线比较图； 

图3是分组投递率随着节点负载增加的变化曲线比较图； 

图4是吞吐量随着节点负载增加的变化曲线比较图； 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。 

图1是Ad Hoc网络模型图。 

1.端到端时延的模型 

本实施例中，通过计算路径上所有链路的时延总和建立一种端到端时延模型，来表示源节点到目的节点的端到端时延。端到端时延为数据包从源节点产生到目的节点销毁之间所经历的时间。一条路径为从源节点到目的节点的一系列的链路。 

如图1所示，在本实施例中，Ad Hoc网络有源节点S、目的节点D以及中间节点a、b、m、n、e、f； 

有数据包从节点m传输到节点n经历的时延为D_m，n，定义第k条路径的端到端时延为D_S，D(k)。因为第k条路径的端到端的时延为路径上每条链路link(m，n)的时延的总和，所以有： 

$D_{S,D}\left(k\right)=\underset{(m,n)\∈k}{\mathrm{\Σ}}{D}_{m,n}---1)$

Ad Hoc网络中的独立路径为：两条路径P1和P2，如果它们的源节点和目的节点相同，但不存在相同的中间节点，称P1和P2为独立的路径。如图1所示的路径Path(S-e-f-D)与Path(S-a-b-D)就是独立的路径。 

K为源节点S到目的节点D的独立路径的数量，Delay_S，D为S到D的端到端时延，选取K条路径中端到端时延最小的路径作为S到D的传输路径，可以得到： 

${\mathrm{Delay}}_{S,D}^{\·}=\underset{k\∈K}{\mathrm{Min}}\left(D_{S,D}\left(k\right)\right)---2)$

2.链路时延D_m，n的估计 

数据包从节点m传输到节点n经历的时延D_m，n可以分为以下几个部分：排队时延、竞争时延、传输时延和传播时延： 

D_m，n＝传播时延+传输时延+排队时延+竞争时延    3) 

传播时延是指数据包在节点m和节点n上的无线链路上传输的时间，它受节点m和节点n之间距离的影响，相对于其它时延它的值非常小，对D_m，n的影响可以忽略。 

传输时延是指节点处理一个数据包经历的时间。如果我们假设数据包的长度是固定的，传输时延的值是一个常数。可以得到： 

排队时延是指从数据包到达节点到数据包成为节点队列的队首所经历的时间。我们可以通过节点缓冲队列里数据包的长度P_num来估计排队时延，假设信道是空闲的，可以得到： 

排队时延＝P_num×传输时延    5) 

竞争时延是指从数据包成为队首到数据包真正在无线信道上传输所经历的时间。信道不会总是空闲的，当数据包成为队首时，如果检测到信道忙，节点需要执行退避算法来传输数据包，等待信道空闲时再进行数据包的传输。退避的几率和时间可以分别通过节点的邻居节点数量Nb_num和平均的信道忙碌时间 T_busy来估计。Nb_num越大，信道的竞争越激烈，退避发生的几率越大；T_busy越大，每次退避的时间越长，它们都能导致竞争时延的增加。 

由于传输时延、排队时延和竞争时延都发现在节点处，在本发明中，提出用节点时延N_delay来度量数据包通过一个节点所经历的时间。N_delay越大，节点的状态越差。 

从以上的分析可以看出，节点时延N_delay受到以下3个因素的影响：P_num、Nb_num和T_busy。我们可以通过以下的关系式来计算N_delay： 

N_delay＝a×P_num+b×Nb_num+c×T_busy    6) 

上式中a、b和c为权重系数。 

3、路由方法 

在本实施中，本发明的路由方法首先在路由请求(RREQ)中加入累积时延参数和当前应用的时延要求参数。路由发现的过程中，时延要求参数保持不变，累积时延逐渐增加，将累积时延作为接入控制的参数，当中间节点发现累积时延超过最大时延要求的参数时，中间节点将丢弃数据包，相应的路径就被放弃。节点路由缓存回复路径的功能被禁止了，因为路由缓冲中没有关于端到端时延的信息。 

路由发现的过程中，本发明的路由方法还将会考虑节点时延N_delay因素的影响，收集每个中间节点的本地信息，并通过式6)计算出每个中间节点的节点时延N_delay。一条路径上所有节点中最大的N_delay将被作为路径时延P_delay。目的节点将从使用累计时延参数筛选出的路径中选择拥有较小路径时延P_delay的路径，并通过这些路径的反方向给源节点发送路由路由回复(RREP)消息。源节点将在这些得到的路径中选择拥有最小路径时延P_delay的路径进行数据传输。 

(1)路由发现 

为了说明本发明Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法，在本实施例中，在时间t0，一个应用程序请求建立源节点S到目的节点D的连接，端到端的时延要求为D_req。源节点S发起路由发现的过程，广播一个RREQ分组，RREQ分组是DSR协议中RREQ分组的扩展，包括源节点ID，即Source ID、路由请求ID，即Request ID、目的节点ID，即Destination ID、端到端时延要求D_req、累积时延 D_acc、路径时延P_delay、路径记录T和生存时间TTL。源节点ID和路由请求ID唯一标识RREQ分组，累积时延D_acc、路径时延P_delay的值在源节点处初始设为0。RREQ分组是DSR协议中RREQ分组的基础上增加了端到端时延要求D_req、累积时延D_acc、路径时延P_delay。表1给出了RREQ分组中的各个区域： 

1.Source ID
	2.Request ID
3.Destination ID
	4.Dreq
5.Dacc
	6.Pdelay
7.path:T
	8.TTL

表1 

如果接收到RREQ分组的节点的ID不是源节点ID、目的节点的ID，则其为中间节点。 

中间节点收到RREQ分组检测RREQ分组的标识来确定它以前是否收到过同样的RREQ分组。如果以前没收到过，中间节点将会更新RREQ分组中的D_acc，节点计算出路由发现分组从上一跳节点传输到本中间节点一跳的时间并将它累加到D_acc区域。路由发现过程中，决定中间节点转发RREQ分组的条件如下： 

(1)RREQ分组的路由记录中不包含本节点的地址； 

(2)RREQ分组的TTL大于0； 

(3)本节点更新后的D_acc小于D_req； 

如果RREQ分组满足以上的条件，中间节点接着更新RREQ分组的P_delay区域，如果本中间节点计算出的N_delay大于RREQ分组中的P_delay，节点将会用自己的N_delay替换分组中的P_delay。当这些更新完成后，中间节点将自己的ID加入到RREQ分组的路径记录T中并将分组转发到路径记录中没有出现的邻居节点； 

如果不满足上述3个条件，则中间节点丢弃该路由请求分组。 

如果以前收到过同样的RREQ分组，则丢弃该路由请求分组。 

目的节点D收到第一个RREQ分组后，将会设置一个定时器，定时器运行时间内，目的节点将会收到多个RREQ分组，定时器中止时，目的节点停止接收RREQ。目的节点在所收到的RREQ分组中执行路径选择算法来选出拥有较 小P_delay的独立的路径集合。目的节点给源节点发送一系列的路由回复(RREP)分组，每个分组里包含一条独立路径，RREP分组沿独立路径的反方向发送给源节点。RREP分组的结构如表2所示： 

1.Source ID
	2.Request ID
3.Destination  ID
	4.Pdelay
5.Path

表2 

当源节点S收到RREP后，路由发现的过程结束。源节点S将会收到的独立路径集中选出拥有最小P_delay的路径并传输数据。 

(2)路由维护 

由于无线Ad Hoc网络中动态的网络拓扑，路径随时可能会断掉。当中间节点检测到下一跳的链路中断时，中间节点给源节点发送路由错误(RREP)分组。源节点S将从独立路径集中的剩余路径中选择拥有最小P_delay的路径进行数据传输。如果路径集为空了，源节点S重新发起路由发现的过程。 

在本实施例中，式(6)中的参数a、b和c设为1，路由测试测试参数如表3所示： 

仿真参数	参数值
		节点数量	30个
节点所在网络大小	1000米×1000米的矩形区域
		仿真时间	10分钟
节点初始位置	随机分布
		节点移动速率	0～10m/s
信道数据传输率	11Mbps
		节点无线传输范围	250米
节点移动模型	随机移动(暂停时间2s)
		数据传输方式	恒比特流传输
数据包类型	64字节

表3 

在本实施例中，使用了3个性能参数对本发明的路由方法与现有的动态路由(DSR)方法进行比较：平均端到端时延、分组投递率和吞吐量。它们的定义如下： 

平均端到端时延：数据包从源节点传输到目的节点的平均时间； 

分组投递率：目的节点成功接收的数据包数量与源节点产生的数据包数量之比； 

吞吐量：单位时间节点接收到的数据包比特数。 

1.平均端到端时延 

图2给出了平均端到端时延随着节点负载增加的变化情况，节点负载定义为单位时间节点发送的比特数。本发明的路由方法在端到端时延方面的表现优于现有的动态路由(DSR)方法。这是因为新的度量值节点时延N_delay的引入减少了数据包在发送缓存中等待和在信道中竞争的时间。多条路径的方法能减少路由维护的时间和路由发现的频率。 

2.分组投递率 

图3展示出本发明的路由方法对比现有的动态路由(DSR)方法在分组投递率方面有明显的改进。这是因为本发明的路由方法通过避开中间节点状态差的过载节点的方式分散了网络中的流量，从而减小了数据包因为节点负载过大而丢包的几率。 

3.吞吐量 

图4给出了吞吐量的表现情况。由于本发明的路由方法避免拥塞的机制，其吞吐量有明显的增加。 

从本实施例可以看出，由于引入了一个新的QoS度量值节点时延来评估节点的状态，首先利用累积时延作为接入控制的参数，然后使用节点时延的度量值来选择路径。Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法在端到端时延、分组投递率和吞吐量方面的表现优于现有的动态路由(DSR)方法。 

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 

Claims (1)

1.一种Ad Hoc网络环境下的多路径路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、路由发现

a1、一个应用程序请求建立源节点S到目的节点D的连接时，源节点S发起路由发现：广播一个路由请求(RREQ)分组，路由请求分组是DSR协议中路由请求分组基础上，在路由请求中加入累积时延D_acc参数、当前应用的端到端时延要求D_req参数以及路径时延P_delay参数，其中，累积时延D_acc参数、路径时延P_delay参数的初始值为0；

a2、中间节点收到路由请求分组，并检测路由请求分组的标识来确定它以前是否收到过同样的路由请求分组：

a21、如果以前没收到过，中间节点首先计算出路由请求分组从上一跳节点传输到本中间节点一跳的时间并将它累加到累积时延D_acc参数中，更新路由请求分组中的累积时延D_acc参数，然后就以下条件进行判断：

1)、路由请求分组的路由记录中不包含本节点的地址；

2)、路由请求分组的生存时间TTL大于0；

3)、更新后的路由请求分组累积时延D_acc小于端到端时延要求D_req；

如果满足上述3个条件，则中间节点首先计算其节点时延N_delay，如果计算出来的节点时延N_delay大于路由请求分组中的路径时延P_delay，则中间节点将用自己的节点时延N_delay替代路由请求分组中的路径时延P_delay，如果计算出来的节点时延N_delay小于等于路由请求分组中的路径时延P_delay，则中间节点不用更新路由请求分组中的路径时延P_delay，然后中间节点将自己的ID加入到路由请求分组的路径记录T中，并转发路由请求分组；其中，节点时延N_delay为：

N_delay＝a×P_num+b×Nb_num+c×T_busy

上式中a、b和c为权重系数，P_num是中间节点缓冲队列中数据包的长度，Nb_num是中间节点的邻居节点数量，T_busy是中间节点的平均信道忙碌时间；

如果不满足上述3个条件，则中间节点丢弃该路由请求分组；

a22、如果以前收到过，则丢弃该路由请求分组；

a3、目的节点D收到第一个路由请求分组后，将会设置一个定时器，定时器运行时间内，目的节点D将会收到多个路由请求分组，定时器中止时，目的节点D停止接收路由请求；

目的节点在所收到的路由请求分组中选出拥有较小路径时延P_delay的独立的路径集合，然后给源节点发送一系列的路由回复分组，每个路由回复分组里包含一条独立路径，路由回复分组沿着其独立路径的反方向发送给源节点S；

当源节点S收到路由回复分组后，路由发现的过程结束；源节点S将会收到的独立路径集中选出拥有最小路径时延P_delay的路径并传输数据。

(2)、路由维护

当Ad Hoc网络中，当中间节点检测到下一跳的链路中断时，中间节点给源节点发送路由错误的路由请求分组，源节点S将从独立路径集中的剩余路径中选择拥有最小P_delay的路径进行数据传输，如果路径集为空了，源节点S重新发起路由发现的过程。

Images