CN101977413A - 一种自组织网络的路由方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组织网络的路由方法和装置，涉及网络通信技术。自组织网络的路由方法中包括：当源节点有分组数据向目的节点发送时，建立以源节点为原点的坐标系；确定各个节点在所述坐标系中的坐标；确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将所述两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括所述源节点和目的节点的区域作为转发域；选择所述转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。先确定各节点的相对位置，再确定转发域，由转发域内的路由进行源节点到目的节点的数据转发，进而与洪泛路由相比减少了大量的路由发现时间和数据分组数量，提高自组织网络的路由效率。

Description

一种自组织网络的路由方法和装置

技术领域

本发明涉及网络通信技术，尤其涉及一种自组织网络的路由方法和装置。

背景技术

自组织网络(Ad Hoc)是一种没有网络基础设施、拓扑结构动态、节点可任意移动、自由加入或离开的无线网络。它具有组网快速、展开灵活、不依赖于通信基础设施、成本低、生存能力强等特点。

而自组织网络中的单个节点需要通过中续转发(多跳通信路径)来与其传输范围以外的节点建立通信，因此节点的位置，电池供电的节点的耗电率和多路径干扰是自组织网络实现和展开中需要高度重视的问题。

在传统自组织网络中，由于洪泛式数据分组转发机制具有简单性和鲁棒性的优点，许多路由协议的设计中都采用了洪泛路由的思想，然而洪泛路由存在着信息重叠和信息放射式增长，也造成了大量的信息冗余和不必要的资源浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种自组织网络的路由方法和装置，以提高自组织网络的路由效率。

一种自组织网络的路由方法，包括：

确定各个节点相对于源节点的位置；

确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将所述两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括所述源节点和目的节点的区域作为转发域；

选择所述转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

一种自组织网络的路由装置，包括：

位置确定单元，用于确定各个节点相对于源节点的位置；

转发域确定单元，用于确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将所述两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括所述源节点和目的节点的区域作为转发域；

传输单元，用于选择所述转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

本发明实施例提供一种自组织网络的路由方法和装置，先以源节点建立坐标系，确定各节点在坐标系中的相对位置，再以在通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条直线围成的包括源节点和目的节点的区域作为转发域，由转发域内的路由进行源节点到目的节点的数据转发，进而与洪泛路由相比减少了大量的路由发现时间和数据分组数量，提高自组织网络的路由效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自组织网络的路由方法流程图；

图2为本发明实施例提供的坐标确定方法流程图；

图3为本发明实施例提供的自组织网络的路由方法中转发域示意图；

图4为本发明实施例提供的自组织网络的路由方法中转发域在坐标系中的示意图；

图5为本发明实施例提供的自组织网络的路由方法中路由路线确定方法流程图；

图6为本发明实施例提供的自组织网络的路由方法中节点分簇的示意图；

图7和图8为本发明实施例提供的自组织网络的路由装置结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种自组织网络的路由方法和装置，由于先确定了各个节点的位置，所以可以在此基础上确定转发域，使用转发域内的路由节点进行转发，避免了洪泛路由，减少了路由发现时间和数据分组数量，提高了自组织网络的路由效率。

如图1所示，本发明实施例提供的自组织网络的路由方法包括：

步骤S101、建立以源节点为原点的坐标系，通常在源节点有数据向目标节点发送时建立；

步骤S102、确定各个节点在坐标系中的坐标；

步骤S103、确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括源节点和目的节点的区域作为转发域；

步骤S104、选择转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

其中，步骤S101和步骤S102主要是为确定各个节点相对于源节点的位置，进而可以确定落入转发域内的节点，通过转发域内的节点构成的路由路线实现分组数据传输即可有效的控制路由洪泛，提供自组织网络的路由效率，当然，本领域技术人员还可以通过其它已知方法来确定各个节点相对于源节点的位置。

为了较准确的确定各个节点在坐标系中的坐标，可以从源节点开始，确定待确定节点与其相邻节点间的距离，再根据待确定节点与邻居节点之间的距离，推算出各个节点在坐标系中的坐标。

在建立坐标系和确定各节点坐标时，只要延展到使得目的节点及目的节点的邻居节点的坐标得到确定即可，不需要计算出网络中全部节点的坐标值。

进一步，还可以通过待确定节点与其相邻节点间的距离以及待确定节点与其相邻节点间的传输方向，更加精确的计算出待确定节点在该坐标系中的坐标，其中，传输方向可以通过天线角度来确定，即节点天线收到邻居节点信号的角度。

确定一个节点和相邻节点之间的距离的方法有很多，例如可以根据信息包在两节点间通信的往返时间(Time of Arrival)推算，本发明具体可以使用UWB(Ultra-wideband，超宽带)技术进行定位，该定位技术能提供更精确的时间测量精度，2002年2月，FCC(Federal Communications Commission，美国通信委员会)准许UWB技术在发送功率低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz(换算成功率则为1mW/MHz)的条件下于3.1GHz～10.6GHz的频带运作，其主要应用包括对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信。由于GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)利用人造卫星提取导航数据和时间信息，因此其室外定位效果比较好，当GPS用于室内，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也相应降低，例如，GPS提供100ns(毫微秒)左右的到达时间精确率，相当于3米的测距误差，而且定位器终端的成本比较高。相对于GPS来讲，UWB系统具有100ps左右的时间精确度，能把测距误差率减少到厘米级。这样，在自组织网络中的两个移动终端能以厘米级的精确度来预测它们之间的距离，达到准确定位和很大程度上减少了多路径衰减，并且允许它们用更低的功率传输。同时，UWB无线技术的低传输功率和短距离操作使其传输时的功率谱密度非常低，这样就能保证UWB无线系统不会对运作中的特定频段的窄带无线系统造成干扰。由此可见，使用UWB无线技术能很好的减轻自组织网络中节点定位、节点能量和多径干扰这些方面的忧虑。UWB无线技术同时还具有传输速率高，成本低和实现易等特点，是非常适合应用在自组织网络中的无线通信技术。

在根据与邻居节点之间的距离，推算出各个节点在坐标系中的坐标时，可以使用拟牛顿优化算法进行推算。通常在进行推算时，由于坐标系是以源节点为原点建立的，所以源节点的直接邻居节点(即在源节点的圆形传输范围内的节点，也可称为第一簇群节点)可以根据与源节点的距离和传输角度计算出各自在坐标系中的坐标，再从源节点向外进行推算，对每一个不能与源节点直接进行数据传输的节点，将至少3组与其他节点间的距离信息代入拟牛顿优化算法中，推算出各个节点在坐标系中的坐标。

拟牛顿优化算法中，使用3组距离信息和一个初始化位置对目标方程进行迭代优化直到产生最优值或者达到预先设定的最高迭代次数，初始化位置一般取待确定节点前一时刻的坐标值，或者取网络中已经确定的节点的坐标平均值。

在传统的牛顿算法中，所使用的Hessian矩阵是多维变量函数的二阶偏导数矩阵。而拟牛顿优化算法构造出与Hessian矩阵的近似矩阵B_k，利用目标函数f的函数值和梯度g_k的信息构造出目标函数的曲率近似，而不需要形成和计算Hessian矩阵，解决了Hessian矩阵计算量大和难以计算的缺点，同时具有收敛速度快的优点，如图2所示，使用拟牛顿算法进行坐标值确定的具体实施步骤为：

步骤S201、选取初始值，设定初始Hessian近似矩阵B₀为单位矩阵I，设定目标误差值0≤ε＜1，初始时迭代次数k＝0，初始位置p₀可以使用此节点的前一时刻的位置，如果没有则取目前已知节点位置的平均值或所确定范围的平均值。本路由算法中所使用的用于确定坐标值的目标函数可以采用：

$F(x,y{,t}_0)=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i^2(x,y,t_0)$

其中N是所获取的距离信息组数，最少为3组，(x，y)代表待确认节点的坐标，t₀是待确认节点发送控制包的时间，

$f_i(x,y,t_0)=\sqrt{{\left({x-x}_i\right)}^2+{(y-y_i)}^2}-c(t_i-t_0),$

t_i是控制包从待确认节点到其相邻节点i的时间，c是光速。

步骤S202、进行迭代计算，计算：S_k＝-B_kg_k，沿方向S_k作线性搜索得到：p_k+1＝p_k+α·s_k，再使用

校正近似矩阵B_k产生B_k+1，其中：h_k＝p_k+1-p_k，q_k＝g_k+1-g_k。

步骤S203、计算目标函数f在p_k点处的梯度值g_k；

步骤S204、判断||g_k||是否小于或等于ε，如果是，则执行步骤S205，否则执行步骤S206。

步骤S205、说明p_k点作为待确定节点的坐标值是在误差范围内的，停止迭代，将p_k点坐标作为待确定节点的坐标值，输出p_k；

步骤S206、迭代次数k＝k+1；

步骤S207、判断k是否达到设定的最高迭代次数，如果是，则继续执行步骤S208，如果否，则执行步骤S202；

步骤S208、结束迭代，输出当前的p_k点坐标作为待确定节点的坐标值。

在确定待确定节点的坐标时，进行迭代的目的是逐步改变位置p_k+1及产生相应的矫正近似矩阵B_k+1，使得p_k+1的值不断接近待确定节点的真实坐标，并计算出在位置p_k点处的梯度值g_k，一旦||g_k||小于或等于预定误差值ε，就代表该坐标p_k是计算所得的误差最小而且最接近真实值的坐标，这样迭代的循环就可以中止并且输出计算结果。

通过这种推算方式，即可较精确的推算出坐标系中各个节点的坐标值，进而进行转发域的确定。

在确定转发域时，可以根据步骤S103中的方式，在确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括源节点和目的节点的区域作为转发域，如图3所示，图3中的节点S即为源节点，节点D即为目的节点，确定节点D的圆形传输范围，再从节点S引出两条与该圆形传输范围相切的直线，这两条直线与圆形传输范围围成的包括源节点和目的节点的区域即为转发域，图3中的实心节点即为落入转发域内的节点，空心节点则是落在转发域外的节点。通过这种方式确定转发域，在尽量不影响传输效果的前提下，尽可能的减少了转发域内的节点数目，进而尽可能的减少路由洪泛，提高了转发效率。

由于已经确定了坐标系以及各个节点的坐标值，所以很容易计算出来在转发域中有哪些节点。

进一步的，如图4所示，如果以一条通过源节点的目的节点的圆形传输范围的切线作为x轴，并使得目的节点的圆形传输范围在第一象限，那么更容易根据各个节点的坐标值来确定转发域中的节点。如果设源节点和目的节点的连线与x轴的夹角为a，那么任一节点都可以利用其坐标值计算出与x轴的角度，通过该角度与2倍的a角相比，再通过该节点到目的节点的距离即可判断该节点是否是转发域中的中间节点。

进一步的，为了防止当节点数目较少时，出现转发域中不存在可路由路线的情况，可以在初始确定的转发域中确实不存在可路由路线时，按照预先设定的规则增大切线间的角度，扩大转发域，如图4所示，可以增大a的角度，并根据切线间的角度适应性增大圆D的半径r，进而扩大转发域，增加转发域中的节点，使得在转发域内存在可路由路线。

在进行转发域的扩大时，可以按照预先设定的规则来制定，根据实际情况不同，扩大的方式也不相同，例如，可以按照一定的步长，每次增加Δa的角度，直到a增加至180为止；还可以随着扩大次数的增加，每次增加的角度值也按照设定规律扩大，进一步增加转发域扩大的效率。具体的转发域扩大的规则，本领域技术人员可以根据网络的实际情况来自行设定，在此不再详细的一一说明。

当转发域中切线间的角度为180度时，即角a为90度时，圆D的半径r为无穷大，此时若还不存在可路由路线，则无法由源节点传输数据至目的节点，不再扩大转发域，所以转发域的角度最大设定为180度，与洪泛路由相比较，仍然减少了50％的路由发现时间和数据分组数量。

进一步的，在确定转发域以后，还可以通过节点分簇的方式，进一步减少数据在节点间不必要的传输，进而提高路由效率。那么如图5所示，在步骤S104中，选择转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输，具体包括：

步骤S1041、在转发域内，从源节点开始向目的节点方向推算，将能够从同一等级节点接收数据的节点作为下一等级节点，并仅允许在不同等级节点间进行通信；

步骤S1042、根据节点等级确定路由路线；

步骤S1043、在确定的路由路线中，随机选择一条路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

由于在同一等级节点间传输数据对传输至目的节点没有实际意义，所以为了减少数据在节点间不必要的传输，提高路由效率，避免在同一等级节点间传输数据。

图6为分簇方式传输的示意图，图6中，节点S为源节点，节点D为目的节点，一个节点作为簇头时，该节点的传输范围内的节点都是该簇中的节点，即能够从该节点接收数据的节点均为同一等级的节点，同等级的节点间规定不能互相通信，图6中，由于节点2和节点3同属于源节点的簇中，所以节点2和节点3之间不能通信。这样就防止了数据在同等级节点间不必要的传输，提高了路由效率。

当转发域中存在多条路由路线可供选择时，由于这些路由路线的跳数相同或者相近，所以可以随机选择一条路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输，而不会因路由路线的选择而影响路由效率。

本发明实施例还相应提供了一种自组织网络的路由装置，如图7所示，包括：坐标建立单元701、坐标确定单元702、转发域确定单元703以及传输单元704，其中：

坐标建立单元701，用于建立以源节点为原点的坐标系；

坐标确定单元702，用于确定各个节点在坐标系中的坐标；

转发域确定单元703，用于确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括源节点和目的节点的区域作为转发域；

传输单元704，用于选择转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

进一步，当通过与力量邻居节点间的距离迭代的方式计算出节点在坐标系中的坐标时，如图8所示，坐标确定单元702具体包括：

距离确定子单元7021，用于确定各个节点与其邻居节点之间的距离；

坐标确定子单元7022，用于根据与邻居节点之间的距离，推算出各个节点在坐标系中的坐标。

在进行推算时，可以对每一个不能与源节点直接进行数据传输的节点，将至少3组与其他节点间的距离信息代入拟牛顿优化算法中，推算出各个节点在坐标系中的坐标。

进一步，为为了防止当节点数目较少时，出现转发域中不存在可路由路线的情况，转发域确定单元703还用于：

当转发域中不存在可路由路线时，按照预先设定的规则增大切线间的角度，扩大转发域。

为了进一步减少数据在节点间不必要的传输，进而提高路由效率，传输单元704具体包括：

等级确定子单元7041，用于在转发域内，从源节点开始向目的节点方向推算，将能够从同一等级节点接收数据的节点作为下一等级节点，并仅允许在不同等级节点间进行通信；

路由路线确定子单元7042，用于根据节点等级确定路由路线；

数据传输子单元7043，用于在确定的路由路线中，随机选择一条路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

本发明实施例提供一种自组织网络的路由方法和装置，先以源节点建立坐标系，确定各节点在坐标系中的相对位置，再以在通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条直线围成的包括源节点和目的节点的区域作为转发域，由转发域内的路由进行源节点到目的节点的数据转发，进而与洪泛路由相比减少了大量的路由发现时间和数据分组数量，提高自组织网络的路由效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种自组织网络的路由方法，其特征在于，包括：

确定各个节点相对于源节点的位置；

确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将所述两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括所述源节点和目的节点的区域作为转发域；

选择所述转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定各个节点相对于源节点的位置，具体包括：

建立以源节点为原点的坐标系；

确定各个节点在所述坐标系中的坐标，根据所述坐标获得各个节点相对于源节点的位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定各个节点在所述坐标系中的坐标，具体包括：

确定各个节点与其邻居节点之间的距离；

根据与邻居节点之间的距离，确定各个节点在所述坐标系中的坐标。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据与邻居节点之间的距离，确定各个节点在所述坐标系中的坐标，具体为：

对每一个不能与源节点直接进行数据传输的节点，将至少3组该节点与其他节点间的距离信息代入拟牛顿优化算法中，推算出该节点在所述坐标系中的坐标。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将所述两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括所述源节点和目的节点的区域作为转发域后，还包括：

当所述转发域中不存在可路由路线时，按照预先设定的规则增大所述切线间的角度，并根据所述切线间的角度增大目的节点的圆形传输范围，扩大所述转发域。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转发域中，所述切线间的角度不超过180度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择所述转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输，具体包括：

在转发域内，从源节点开始向目的节点方向推算，将能够从同一等级节点接收数据的节点作为下一等级节点，并仅允许在不同等级节点间进行通信；

根据节点等级确定路由路线；

在确定的路由路线中，随机选择一条路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

8.一种自组织网络的路由装置，其特征在于，包括：

位置确定单元，用于确定各个节点相对于源节点的位置；

转发域确定单元，用于确定通过源节点并与目的节点的圆形传输范围相切的两条切线，并将所述两条切线与目的节点的圆形传输范围围成的包括所述源节点和目的节点的区域作为转发域；

传输单元，用于选择所述转发域内的路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述位置确定单元具体包括：

坐标建立单元，用于建立以源节点为原点的坐标系；

坐标确定单元，用于确定各个节点在所述坐标系中的坐标，根据所述坐标获得各个节点相对于源节点的位置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述坐标确定单元具体包括：

距离确定子单元，用于确定各个节点与其邻居节点之间的距离；

坐标确定子单元，用于根据与邻居节点之间的距离，确定各个节点在所述坐标系中的坐标。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述坐标确定子单元具体用于：

对每一个不能与源节点直接进行数据传输的节点，将至少3组该节点与其他节点间的距离信息代入拟牛顿优化算法中，推算出该节点在所述坐标系中的坐标。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述转发域确定单元还用于：

当所述转发域中不存在可路由路线时，按照预先设定的规则增大所述切线间的角度，并根据所述切线间的角度增大目的节点的圆形传输范围，扩大所述转发域。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述传输单元具体包括：

等级确定子单元，用于在转发域内，从源节点开始向目的节点方向推算，将能够从同一等级节点接收数据的节点作为下一等级节点，并仅允许在不同等级节点间进行通信；

路由路线确定子单元，用于根据节点等级确定路由路线；

数据传输子单元，用于在确定的路由路线中，随机选择一条路由路线进行从源节点向目的节点的分组数据传输。

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