CN101986728A - 一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跨层的高投递率低延时的组播通信方法，该方法包括本地节点在网络层直接读取物理层的信息，数据链路层共享网络层信息，网络层共享物理层信息实现组播通信。组播源为非网成员且有数据发送时，发送数据到链接列表中记录的父节点，逐跳发送到组播网内；组播源为网成员或者数据到达组播网内，数据在组播网内洪泛；网成员接收到组播数据后，接收和转发数据；通过上面的方法建立一个组播网，利用各层之间的信息共享，在数据传输过程中通过动态计算退避时间和数据发送速率，减小了节点之间的信道接入竞争，降低了网络中数据传输负载，实现高投递率和低延时的数据传输。

Description

一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法

技术领域

本发明涉及一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线Ad Hoc网络具有不需要固定设施支持、组网快速、灵活等特点，也由于这些原因导致网络拓扑的快速变化、节点资源和网络带宽受限等问题。组播是在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接，能节省网络带宽、降低网络负载，提高数据传送效率。现在Ad Hoc网络中的组播路由协议分为两种：基于树的组播路由协议和基于格网的组播路由协议，基于树的组播路由协议数据传输延时小，但在网络拓扑频繁变动或节点高速运动的场景下，协议投递率很低；基于格网的组播路由协议能提供冗余路径，在节点高速和低速情景下都能提供高的投递率，但是由于网络中有数据重复发送，协议的数据传输延时很大。基于现有协议的不足，本发明采用跨层设计的方法，利用格网的路由协议适应网络拓扑变化的优势，通过共享物理层、数据链路层和网络层的信息，减少数据传送过程中的数据重复和节点竞争，提高数据投递率、降低数据传输延时。

发明内容

本发明的目的是针对现有协议的不足，即不能很好适应网络拓扑变化或数据传输时延很大，提供一种高适应性、高投递率和低传输时延的组播路由协议。

本发明利用共享物理层、数据链路层和网络层的信息资源，建立组播路由网，并处理数据传输过程中存在的数据重复发送、节点竞争信道等问题，使得路由覆盖范围广，消除数据重复传输，减少数据处理时间，

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于跨层的高投递率低延时的组播通信方法，该方法包括本地节点在网络层直接读取物理层的信息，数据链路层共享网络层信息，网络层共享物理层信息实现组播通信，具体实现步骤如下：

Step1：组播组的核心节点在全网周期性的广播控制包；

Step2：任何接收到核心节点发送的控制包的节点都建立一个链接列表，并将该节点的邻居节点发送的控制包的数据及邻居节点的等级保存到链接列表中；

Step3：节点从其链接列表中选择邻居节点到核心节点距离最小且等级最高的邻居节点作为其最佳邻居，最佳邻居发送来的控制包为最佳控制包，在最佳控制包的基础上产生自己的控制包并广播给周围邻居，所有接收到控制包的其他节点均为网成员，设置自己的meshmember域为true；若未收到控制包但满足一定的条件，该节点也作为网成员；

Step4：组播网组建成功，组播网建立之后，有组播通信时，在组播网内传输数据。

所述物理层信息指接收数据包的SINR值。

所述网络层信息指通过SINR计算的数据发送退避时间以及数据发送速率。

所述step3中一定条件为：邻节点的mesh member域为true；或者此邻节点到核心节点的距离比节点本身的大；或者节点在两个控制包周期内接收到此邻节点发送的控制包。

所述step3中在组播网内传输数据的步骤为：

(1)组播源为非网成员且有数据发送时，发送数据到链接列表中记录的父节点，逐跳发送到组播网内；

(2)组播源为网成员或者数据到达组播网内，数据在组播网内洪泛；

(3)网成员接收到组播数据后，接收和转发数据；

其中，数据的处理分为MAC层数据处理和网络层数据处理。

所述MAC层处理数据的步骤如下：

(h)MAC层接收到数据后，若向下层即物理层发送，则转入步骤(b)继续执行；反之判断是否是重复发送，如是重复发送则转入步骤(g)继续执行，如不是重复发送则向上层即逻辑链路层和网络层传输且转入步骤(f)继续执行；

(i)设置退避时间，并启动退避计时器；

(j)若退避时间到，则转入步骤(d)进行判断；反之判断是否收到相同的控制包，如是则转入(e)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(k)判断信道是否空闲，如是则以网络层计算的发送速率发送数据且转入(f)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(l)网络层的数据缓存中接收次数项加1，并判断是否达到门限值，如大于门限值则转入步骤(g)继续执行，反之则转入步骤(c)继续执行；

(m)等待接收下一个数据；

(n)丢弃数据包，取消发送，且转入步骤(f)继续执行。

所述网络层处理数据的步骤如下：

(c)网络层接收到数据包后，读取链接列表当中相应发送节点的信息，计算数据包转发的退避时间和发送速率；

(d)若节点为接收者，向传输层传递数据包，并将数据包传送给数据链路层；若节点为非接收者，则只需将数据包传送给数据链路层。

本发明的原理如下：一种无线Ad Hoc网络中高投递率、低延时的跨层组播路由协议(cross layer multicasting protocol in ad hoc networks，CLMPA)，利用跨层提取信息的方法，网络层共享物理层的信息来建立组播路由，数据链路层利用网络层信息设定组播数据发送的退避时间和数据发送速率；所述的跨层提取信息方法是指：在网络层直接读取物理层的信息，数据链路层共享网络层信息；所述物理层信息指接收数据包的信号与干扰加噪声比SINR(signal to interference plus noise ratio)，所述网络层信息指通过SINR计算的数据发送退避时间以及数据发送速率，数据链路层使用退避时间和速率发送相应的数据；所述的组播路由建立是指：网络层通过全网广播控制消息的方法来建立组播网；组播路由建立具体步骤为：

(1)最先加入组播组的接收者将自己看作核心节点(若有多个接收者同时加入组播组，选择ID最大的组播接收者成为核心节点)，然后全网周期广播控制包；

(2)随着控制消息在网内的广播，全网的每一个节点都建立一个链接列表；任何节点接收到邻居发送的控制包后，将控制包中的数据保存到链接列表中，并且此节点在网络层读取控制包物理层的SINR信息，根据SINR的大小计算邻居节点的等级(分为0～N级，SINR值处于最大值与最小值中间时节点等级最高，依次往两边递减)，保存在链接列表当中；

(3)节点从链接列表中选择到核心节点距离最小且等级最高的邻节点作为其最佳邻居，最佳邻居发送来的控制包为最佳控制包，在最佳控制包的基础上产生自己的控制包并广播给周围邻居；

(4)所有的组播接收者都为网成员，设置自己的mesh member域为true；若非组播接收者节点的邻节点满足以下3个条件，此节点作为网的成员节点：邻节点的mesh member域为true，此邻节点到核心节点的距离比节点本身的大，节点在两个控制包周期内接收到此邻节点发送的控制包。

通过控制消息在全网的广播，每个节点能建立、维护链接列表并建立组播网。

组播数据的传输步骤为：

(1)组播源为非网成员且有数据发送时，发送数据到链接列表中记录的父节点，逐跳发送到组播网内，数据发送的退避时间和速率采用默认值；

(2)组播源为网成员或者数据到达组播网内，数据在组播网内洪泛；

(3)网成员接收到组播数据后，通过数据包重复判断、数据包接收次数限制等方法，接收和转发数据。数据的处理分为MAC层数据处理和网络层数据处理，分别如下：

1)MAC数据处理：

(a)MAC层接收到数据后，若向下层(物理层)发送，则转入步骤(b)继续执行；反之判断是否是重复发送，如是重复发送则转入步骤(g)继续执行，如不是重复发送则向上层(逻辑链路层和网络层)传输且转入步骤(f)继续执行；

(b)设置退避时间(在网络层计算得出)，并启动退避计时器；

(c)若退避时间到，则转入步骤(d)进行判断；反之判断是否收到相同的控制包，如是则转入(e)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(d)判断信道是否空闲，如是则以网络层计算的发送速率发送数据且转入(f)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(e)网络层的数据缓存中接收次数项加1，并判断是否达到门限值，如大于门限值则转入步骤(g)继续执行，反之则转入步骤(c)继续执行；

(f)等待接收下一个数据；

(g)丢弃数据包，取消发送，且转入步骤(f)继续执行。

2)网络层数据处理：

(a)网络层接收到数据包后，读取链接列表当中相应发送节点的信息，计算数据包转发的退避时间和发送速率，退避时间计算如下：

$T_b^{\left(i\right)}=\mathrm{cw}*(1+l_i*|{\log }_2(1+d_i)|+\mathrm{random}[0~\left|{\log }_2(1+d_i)\right|\left]\right)$

为节点i发送数据的退避时间，cw为时隙间隔，l_i为数据包上一跳在节点i的链接列表中的等级，d_i为节点i的邻节点中网成员的数目；

(b)若节点为接收者，向传输层传递数据包，并将数据包传送给数据链路层；若节点为非接收者，则只需将数据包传送给数据链路层。

通过上面的方法建立一个组播网，利用各层之间的信息共享，在数据传输过程中通过动态计算退避时间和数据发送速率，减小了节点之间的信道接入竞争，降低了网络中数据传输负载，实现高投递率和低延时的数据传输。

附图说明

图1是协议的信息传递示意图；

图2是节点链接列表示意图；

图3是组播网的创建图；

图4是数据链路层发送数据流程图；

图5是本发明提出的数据包缓存的数据结构；

图6(a)是在不同移动速度下，各种协议的数据投递率比较图；

图6(b)是在不同移动速度下，各种协议的时延比较图；

图7(a)是在不同队列负载下，各种协议的数据投递率比较图；

图7(b)是在不同队列负载下，各种协议的时延比较图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

一种跨层的组播路由协议，各层之间的信息传递如图1所示。协议通过在网络层直接读取物理层的SINR信息，并计算数据发送退避时间以及数据发送速率；退避时间封装到数据包头传递到数据链路层，而数据发送速率则是通过跨层接口在网络层直接设置；数据链路层发送数据时所用的数据包计数信息通过跨层接口从网络层读取。

组播路由的实现如下：

(1)最先加入组播组的接收者将自己看作核心节点(若有多个接收者同时加入组播组，选择ID最大的组播接收者成为核心节点)，在全网周期广播控制包(广播周期为3秒)，控制包的消息主要包括的内容如图2所示，节点3的链接列表中有3个邻居：节点7、2和8，核心节点id、组播组id和序列号是共用的，其余内容为各自所有的值；

(2)随着控制消息在网内的广播，全网的每一个节点都建立一个链接列表即保存一条或多条路由；任何节点接收到邻居发送的控制包后，将控制包中的数据保存到链接列表中，并且此节点在网络层读取控制包物理层的SINR信息，根据SINR的大小计算邻居节点的等级(分为0～N级，SINR值处于最大值与最小值中间时节点等级最高，依次往两边递减)，图2所示为节点3的链接列表；

(3)节点从链接列表中选择到核心节点距离最小且等级最高的邻节点作为其最佳邻居，最佳邻居发送来的控制包为最佳控制包，在最佳控制包的基础上产生自己的控制包并广播给周围邻居；

(4)所有的组播接收者都为网成员，设置自己的mesh member域为true；若非组播接收者节点的邻节点满足以下3个条件，此节点作为网的成员节点：邻节点的mesh member域为true，此邻节点到核心节点的距离比节点本身的大，节点在两个控制包周期内接收到此邻节点发送的控制包，如图3所示，节点M被选为核心节点，A、B、D、G、K、L为接收者，I、F接收到从G发送的控制消息后将自己看作网的成员节点，类似的C、E、H、J也看作网的成员节点。

通过控制消息在全网的广播，每个节点能建立、维护链接列表并建立组播网。

图4为MAC层发送数据的流程图。组播数据的传输如下：

(1)组播源为非网成员且有数据发送时，发送数据到链接列表中记录的父节点，逐跳发送到组播网内，数据发送的退避时间和速率采用默认值；

(2)组播源为网成员或者数据到达组播网内，数据在组播网内洪泛；

(3)网成员接收到组播数据后，通过数据包重复判断、数据包接收次数限制等方法，接收和转发数据。数据的处理分为MAC层数据处理和网络层数据处理，分别如下：

3)MAC数据处理：

(a)MAC层接收到数据后，若向下层(物理层)发送，则转入步骤(b)继续执行；反之判断是否是重复发送，如是重复发送则转入步骤(g)继续执行，如不是重复发送则向上层(逻辑链路层和网络层)传输且转入步骤(f)继续执行；

(b)设置退避时间(在网络层计算得出)，并启动退避计时器；

(c)若退避时间到，则转入步骤(d)进行判断；反之判断是否收到相同的控制包，如是则转入(e)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(d)判断信道是否空闲，如是则发送数据且转入(f)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(e)网络层的数据缓存中接收次数项加1，并判断是否达到门限值，如大于门限值则转入步骤(g)继续执行，反之则转入步骤(c)继续执行；

(f)等待接收下一个数据；

(g)丢弃数据包，取消发送，且转入步骤(f)继续执行。

4)网络层数据处理：

(a)网络层接收到数据包后，读取链接列表当中相应发送节点的信息，计算数据包转发的退避时间和发送速率，退避时间计算如下：

$T_b^{\left(i\right)}=\mathrm{cw}*(1+l_i*|{\log }_2(1+d_i)|+\mathrm{random}[0~\left|{\log }_2(1+d_i)\right|\left]\right)$

为节点i发送数据的退避时间，cw为时隙间隔，l_i为数据包上一跳在节点i的链接列表中的等级，d_i为节点i的邻节点中网成员的数目；

(b)若节点为接收者，向传输层传递数据包，并将数据包传送给数据链路层；若节点为非接收者，则只需将数据包传送给数据链路层。

通过上面的方法建立一个组播网，利用各层之间的信息共享，通过动态计算退避时间和数据发送速率，减小了节点之间的信道接入竞争，降低了网络中数据传输负载，实现高投递率和低延时的数据传输。

本发明所获得的效果可以通过仿真实验中所获得的具体数据进一步说明。

为了说明本发明相对于现有的协议大大提高了数据投递率、降低了数据传输时延，图6(a)(b)和图7(a)(b)给出了采用本发明提出的跨层路由协议在不同参数下所获得的性能。

仿真条件：采用NS2仿真平台，节点数目为50个，随机放置在1000mX1000m的区域，节点运动类型为random waypoint，数据包大小为512Bytes，数据链路层协议使用IEEE802.11，仿真时间700s。

首先，关于协议对网络拓扑动态变化的适应性，在速度分别0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s的时候，本发明的协议CLMPA都保持95％左右的数据投递率，比PUMA和MAODV都高，尤其是在20m/s时比MAODV要高出50％；而数据传输时延也更低，是PUMA的1/6、MAODV的1/2。其次，在队列负载增大的情况下，本发明协议也能保持较高的数据投递率和较低的数据传输时延。从图6和图7可以看出，与现有协议相比，本发明协议可以获得更好的数据投递率和更低的数据传输时延。

Claims (7)

1.一种基于跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，该方法包括本地节点在网络层直接读取物理层的信息，数据链路层共享网络层信息，网络层共享物理层信息实现组播通信，具体实现步骤如下：

Step1：组播组的核心节点在全网周期性的广播控制包；

Step2：任何接收到核心节点发送的控制包的节点都建立一个链接列表，并将该节点的邻居节点发送的控制包的数据及邻居节点的等级保存到链接列表中；

Step3：节点从其链接列表中选择邻居节点到核心节点距离最小且等级最高的邻居节点作为其最佳邻居，最佳邻居发送来的控制包为最佳控制包，在最佳控制包的基础上产生自己的控制包并广播给周围邻居，所有接收到控制包的其他节点均为网成员，设置自己的meshmember域为true；若未收到控制包但满足一定的条件，该节点也作为网成员；

Step4：组播网组建成功，组播网建立之后，有组播通信时，在组播网内传输数据。

2.如权利要求1所述的一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，所述物理层信息指接收数据包的SINR值。

3.如权利要求1所述的一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，所述网络层信息指通过SINR计算的数据发送退避时间以及数据发送速率。

4.如权利要求1所述的一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，所述step3中一定条件为：邻节点的mesh member域为true；或者此邻节点到核心节点的距离比节点本身的大；或者节点在两个控制包周期内接收到此邻节点发送的控制包。

5.如权利要求1所述的一种基于跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，所述step3中在组播网内传输数据的步骤为：

(1)组播源为非网成员且有数据发送时，发送数据到链接列表中记录的父节点，逐跳发送到组播网内；

(2)组播源为网成员或者数据到达组播网内，数据在组播网内洪泛；

(3)网成员接收到组播数据后，接收和转发数据；

其中，数据的处理分为MAC层数据处理和网络层数据处理。

6.如权利要求5所述的一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，所述MAC层处理数据的步骤如下：

(a)MAC层接收到数据后，若向下层即物理层发送，则转入步骤(b)继续执行；反之判断是否是重复发送，如是重复发送则转入步骤(g)继续执行，如不是重复发送则向上层即逻辑链路层和网络层传输且转入步骤(f)继续执行；

(b)设置退避时间，并启动退避计时器；

(c)若退避时间到，则转入步骤(d)进行判断；反之判断是否收到相同的控制包，如是则转入(e)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(d)判断信道是否空闲，如是则以网络层计算的发送速率发送数据且转入(f)继续执行，反之转入步骤(c)继续执行；

(e)网络层的数据缓存中接收次数项加1，并判断是否达到门限值，如大于门限值则转入步骤(g)继续执行，反之则转入步骤(c)继续执行；

(f)等待接收下一个数据；

(g)丢弃数据包，取消发送，且转入步骤(f)继续执行。

7.如权利要求5所述的一种跨层的高投递率低延时的组播通信方法，其特征是，所述网络层处理数据的步骤如下：

(a)网络层接收到数据包后，读取链接列表当中相应发送节点的信息，计算数据包转发的退避时间和发送速率；

(b)若节点为接收者，向传输层传递数据包，并将数据包传送给数据链路层；若节点为非接收者，则只需将数据包传送给数据链路层。

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