CN102036335B - 一种面向无线网络的认知路由协议 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在无线网络中认知路由的方法和系统。所述方法可包括：采集网络中各节点的相关信息；基于所采集的信息构建认知知识库；针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径；以及为与所确定的路由关联的节点分配资源。

Description

一种面向无线网络的认知路由协议

技术领域

本发明涉及用于在无线网络中认知路由的方法和系统。

背景技术

未来无线网络是一个泛在、异构的网络模式，在其中多接入方式并存，多节点协同工作。未来无线网络支持不同程度的无缝移动特性，同时又是一个智能化无线通信系统，即，能够随时感知外界环境，并根据当前的网络状况自配置以响应和动态自适应环境和操作的改变。另外，未来无线网络需要具备自我意识和自动学习能力，借助于人工智能、生物智能等技术，通过具有网络意识的中间件和网络各组成部分分布式交叉认知，从获知的环境参量中不断增强学习，以满足日益增长的未来通信对网络智能化要求。

认知网络的概念由此应运而生，认知网络以其极具智能特色、无缝融合各个网络、通过联合资源管理最大化网络整体性能等优势迅速吸引了国内外各大标准化组织、研究机构和大量学者的目光。由于认知网络自感知、自适应、自配置、自我意识、自我学习等独特的智能特性，决定了这种网络的路由机制将在很大程度上区别于传统网络。因此，研究并提出适用于认知网络的行为模型对于进一步研究认知网络路由机制起着至关重要的作用。

发明内容：

为了适应上述区别，本发明旨在解决未来无线网络路由协议的自认知、自决策和自配置问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种用于在无线网络中认知路由的方法，可包括：

采集网络中各节点的相关信息；

对所采集的信息进行学习以构建认知知识库；

针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径；以及

为与所确定的路由关联的节点分配资源。

根据本发明的另一个方面，提出了一种用于在无线网络中认知路由的系统，可包括：

采集单元，被配置为采集无线网络中各节点的相关信息；

学习单元，被配置为通过对所采集的信息进行学习从而构建认知知识库；

确定路由单元，被配置为针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径；以及

资源分配单元，被配置为向与所确定的路由关联的节点分配资源。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施方式的用于在无线网络中认知路由的处理流程图；

图2为根据本发明一个实施方式的用于实施本发明的网络结构图；

图3为图1中步骤S10的子步骤流程图；

图4为根据本发明一个实施方式的M-Hello包的数据结构图；

图5为图1中的步骤S20的子步骤流程图；以及

图6示出了根据本发明另一个实施方式的、用于在无线网络中认知路由的系统。

具体实施方式

下面参照附图描述用于实现本发明的具体实施方式。

图1所示为根据本发明一个实施方式的用于在无线网络中认知路由的处理1000。如图1所述，处理1000在步骤S10中采集无线网络中各节点的相关信息；在步骤S20中通过对所采集的信息进行学习从而构建认知知识库；接着在步骤S30中针对当前的业务需求查询认知知识库以基于预建立的路由策略确定业务的路由；最后，在步骤S40中根据确定的路由为与所确定的路由关联的节点分配资源。下面将对步骤S10～40分别做进一步的描述。

1.步骤S10：采集无线网络中各节点的相关信息

在一个实施方式中，可以通过信令交互、路由探测包和认知无线电等认知手段采集网络中的相关信息，并将采集的信息例如存储在认知信息库中。采集的信息例如包括但不限于：无线网络中的节点的邻居节点号、IP地址和移动速度等；其他节点正在进行的业务连接的连接号、服务种类、占用频率或时隙等资源情况等；以及本节点当前的队列情况、工作的频率和时隙状况、剩余能量等。此外，根据一个实施方式，采集的信息还可包括：无线电环境干扰情况、传输功率、频谱占用情况、调制方式等信道信息；跨层之间的带宽分配、链路拥塞状况、端到端时延、业务需求等网络信息等信息。在本段和下文中将以图2中示出的网络为例进行具体说明。

如图2所示，两座建筑A和B的路由器(以下还称为“节点”)通过无线的方式连接组建了一个无线Mesh网络，其中节点A1、A2、A3、A4、A5在建筑A，节点B1、B2、B3、B4、B5在建筑B。A1、B1、B2作为边缘路由器负责处理两个建筑间的通信。该Mesh网络可基于IP协议，并支持Ftp、视频电话、邮件等各项网络服务。

下面将参照图3以图2中示出的网络为例进一步描述步骤S10的具体处理。如图3所示，在步骤S101中，各个路由器(节点)A1～A5以及B1～B5通过Hello消息获取邻居节点的位置信息建立邻居列表。而后，在步骤S102中各个节点进行路由消息的广播，每个节点都通过M-Hello向邻居节点广播各自的队列、载波使用等情况。每个M-Hello传播的跳数视网络的规模决定。如图4所示，M-Hello的包包括：上一跳IP地址、消息源地址、已传递的跳数、传递最大跳数等。然后在后S103中，各个节点更新认知信息库中的相关信息，并向周围节点广播上一次收到的有效的其他节点的信息。

这样每个节点能在这个过程中检测到周围的频率使用情况，并能通过M-Hello的传递建立路由表和获取相关节点的情况，还能借助M-Hello的传输情况预估信道质量。此外，通过与业务层的跨层处理，提前得知当前节点需要处理的业务。

上述获取的信息都将储存在缓存中，等待认知知识库的调用并可存储在认知信息库中。此外，由于路由泛洪的过程对网络的稳定运行有很大的挑战，因此信息的更新周期例如设置为500秒，另外在有节点进入或离开网络、节点故障等情况下，将提前进行信息更新。

步骤S20：通过对所采集的信息进行学习从而构建认知知识库

下面参照图5并结合图2示出的网络为例对步骤S20进行详细描述。

在步骤S201，提取认知信息库里的各项信息。在一个实施方式中，可例如通过专用的信息调用渠道提取认知信息库里的各项信息。在这里，信息学习的顺序与当前业务需要协同。接着在步骤S202，根据基于路由知识的预测，判断所提取的信息的可靠性，并借助前向纠错编码和循环前缀等机制纠正或排除由于经过无线信道而出错的信息。在步骤S203中，判断经过纠正或排除的信息的可用性，即，丢弃陈旧的路由信息和丢弃重复的路由信息。由于路由的环路和多径等效应，同一个消息到达同一个节点可能会有多个路径，相应同一个消息就会收到多次。假设两个数据包，即1号数据包和2号数据包，是同样的路由相关信息，1号数据包是第1秒采集的，2号数据包是第2秒采集的，两个数据包先后从节点a发往节点b。有的时候，路由2号数据包走近道已经到达目的了，1号数据包可能还会从其它路径过来，1号数据包就是陈旧的路由信息。

最后，在步骤S204中，针对可用、可靠的路由信息进行学习，即，将网络运行的状况推理为节点理解的知识。例如：如果1号频率被图2中示出的A4节点向A5节点传输的业务占用了，则推理为与A4和A5一跳内的节点都禁止使用1号频率。利用推理的知识可形成认知知识库。认知知识库可例如为分布式的数据库。此外，推理得到的网络知识还可记录保存在任意的存储装置，并随时可根据路由信息进行更新。

步骤S30：针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径。

路由策略可选自预建立的策略库。构建策略库的过程可例如以人工配置为主。策略库中一般包括负载均衡、最大资源利用率、最佳QoS性能等。然后，基于网络知识库的网络知识，给各个网段进行策略选择。策略库每次配置的周期一般来说比较长，目的在于保证网络稳定运行和减少路由开销。

步骤30中可基于以下路由策略中的至少之一确定所述业务的路由：如果查询认知知识库的结果是如果没有通往该业务的目的节点的路径，则发起新的针对性的路由信息泛洪，获取完成该业务的备选路径；如果只有一个备选路径且该路径十分拥塞，则利用链路层的调度管理信息，通告各跳节点根据业务优先级和用户级别对该业务进行部分预留，其他带宽需求将通过竞争机制解决，且向业务发起节点的业务层进行提示；如果只有一个备选路径且该路径资源充沛，将对通告各跳节点时该业务所需的带宽进行全额预留；如果有多个备选路径且有多个路径具备独立承担该业务的能力，则从中选取时延最小和带宽足够的路径；以及如果有多个备选路径且没有路径能满足该业务的QoS需求，则通告各节点采用负载均衡策略，利用多信道技术，进行多链路聚合，满足业务需求。

步骤S40：根据确定的路由为与所确定的路由关联的节点分配资源。

根据本发明的一个实施方式，每个节点通过管理消息获取在通信连接中其采取的策略，并获得业务需求，进而对节点的时隙、频率等相关资源进行分配。根据本发明的另一个实施方式，在策略制定完以后，需要逐跳对策略进行执行，并需要进行多协议层之间的联合配置来保障策略的执行。在节点接收到策略配置后(该配置或者是基于连接的，或者是基于服务的，又或者是基于其他准则)，将进行时隙、频率等网络资源的分配，并将对队列长度、出队顺序等相关机制进行配置。在两次策略配置之间，如果资源已不足以支撑策略的执行，执行模块将进行自主的策略转换。

尽管本发明可例如立足于认知知识库信息的实时可靠，但实际上，在路由的执行过程中，业务源节点的知识库仍相对滞后。如果策略的制定不能或只能部分完成QoS需求，而节点能力实际上颇有余力，则在完成当前策略的情况下，向源节点发出提示。当有节点离开或进入网络、物理位置进行了移动或发生故障等情况时，将触发新的路由信息更新。

下面将描述根据本发明另一个实施方式的、用于在无线网络中认知路由的系统2000。

如图6所述，系统2000包括采集单元100、学习单元200、确定路由单元300和资源分配单元400。

采集单元100用于采集无线网络中各节点的相关信息。学习单元200被配置为通过对所采集的信息进行学习从而构建认知知识库。确定路由单元300被配置为针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径。资源分配单元400被配置为根据确定的路由为与所确定的路由关联的节点分配资源。

如图6所示，学习单元200进一步包括：纠正或排除单元201，被配置为借助前向纠错编码和循环前缀机制，纠正或排除所述认知信息库中的、由于经过无线信道而出错的信息；过滤单元202，被配置为在经过纠正或排除的信息中，丢弃陈旧的路由信息和重复的路由信息；以及推理单元203，根据剩余的信息，将网络运行的状况推理为节点理解的知识，从而构建出所述认知知识库。

由于采集单元100采集相关信息、学习单元200学习处理、确定路由单元300确定路由以及资源分配单元400分配资源的处理可分别和上述步骤S10～40相似，因此在此对它们不再赘述。

以上所述仅为一些具体的实施方式，并非用来限制本发明的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域的等同技术特征对本申请文件公开的技术方案进行的修改，均包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于在无线网络中认知路由的方法，包括：

采集网络中各节点的相关信息，所述信息包括：节点的邻居节点号、IP地址和移动速度，其他节点正在进行的业务连接的连接号、服务种类、占用频率或时隙，本节点当前的队列情况、工作的频率和时隙状况，或无线电环境干扰情况、传输功率、频谱占用情况、调制方式，跨层之间的带宽分配、链路拥塞状况、端到端时延、业务需求；

基于所采集的信息构建认知知识库；

针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径；以及

为与所确定的路由关联的节点分配资源。

2.如权利要求1所述的方法，其中，基于所采集的信息构建认知知识库的步骤包括：

纠正或排除所述采集的信息中的、由于经过无线信道而出错的信息；

在经过纠正或排除的信息中，丢弃陈旧的路由信息和重复的路由信息；以及

根据剩余的信息，将所述各节点运行的状况推理为节点理解的知识，从而构建出所述认知知识库。

3.如权利要求1所述的方法，其中，针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径的步骤包括以下策略中的至少之一：

如果未搜索到所述备选路由路径，发起新的针对所述业务的路由信息泛洪，获取完成所述业务的备选路由路径；

如果只有一个备选的路由路径且该路径拥塞，则利用链路层的调度管理信息，通告各跳节点根据业务优先级和用户级别对该业务进行部分预留；

如果只有一个备选路径且该路径资源充沛，则通告各跳节点该业务所需带宽进行全额预留；

如果有多个备选路径且有多个路径具备独立承担该业务的能力，则从中选取时延最小和带宽足够的路径作为承担该业务的路由路径；以及

如果有多个备选路径且没有路径能满足该业务的QoS需求，则通告各节点采用负载均衡策略，利用多信道技术进行多链路聚合。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预建立的路由策略包括以下至少之一：

最短路径、最大带宽、最小时延、最大资源利用率、最大网络生存时间、以及负载均衡及其中两者或多个的折中。

5.一种用于在无线网络中认知路由的系统，包括：

采集单元，被配置为采集无线网络中各节点的相关信息，所述信息包括：节点的邻居节点号、IP地址和移动速度，其他节点正在进行的业务连接的连接号、服务种类、占用频率或时隙，本节点当前的队列情况、工作的频率和时隙状况，或无线电环境干扰情况、传输功率、频谱占用情况、调制方式，跨层之间的带宽分配、链路拥塞状况、端到端时延、业务需求；

学习单元，被配置为基于所采集的信息构建认知知识库；

确定路由单元，被配置为针对当前的业务需求查询所述认知知识库以基于预建立的路由策略确定所述业务的备选路由路径；以及

资源分配单元，被配置为向与所确定的路由关联的节点分配资源。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述学习单元进一步包括：

纠正或排除单元，被配置为纠正或排除所述采集的信息中的、由于经过无线信道而出错的信息；

过滤单元，被配置为在经过纠正或排除的信息中，丢弃陈旧的路由信息和重复的路由信息；以及

推理单元，根据剩余的信息，将所述各节点运行的状况推理为节点理解的知识，从而构建出所述认知知识库。

7.如权利要求5所述的系统，其中，所述预建立的路由策略包括以下至少之一：

最短路径、最大带宽、最小时延、最大资源利用率、最大网络生存时间、以及负载均衡及其中两者或多个的折中。

8.如权利要求5所述的系统，其中，所述确定路由单元被配置为根据以下原则中的至少之一确定所述业务的备选路由路径：

如果在所述认知知识库中未搜索到所述备选路由路径，发起新的针对所述业务的路由信息泛洪，获取完成所述业务的备选路径；

如果在所述认知知识库只有一个备选的路由路径且该路径拥塞，则利用链路层的调度管理信息，通告各跳节点根据业务优先级和用户级别对该业务进行部分预留；

如果在所述认知知识库中只有一个备选路径且该路径资源充沛，则通告各跳节点该业务所需带宽进行全额预留；

如果在所述认知知识库中有多个备选路径且有多个路径具备独立承担该业务的能力，则从中选取时延最小和带宽足够的路径作为承担该业务的路由路径；以及

如果在所述认知知识库中有多个备选路径且没有路径能满足该业务的QoS需求，则通告各节点采用负载均衡策略，利用多信道技术进行多链路聚合。