CN102118312A - 一种分级aodv路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于感知带宽、负载和能量的分级AODV路由方法，包括如下步骤：源节点发出AODV路由请求报文；当前节点收到路由请求报文后，识别路由请求报文的业务类别和带宽需求，同时查询并计算自身的可用带宽、负载和能量剩余率；当前节点将自身负载和能量剩余率各分为三个级别，根据负载和能量剩余率的级别、及路由请求报文的业务类别，选择向目的节点立即转发、或延时转发、或丢弃路由请求报文。使用本发明方法，可以使网络建立起来的路由能够绕开负载较重和能量过低的节点，可以大大减少拥塞现象，延长网络生存时间。同时在每一个节点中为紧急业务预留能量，保证战时紧急通信业务的需要。

Description

一种分级AODV路由方法
技术领域
本发明涉及一种在高动态地面战术网络中，采用感知带宽、负载和能量的分级策略，实现减少拥塞、延长网络生存时间和保证战时紧急业务通信的AODV路由方案，属于移动Ad hoc网络路由技术领域。
背景技术
地面战术网络是由士兵、地面车辆等传感节点和指挥中心组成的一种自组织、高动态、多跳无线移动自组织网络。由于地面环境的作战场景瞬时万变，节点间的链路往往是不可靠的，这使得我们设计一个有效而且可靠地路由协议面临很大的挑战。AODV路由协议是由IETF的MANET（Mobile Ad Hoc Network）工作组推荐的路由协议之一，它是一种按需式的路由协议，相对主动路由来说，它具有实现简单并且性能优越的特点。主动路由需要进行周期性广播，网络协议负载较大，因此AODV路由在MANET中得到了广泛的应用。但在高动态的地面战术网络中，节点的负载和能量大小非常重要，如果节点的负载较重并且能量过低，会使得这个节点加剧死亡。假如该节点为网络核心节点，它的死亡会影响到整个网络的通信质量。目前的AODV路由协议并未考虑节点的负载和能量，在响应路由的过程中具有盲目性，导致拥塞和节点死亡过早的现象频频发生，特别是在有紧急业务通信需求的时候，网络中的死亡节点严重影响整个地面战术网络的通信质量。
针对AODV路由协议的不足，现有的技术主要有如下两种方案：
1．基于队列使用率的延时转发机制。为了提高包抵达率和降低时延，采用了一种通过监听节点中的队列长度，线性延时转发路由请求的策略，延时函数为                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 75209DEST_PATH_IMAGE002
，其中为延时系数，
Figure 149476DEST_PATH_IMAGE004
为队列使用率。当节点收到一个路由请求报文后，通过节点的队列长度线性决定延时时间，使得空闲节点先建立起路由。但是考虑到突发数据流的影响，仅通过监听队列中的队列具有不准确性，从而使建立起来的路由具有盲目性，达不到均衡网络资源的目的。
2．基于能量预警机制的方案。针对能量低的节点，目前有两种转发策略：一种是直接丢弃路由请求报文；一种是根据节点中的剩余能量延时转发路由请求报文。这两种机制都是通过减少能量低节点的路由相应，从而起到保护节点，延长网络生存时间的目的。但是假如网络中的一个节点能量过低，若采取的是直接丢弃策略，则这个节点对于任何路由请求都是不予响应，从而使得这个节点虽然从能量上没有死亡，但是它的状态和死亡的节点一样，出现“假死”状态。第二种策略一般都是通过线性函数决定延时转发时间，经研究发现，线性延时的效果并不佳。
发明内容
本发明的目的是，提出一种在路由发现过程中找出一条合理的路由方法，解决在地面战术网络中拥塞和节点死亡现象的频频发生问题，同时为战时紧急通信预留能量，以提高网络生存时间和服务质量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种分级AODV路由方法，包括如下步骤：
步骤一，源节点发出AODV路由请求报文，该路由请求报文中增加当前业务类别和带宽需求两种信息，业务类别分为紧急业务和普通业务两种；
步骤二，当前节点收到上述路由请求报文后，识别路由请求报文的业务类别和带宽需求，同时查询并计算自身的可用带宽、负载和能量剩余率；
步骤三，如果当前节点的可用带宽小于路由请求报文的带宽需求，则直接丢弃该路由请求报文；否则进入下一步；
步骤四，当前节点将自身负载和能量剩余率各分为至少2个级别，根据负载和能量剩余率的级别、以及路由请求报文的业务类别，选择向目的节点立即转发路由请求报文、或延时转发路由请求报文、或丢弃路由请求报文；
步骤五，目的节点收到路由请求报文时，返回路由应答报文   。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
在步骤二之前，当前节点收到路由请求报文后，首先查看自己最近是否收到过该路由请求报文，如果是，则直接丢弃报文；否则进入下一步。然后，当前节点查看自己是否为目的节点，如果是，返回路由应答报文；否则进入下一步。
在步骤四中，将节点负载
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分成三级，
Figure 730937DEST_PATH_IMAGE005
>0.8为拥塞，0.4<
Figure 52197DEST_PATH_IMAGE005
<0.8为负载较重，
Figure 118110DEST_PATH_IMAGE005
<0.4为负载较轻；将节点能量剩余率
Figure 730489DEST_PATH_IMAGE006
分成三级，
Figure 316191DEST_PATH_IMAGE006
>0.5为能量2级，0.1<
Figure 60549DEST_PATH_IMAGE006
<0.5为能量1-2级，
Figure 911962DEST_PATH_IMAGE006
<0.1为能量1级。
根据负载和能量剩余率的级别、以及路由请求报文的业务类别，当前节点对路由请求报文的处理方式为：
如果节点负载处于拥塞状态，则直接丢弃路由请求报文；
如果节点处于负载较重状态，当能量剩余率处于1级，若业务类别非紧急业务，直接丢弃路由请求报文，否则根据节点的负载和能量剩余率计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量剩余率处于1-2级时，根据节点的负载和能量剩余率计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量处于2级时，立即转发该路由请求报文；
如果节点处于负载较轻状态，当能量处于1级时，若非紧急业务，直接对该报文进行丢弃处理，否则根据节点的负载和能量剩余率计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量大于1级时，立即转发该路由请求报文。
本发明方法提出了一种基于感知带宽、负载和能量的分级AODV路由改进方法。通过使用本发明提出的方法，可以使网络建立起来的路由能够绕开负载较重和能量过低的节点，实现一定程度上的流量和能量均衡，同时在每一个节点中为紧急业务预留能量，保证战时紧急通信业务的需要。本方法可以大大减少拥塞现象，延长网络生存时间，并有效地保证了战时紧急通信的需要。
附图说明
图1是传统的AODV路由响应过程。
图2是改进后的AODV路由响应过程。
图3是改进后的AODV路由请求报文。
图4是改进后的详细AODV路由响应流程，表示本发明方法的流程示意。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1所示是传统的AODV路由响应过程，当前节点收到路由请求报文PREQ，首先判断自己是否为目的节点，再判断当前节点是否有到目的节点的路由项，再转发路由请求报文PREQ。图2则是在路由响应过程中运用了本发明提出的改进方法。两者相比可以发现，图2主要增加了4个功能模块：业务识别模块、信息采集模块、负载和能量定级模块、判断转发模块。与原来的路由方法相比，尽管增加了4个模块，但是算法的复杂性并没有明显提高。
下面给出几个新增模块功能的具体说明。
业务识别模块：本模块的功能是通过解析改进后的路由请求报文，识别当前业务类别
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（Service Type）和带宽需求
Figure 826566DEST_PATH_IMAGE008
（Requist Band）。图3是改进后的路由请求报文PREQ。在路由请求报文PREQ中有11个比特的预留字段，本专利把第一个比特设置为业务类别标志，用来区分普通业务和紧急业务；把剩下的10比特设置为带宽需求信息，用来记录本次请求的带宽信息。
信息采集模块：信息采集模块的功能是采集当前节点的可用带宽、负载和能量剩余率。
采集负载信息主要采用两种采集策略：
一是本地带宽利用率，通过周期性的监听数据链路层的信道使用情况来估计。假设当前时刻定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，一个周期定义为（单位为s），信道忙时定义为（单位为s），它包括以下三种状态：发送和接收数据，收到来自其它节点的RTS/CTS消息，以及载波监测信号强度。假设上一个周期的带宽利用率为
Figure 119717DEST_PATH_IMAGE012
，采用加权移动平均法来预测当前时刻
Figure 661688DEST_PATH_IMAGE009
的本地带宽利用率：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 176721DEST_PATH_IMAGE014
           （1）
其中
Figure 2011100293827100002DEST_PATH_IMAGE015
为加权系数。经过仿真分析发现，取0.1-0.3较为合理，
Figure 432963DEST_PATH_IMAGE015
取0.2时，公式（1）预测结果与节点的实际带宽利用率最为接近。此时节点的剩余带宽为：
                                （2）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为节点的最大可用带宽。
二是队列长度，假设当前监测到的队列长度定义为
Figure 780954DEST_PATH_IMAGE018
，节点最大队列长度定义为，
Figure 8804DEST_PATH_IMAGE020
为上一周期采集到的队列使用率，考虑到突发数据流的影响，同样采用加权移动平均法预测当前时刻t的队列使用率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 965451DEST_PATH_IMAGE022
     （3）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为加权系数。经过仿真分析，
Figure 777287DEST_PATH_IMAGE024
取0.1-0.3较为合理，取0.2时，公式（3）得到的队列使用率最为准确。
综合以上两种方法，可以得到节点的负载（NC，Node Capicity）为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，                     （4）
仿真表明，当一个队列出现转发等待时，节点出现拥塞的可能性大大提高。为了更好的体现队列利用率在节点负载中的权重，加权系数
Figure DEST_PATH_IMAGE027
取0.3-0.5较为合理，取0.4效果最佳。
节点的能量信息可以通过在路由层直接获取当前节点的剩余能量信息进行采集。假设当前节点的剩余能量为
Figure 798037DEST_PATH_IMAGE028
，节点初始能量为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，则节点的能量剩余率为
Figure 19809DEST_PATH_IMAGE030
                                     （5）
负载和能量定级模块：为了使当前节点根据自身的负载和能量对路由报文进行精确地响应，本专利把节点负载分成三级，如表1所示，即
Figure 820406DEST_PATH_IMAGE005
>0.8定义为拥塞，0.4<<0.8定义为负载较重，
Figure 810938DEST_PATH_IMAGE005
<0.4定义为负载较轻；同样把节点能量剩余率分成三级，如表2所示，
Figure 908338DEST_PATH_IMAGE006
>0.5定义为能量2级，0.1<
Figure 383182DEST_PATH_IMAGE006
<0.5定义为能量1-2级，<0.1定义为能量1级。本模块的作用是通过对节点的负载和能量分级使得中间节点可能出现的各种情况进行分类处理。
表1 节点负载分级
表2 节点能量剩余率分级
Figure 2011100293827A00800052
判断转发模块：本模块根据负载和能量定级模块传递的信息，决定对报文是立即转发、延时转发还是报文丢弃。假设
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为当前节点的可用率，另
Figure 673973DEST_PATH_IMAGE032
。针对延时转发，延时的时间长度是根据采集到的负载和能量信息来决定，延时公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
                （6）
其中
Figure 657978DEST_PATH_IMAGE034
为曲率系数，为延时系数。经过仿真表明，曲率系数取9-10较为合理，延时系数
Figure 692504DEST_PATH_IMAGE036
取0.4-0.6较为合理。曲率系数
Figure 765502DEST_PATH_IMAGE034
取10、延时系数
Figure 546507DEST_PATH_IMAGE036
取0.5时，网络中拥塞和节点死亡现象很少发生，网络性能最佳。
本发明方法利用上述功能模块，识别路由请求报文的业务类别和带宽需求，同时节点通过采集到的带宽利用率、队列和能量信息计算出自身的可用带宽、负载和能量剩余率，然后根据业务类别、带宽需求和节点的状态做出是立即响应、延时响应还是丢弃该报文。如图4，本发明方法包含的具体流程为：
1当一个节点收到一个路由请求报文后，发现最近没收到过该路由请求报文并且不是目的节点；
2业务识别模块解析路由请求报文，得到该业务类型
Figure DEST_PATH_IMAGE037
和请求的带宽；
3查询定时监测到的数据链路层MAC子层（Media Access Control ，媒体访问控制子层）的带宽忙时间和队列长度
Figure 845530DEST_PATH_IMAGE038
，然后利用公式（1）、（2）、（3）和（4）分别计算出节点的带宽利用率
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、队列使用率
Figure 859753DEST_PATH_IMAGE040
、可用带宽
Figure DEST_PATH_IMAGE041
和负载
Figure 879400DEST_PATH_IMAGE005
，并在路由层采集当前节点的剩余能量
Figure 4482DEST_PATH_IMAGE042
，然后利用公式（5）计算能量剩余率
Figure 366586DEST_PATH_IMAGE006
；
4如果请求的带宽资源
Figure 489394DEST_PATH_IMAGE008
>
Figure 622435DEST_PATH_IMAGE041
,则直接丢弃该路由请求报文；
5根据当前节点的负载信息
Figure 987427DEST_PATH_IMAGE005
和能量剩余率定级当前节点的负载和能量；
6如果节点处于拥塞状态，则直接丢弃该路由请求报文；
7如果节点处于负载较重状态，当能量处于1级，若非紧急业务，直接对该报文进行丢弃处理，否则根据节点的负载和能量利用公式（6）计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量处于1-2级，根据节点的负载和能量利用公式（6）计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量处于2级时，立即转发该路由请求报文；
8如果节点处于负载较轻状态，当能量处于1级时，若非紧急业务，直接对该报文进行丢弃处理，否则根据节点的负载和能量利用率利用公式（6）计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量大于1级时，立即转发该路由请求报文；
9全过程结束。
以下是本发明的一个具体实施例。节点A想和节点C进行通信，A只有一个邻居节点B，B只有邻居节点C。节点A为源节点，节点B为当前节点，节点C为目的节点。参照图4，工作过程如下：
1．节点A向邻居节点B转发一个想和C进行通信的路由请求，并在路由请求报文预留的字段上标注为1（紧急业务）和请求的带宽资源；
2节点B收到一个路由请求报文PREQ后，首先查看自己最近是否收到过该路由请求报文，如果是，则直接丢弃报文；否则查看自己是否是目的节点，如果是，发送一个路由应答报文PREP；
3如果节点B发现自己非目的节点，则会解析路由请求报文的预留字段，得到请求的业务类型
Figure 864224DEST_PATH_IMAGE007
和带宽资源
Figure 596687DEST_PATH_IMAGE008
；
4节点B查询定时监测到的数据链路层MAC子层的带宽忙时间
Figure 353291DEST_PATH_IMAGE011
和队列长度
Figure 316436DEST_PATH_IMAGE018
，然后利用公式（1）、（2）、（3）和（4）分别计算出B节点的带宽利用率
Figure 424070DEST_PATH_IMAGE039
、队列使用率
Figure DEST_PATH_IMAGE043
、可用带宽
Figure 9159DEST_PATH_IMAGE041
和负载
Figure 620269DEST_PATH_IMAGE005
，并在路由层采集当前节点的剩余能量
Figure 583677DEST_PATH_IMAGE044
，然后利用公式（5）计算能量剩余率；
5如果B的最大可用带宽
Figure 157933DEST_PATH_IMAGE008
小于请求的带宽资源，则直接丢弃该路由请求报文；
6依据负载和能量剩余率定级当前节点的负载和能量，节点B可能出现7、8、9以下三种情况，下面进行逐一判断；
7如果节点B负载等级为拥塞，则直接丢弃该报文；
8如果节点B负载等级为较重时，当能量处于1级，通过PREQ预留的字段发现本次PREQ为紧急业务时，则根据节点B的负载和能量利用公式（6）计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量处于1~2级时，则根据节点B的负载和能量利用公式（6）计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量处于2级时，则立即转发该路由请求报文；
9如果节点B负载等级为较轻时，当能量处于1级时，通过PREQ预留的字段发现本次PREQ为紧急业务时，，则根据节点B的负载和能量利用公式（6）计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量大于1级时，则立即转发该路由请求报文；
10当节点C由于拥塞没有收到来自B转发的路由请求报文时，节点A和节点C之间不能直接进行通信；当节点收到C来自B转发的路由请求报文时，节点C向节点B发送一个路由回复报文PREP，节点B收到来自C的PREP后，继续想节点A发送一个确认报文，节点收到B的确认后，把到C的路径添加到本地路由表中，此时A和C之间的通信建立；
11全过程结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分级AODV路由方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，源节点发出AODV路由请求报文，该路由请求报文中增加当前业务类别和带宽需求两种信息，业务类别分为紧急业务和普通业务两种；
步骤二，当前节点收到上述路由请求报文后，识别路由请求报文的业务类别和带宽需求，同时查询并计算自身的可用带宽、负载和能量剩余率；
步骤三，如果当前节点的可用带宽小于路由请求报文的带宽需求，则直接丢弃该路由请求报文；否则进入下一步；
步骤四，当前节点将自身负载和能量剩余率各分为至少2个级别；根据负载和能量剩余率的级别、以及路由请求报文的业务类别，选择向目的节点立即转发路由请求报文、或延时转发路由请求报文、或丢弃路由请求报文；
步骤五，目的节点收到路由请求报文时，返回路由应答报文。
2.根据权利要求1所述的分级AODV路由方法，其特征在于，在步骤二之前，当前节点收到路由请求报文后，首先查看自己最近是否收到过该路由请求报文，如果是，则直接丢弃报文；否则进入下一步；
当前节点查看自己是否为目的节点，如果是，返回路由应答报文；否则进入下一步。
3.根据权利要求1或2所述的分级AODV路由方法，其特征在于，在所述步骤二中，当前节点从数据链路层查询当前自身的带宽忙时间                                                
Figure 800444DEST_PATH_IMAGE001
和队列长度
Figure 872437DEST_PATH_IMAGE002
，然后按下述方法分别计算出当前节点的可用带宽和负载：
首先，采用加权移动平均法计算当前时刻的节点带宽利用率：
，
Figure 440194DEST_PATH_IMAGE004
其中，为当前时刻，
Figure 564062DEST_PATH_IMAGE006
为周期，
Figure 618737DEST_PATH_IMAGE007
为加权系数，
Figure 221757DEST_PATH_IMAGE008
为上一周期的带宽利用率；
计算当前节点的可用带宽为：
Figure 976480DEST_PATH_IMAGE009
     
其中
Figure 390275DEST_PATH_IMAGE010
为当前节点的最大可用带宽；
然后，采用加权移动平均法计算当前时刻的队列使用率： 
            
Figure 915934DEST_PATH_IMAGE011
，   
其中，为节点最大队列长度，
Figure 513640DEST_PATH_IMAGE014
为加权系数，为上一周期采集到的队列使用率；
计算当前节点的负载为：
Figure 802244DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 217045DEST_PATH_IMAGE017
    
为加权系数。
4.根据权利要求3所述的分级AODV路由方法，其特征在于，加权系数
Figure 518899DEST_PATH_IMAGE007
取0.1-0.3。
5.根据权利要求3所述的分级AODV路由方法，其特征在于，加权系数
Figure 267412DEST_PATH_IMAGE019
取0.1-0.3，
Figure 788917DEST_PATH_IMAGE018
取0.3-0.5。
6.根据权利要求3所述的分级AODV路由方法，其特征在于，在步骤二中，从路由层直接获取当前节点的剩余能量
Figure 777732DEST_PATH_IMAGE020
，节点初始能量为
Figure 765280DEST_PATH_IMAGE021
，计算节点的能量剩余率为：
Figure 301172DEST_PATH_IMAGE022
  。
7.根据权利要求6所述的分级AODV路由方法，其特征在于，在步骤四中，将节点负载分成三级，
Figure 503615DEST_PATH_IMAGE023
 >0.8为拥塞，0.4<
Figure 850282DEST_PATH_IMAGE024
<0.8为负载较重，
Figure 300025DEST_PATH_IMAGE024
 <0.4为负载较轻；将节点能量剩余率分成三级，
Figure 203390DEST_PATH_IMAGE025
>0.5为能量2级，0.1<<0.5为能量1-2级，
Figure 276443DEST_PATH_IMAGE025
<0.1为能量1级。
8.根据权利要求7所述的分级AODV路由方法，其特征在于，当前节点对路由请求报文的处理方式为：
如果节点负载处于拥塞状态，则直接丢弃路由请求报文；
如果节点处于负载较重状态，当能量剩余率处于1级，若业务类别非紧急业务，直接丢弃路由请求报文，否则根据节点的负载和能量剩余率计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量剩余率处于1-2级时，根据节点的负载和能量剩余率计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量处于2级时，立即转发该路由请求报文；
如果节点处于负载较轻状态，当能量处于1级时，若非紧急业务，直接对该报文进行丢弃处理，否则根据节点的负载和能量剩余率计算延时时间，延时转发该路由请求报文；当能量大于1级时，立即转发该路由请求报文。
9.根据权利要求8所述的分级AODV路由方法，其特征在于，所述延时时间的长度根据负载和能量剩余率来决定，延时时间的计算方法为：
设为当前节点的可用率，令
Figure 932257DEST_PATH_IMAGE027
；
延时时间为：
Figure 30663DEST_PATH_IMAGE028
    
其中为曲率系数，
Figure 653723DEST_PATH_IMAGE030
为延时系数。
10.根据权利要求9所述的分级AODV路由方法，其特征在于，所述曲率系数
Figure 397425DEST_PATH_IMAGE029
取9-10、延时系数
Figure 366650DEST_PATH_IMAGE031
取0.4-0.6。
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