CN102368864A - 基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法。主要包括以下步骤：首先节点根据受干扰状态的识别确定干扰活跃度(interference activity：IA)值，然后将节点干扰活跃度值引入到多路径路由协议中；接着利用节点的IA值结合多路径发现机制完成源节点到目的节点的路由发现，并基于干扰活跃度值实现干扰避免的路由选择和维护。本发明可以为无线网络环境比较复杂的节点提供相对受干扰程度最小的路由，并且寻找到的路径数量相对于AOMDV比较多且不存在环路及“cut-off”问题，其协议开销较小，改善了原有多路径路由协议，使其能够适应更加复杂的无线网络环境。

Description

基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法

一技术领域

本发明提出了一种基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法，具体是通过对多跳无线网络节点受到干扰的特性分析，综合考虑网络端到端可靠性与QoS(Quality of Service)需求，给出具有抗干扰能力的路由算法，属于无线通信网络技术领域。

二背景技术

多跳无线网络(Multi-Hop Wireless Network：MHWN)是指终端基于无线链路通过多跳模式达到目的终端实现信息传输的网络。在多跳无线网络中，终端设备(节点或战术电台)既可以是报文产生方也可以是报文转发方。由于多跳技术是实现网络普适性的关键技术之一，因此在战术无线网、移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks：MANETs)、认知无线网络、无线传感器网络中得到广泛应用。

但多跳无线网络的多跳通信也带来了新的问题，由于对前向路径的未知性，其更加容易受到网内自干扰、外界敌意干扰、被动窃听、拒绝服务、伪造等各种攻击。传统通信中的许多抗干扰策略和机制都将难以适用更加多样化的干扰，如新型网络层Wormhole、blackhole、泛洪干扰以及跨越多层的DoS(Denial-of-Service)干扰等，端到端可靠性传输更加难以保证。因此，研究面向多跳无线网络满足一定QoS需求的新型抗干扰组网协议显得日益紧迫。

多路径路由是基于利用网络连接的冗余性提出的一种算法，典型的有MSR、AODV-BR、AOMDV等协议。由于多路径路由协议可以在链路中断的情况下自行选取备份路由，因此其在可靠性及保证传输QoS方面具有非常明显的优势。但先前研究的多路径路由算法，大多集中于建立源到目的节点的多条路径，而对路由的选择及中间节点的路由优化没有关注，由于多跳无线网络面临着复杂的干扰攻击，因此，将干扰问题引入到多路径的创建和选择优化上来无疑将对提高端到端传输的可靠性、QoS具有重要的意义。

三发明内容

一种基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法，用于为多跳无线网络源节点找到多条有效路由。其内容包括干扰活跃度估计算法、路由发现方法、路由维护与选择方法，具体包括以下步骤：

1)节点根据受干扰状态的识别确定干扰活跃度值(干扰活跃度估计)；

2)将节点干扰活跃度值引入到多路径路由协议中(路由发现方法)；

3)利用节点的干扰活跃度，结合多路径发现机制，完成源节点到目的节点的路由发现，并基于干扰活跃度值实现干扰避免的路由选择和维护(路由维护与选择方法)；

所述步骤1)中，节点根据干扰活跃度估计算法，周期性的维护更新自身的干扰活跃度值，并通过HELLO包实现对邻居节点活跃度值的获取；

所述步骤2)中，根据所产生的活跃度值，所述源节点在有包待发、且存在到达目的节点的路由时，即存在有效路由时，活跃度值低的下一跳被选择，当不存在有效路径时，源节点发起多路径路由发现机制；

所述步骤3)中，根据多路径路由发现机制源节，获得到达目的节点的多条路由，这些路由根据所获得干扰活跃度值，来实现路由的选择和维护。

1、干扰活跃度估计算法具体如下：

定义干扰状态变量：设在可用频点数为N的节点中，节点干扰状态变量定义为N维向量，即 $\stackrel{\→}{\mathrm{\Λ}}=(a_1,a_2,a_3,...,a_N),$ 其中，

即当节点的第i频点处于被干扰状态时，其节点干扰状态变量置为1，否则置为0。显然，

共有2^N种可能的状态变量，并且其是随时间变化的。其实在网络中，我们最关心的是被干扰频点总数，即则Λ_j＝j，j＝0，1，...，N。当N＝1时，上述定义退化为单信道工作场景，即Λ＝0表示节点没有被干扰，或Λ＝1表示节点处于被干扰状态。

定义干扰活跃度(Interference Activity：IA)：定义为在时间观测区间[0，L]内，处于Λ_j状态的时间与总观测时间的比值。即

$A_j=\frac{1}{L}{\∫}_0^L{1}_{[\mathrm{\Λ}\left(t\right)={\mathrm{\Λ}}_j]}{d}_t---\left(2\right)$

其中，

表示在时间t时，如果Λ(t)＝Λ_j，则否则为0。显然，

其物理意义为：节点处于被干扰状态的频点数j在统计时间内的比值，显然j反映了节点的受干扰程度，而A_j反映了处于该干扰状态j的活跃程度。显然，当N＝1，L→∞时，A₁等效为干扰在某时刻发起的稳态概率。

干扰活跃度估计步骤为，节点首先判断自身受干扰状态，然后统计在规定时间间隔内节点处于被干扰状态的时间比值。

2、路由发现方法如下：

当源节点想传一笔数据包到目的节点时，会先确认路由表是否有到达目的节点的路径信息。如果已存在，源节点会将封包传送至欲到达目的节点的下一个节点。反之若路由表里并无有效路径，来源节点则以洪泛的方式广播一种为RREQ的控制包，当邻近节点是第一次收到RREQ封包时，会将封包内的信息记录在路由表并建立反向路径后继续执行广播动作，考虑到广播风暴问题，对于第一次接收到RREQ的中间节点，其根据自身节点的IA值进行RREQ的优先权转发，IA值低的节点其转发优先权越高，这样可以保证当多个中间节点接收到相同的RREQ包时，受干扰程度的最低的节点最先建立骨干路径。如图1所示，当节点1转发RREQ后，节点3、4、5第一次接收到相同的RREQ并分别转发，而节点8只在侦听到第一次RREQ时建立反向路径，如果节点5的IA值低，其优先权最高将会首先转发RREQ，则节点8将建立下一跳为节点5的反向路径，因此其后的RREP将沿着该路径返回到源节点。具体方法是采取基于退避发送的方式，即基于退避窗口随机选取退避值。退避窗口值设为W＝2^a+c，其中，a表示给定的整数，c表示优先级，节点优先级越高c值越小。

此外，RREQ封包本身建有Broadcast ID的字段，主要是当作唯一的辨识码，每当一个节点发送RREQ封包时Broadcast ID字段加1，让收到RREQ封包的节点可以辨识出是从同一节点所发送的，用以避免作相同的处理(注意是发起RREQ的节点增加Broadcast ID号，转发节点不增加)。假如从其它邻近节点接收到重复的RREQ封包时，这时节点会比对此RREQ封包内的sequence number以及hop count和之前反向路径所记录的sequence number以及hop count。假设收到重复RREQ封包的sequence number和hopcount为rq_src_seqno及rq_hop_count，反向路径设为rt0，其所记录的sequence number和hop count则假设为rt0_seqno以及rt0_advertised_hop。条件如下：(rt0_seqno＜rq_src_seqno)||((rt0_seqno＜＝rq_src_seqno)&&(rt0_advertised_hop＞rq_hop_count))，当上列条件成立时节点才会将此RREQ封包内的路径信息记录至路由表作更新的动作。类似于AOMDV的advertised_hop机制，当接收到的RREQ或RREP的sequence number和hop count与本地路由信息均相同时，检测RREQ或RREP的包携带的IA值，当IA＜IA_min时才进行路由更新。

在目的节点接收到RREQ封包时会建立RREP的控制封包来回传给来源节点，这个地方的做法跟传送RREQ相同，需要注意的是RREP是单播，传送过程当中建立正向路径至目的节点，而这条正向路径就是要让来源节点来传送数据封包用的。在AOMDV协议中，当目的节点接收到RREQ后，其将只对所有来自不同rq_first_hop的RREQ应答RREP，这将会造成大量可行路径被浪费。如图2所示，当目标节点D接收到来自节点3、6、7、10的RREQ请求包后，其将只会建立节点D-＞7(假设节点7)和节点D-＞10的反向路径并分别沿反向路径应答RREP单播，这样的话路径1-＞2-＞3-＞D、1-＞4-＞6-＞D将不能被发现。不同于AOMDV协议中的做法，为了建立多条路径并保证不存在环路，这里将不同的节点进行分类，即分为骨干节点和边界节点。骨干节点定义为存在上行和下行链路的节点，而边界节点定义为只有上行链路而不存在下行链路，为了使得节点能够识别出自己是否为骨干节点，在RREQ扩展域中引入rq_last_hop，这样其下行链路节点在转发RREQ时将会使上游节点判断出自己是否被作为了上一跳，从而可以确定是否存在下行链路，也就确定了自己是否为骨干节点。由于我们在路由发现中引入了节点受干扰状态因子，因此，IA值越低的节点其成为骨干节点的可能性越大。对于RREP的接收处理，我们做如下改进：即对于边界节点采取对RREP的偷听；对于骨干节点则知接收到达自身的RREP。具体为当中间节点接收到RREP后，如果当前节点为骨干节点，则直接转发RREP到前驱节点，且只转发一次，当多次侦听到相同RREP包时则只更新到目的节点的路由表而不再转发RREP。边界节点偷听到RREP包后，首先建立到目的节点的前向路径，然后基于已建立的反向路由转发RREP，为了防止环路，边界节点也只偷听一次RREP包。表1、表2、表3分别给出了RREQ格式表、RREP格式表及路由表结构。

3、路由维护与选择方法具体如下：

目前，在多跳无线网络路径维护上，有分为路由表信息维护及路径断裂时的处理，路由表信息维护是指当有路径有一段时间尚未被使用过，则节点里的路由表信息将会被清空。而面对路径断裂的处理状况有分两种，一种为传送RERR的控制封包给来源节点，RERR在回传给来源节点时会依序将跟这条路径有关的信息清除，同时为了减少路由发现次数，本方法在接收到RERR包的每一个中间节点都检查是否存在上一跳不可达目的节点可用备份路径，一旦发现存在备选路径则不再上传RERR，否则继续转发RERR，由源节点选择其它可以抵达目的节点的路径。同时基于周期性的HELLO包广播，获取邻居节点的IA值，并进行路由更新。

路由选择方法，在路由选择策略上，如果是采取并行传输机制，根据IA值在不同路径上进行负载分配，其分配算法为：如果是采取备份路由传输机制，则路由选择根据IA值确定，即当IA较小的路径其优先权越高，当两条路径IA值相近时，即|IA_i-IA_j|≤threshold时，则根据hop-count确定，即hop-count较小者具有更高优先权。

四附图说明

图1是路由请求拓扑生成图；

图2是多路径路由发现拓扑图。

表1：RREQ格式表

表2：RREP格式表

表3：路由表

五具体实施方式

结合附图，下面介绍基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法具体实施方法：

节点通过以下的具体实施方式实现干扰活跃度的估计：设定统计时间间隔为L，分别统计节点处于受干扰状态的时间，以单信道为例，可直接求取时间比值，为了防止波动，可采取指数滑动平均方式。

为了有效识别干扰对网络的影响，针对可能存在的不同干扰类型，拟采用以下几种方法来实现对节点受干扰状态的识别：

a.干扰信号强度大于一定阈值而又不能解析出任何数据；

b.发起数据传输时连续丢包次数大于一定阈值；

c.在给定阈值时间内接收不到任何邻居广播包\数据包；

d.在给定阈值时间内信道始终处于BUSY状态。

当满足以上条件之一时表明节点处于被干扰状态。实际应用中可根据应用场景和需求分别选用主动式发现和被动式发现。主动式发现即为周期性发起探测包，检测丢包情况，利用特征判据b，可以检测出有源干扰、DOS(拒绝服务)类型干扰条件下的受干扰状态；被动式发现一是监听信道，通过判据a、d可以检测出有源干扰，但无法检测出wormhole等干扰，二是监听广播包、数据包等，通过判据c可以检测出有源干扰，但无法检测出被动式干扰。

结合图2所示，拓扑中的每个节点将以统计时间L为周期不断更新自己的IA值。当源节点S想传一笔数据封包到目的节点D时，会先确认路由表是否有到达目的节点的路径信息。如果存在到目的节点的路由，假定采取备份路由机制，则其根据路由表的Path_list下一跳IA值选择。当不存在到目的节点D的路由时，其将发起RREQ包，节点1、8接收到RREQ后，将分别记录到源节点S的反向路径，并分别设置rq_first_hop及last_hop，然后根据本地的IA值设定退避窗口，待随机退避后继续转发RREQ包。节点2、4、5在接收到节点1转发的RREQ包后，分别建立里到源节点S的反向路径，同样设置RREQ包的rq_first_hop及last_hop，然后类似于节点1基于IA值的优先权转发机制分别广播RREQ包。假设节点5最先广播RREQ，则节点6则只建立到下一跳为节点5的反向路径；而节点7则基于RREQ包的rq_first_hop会分别建立下一跳分别为5、9的反向路径。节点4由于没有侦听到last_hop为自己的RREQ包，则其将设自己为边界节点。同样的方法可以确定节点3、6为边界节点。当目的节点D分别接收到来自节点7与节点10广播的RREQ后，其将分别应答RREP单播。骨干节点7、10在侦听发往自己的RREP后，将沿先前已经建立的反向路径上传到前驱节点，骨干节点不对RREP进行偷听，但是会对发送到自身的RREP根据序列号和跳数条件建立前向路径。而边界节点3、6偷听到RREP后，如果是第一次，则建立到目的节点的前向路径，同时转发RREP到自己的前驱节点。如图2所示，节点7直接转发RREP到5，节点6也会转发RREP到5，节点5只转发一次RREP，但是会建立下一跳为6的前向路径。基于相似的方法，源节点会建立到达目的节点D的多条相交路径。此时，源节点将依据下一跳IA值灵活的选取路径，从而可以确保其沿着受干扰程度最小的路径到达目的节点。

Claims (10)

1.一种基于干扰活跃度估计的动态多路径路由算法，用于为多跳无线网络源节点找到多条有效路由，其特征在于包括以下步骤：

1)节点根据受干扰状态的识别确定干扰活跃度值；

2)将节点干扰活跃度值引入到多路径路由协议中；

3)利用节点的干扰活跃度，结合多路径发现机制，完成源节点到目的节点的路由发现，并基于干扰活跃度值实现干扰避免的路由选择和维护；

所述步骤1)中，节点根据干扰活跃度估计算法，周期性的维护更新自身的干扰活跃度值，并通过HELLO包实现对邻居节点活跃度值的获取；

所述步骤2)中，根据所产生的活跃度值，所述源节点在有包待发、且存在到达目的节点的路由时，即存在有效路由时，活跃度值低的下一跳被选择，当不存在有效路径时，源节点发起多路径路由发现机制；

所述步骤3)中，根据多路径路由发现机制源节点获得到达目的节点的多条路由，这些路由根据所获得干扰活跃度值，来实现路由的选择和维护。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，干扰活跃度值是基于以下活跃度估计算法实现：

a、定义干扰状态变量：设在可用频点数为N的节点中，节点干扰状态变量定义为N维向量，即 $\stackrel{\→}{\mathrm{\Λ}}=(a_1,a_2,a_3,...,a_N),$ 其中，

即当节点的第i频点处于被干扰状态时，其节点干扰状态变量置为1，否则置为0；

共有2^N种可能的状态变量，并且是随时间变化的；在实际网络中，最关心的是被干扰频点总数，即

则Λ_j＝j，j＝0，1，...，N；当N＝1时，上述干扰状态变量定义退化为单信道工作场景，即Λ＝0表示节点没有被干扰，或Λ＝1表示节点处于被干扰状态；

b、再定义干扰活跃度：定义为在时间观测区间[0，L]内，处于Λ_j状态的时间与总观测时间的比值，即

$A_j=\frac{1}{L}{\∫}_0^L{1}_{[\mathrm{\Λ}\left(t\right)={\mathrm{\Λ}}_j]}{d}_t---\left(2\right)$

其中，

表示在时间t时，如果Λ(t)＝Λ_j，则

否则为0；显然，

其物理意义为：节点处于被干扰状态的频点数j在统计时间内的比值，j反映了节点的受干扰程度，而A_j反映了处于该干扰状态j的活跃程度；则当N＝1，L→∞时，A₁等效为干扰在某时刻发起的稳态概率；

干扰活跃度估计步骤为，节点首先判断自身受干扰状态，然后统计在规定时间间隔内节点处于被干扰状态的时间比值。

3.根据权利要求1所述方法，其特征是所述步骤2)中，将节点分为骨干节点和边界节点两类；骨干节点定义为存在上行和下行链路的节点，边界节点定义为只有上行链路而不存在下行链路。

4.根据权利要求1所述方法，其特征是所述步骤2)中，当源节点传一批数据封包到目的节点时，先确认自身路由表是否有到达目的节点的路径信息；如果已存在，源节点将封包传送至欲到达目的节点的下一个节点，若路由表里无有效路径，源节点广播RREQ的控制封包；当邻近的中间节点是第一次收到RREQ封包时，将封包内的信息记录在自身路由表并建立反向路径后继续执行广播动作。

5.根据权利要求4所述方法，其特征是对于第一次接收到RREQ的中间节点，该节点根据自身节点的干扰活跃度值进行RREQ的优先权转发，干扰活跃度值低的节点的转发优先权高，保证当多个中间节点接收到相同的RREQ包时，受干扰程度的最低的节点最先建立骨干路径。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，节点类别识别的方法为，在RREQ扩展域中引入rq_last_hop(RREQ上一跳节点号)，这样其下行链路节点在转发RREQ时将会使上游节点判断出自己是否被作为了上一跳，从而可以确定是否存在下行链路，也就确定了自己是否为骨干节点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在路由发现步骤中，不同类别节点对于RREP的接收处理方法不同。

对于边界节点采取对RREP的偷听，对于骨干节点则只接收到达自身的RREP；

具体为当中间节点接收到RREP后，如果当前节点为骨干节点，则直接转发RREP到前驱节点，且只转发一次，当多次侦听到相同RREP包时则只更新到目的节点的路由表而不再转发RREP；

边界节点偷听到RREP包后，首先建立到目的节点的前向路径，然后基于已建立的反向路由转发RREP，为了防止环路，边界节点也只偷听一次RREP包。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)中，路由选择的方法：

如果是采取并行传输机制，根据干扰活跃度值IA在不同路径上进行负载分配，分配方法为：

$a_i=1-\frac{{\mathrm{IA}}_i}{\underset{i\∈\mathrm{path}\_\mathrm{list}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{IA}}_i};$

如果是采取备份路由传输机制，则路由选择根据IA值确定，即IA小的路径其优先权越高，当两条路径干扰活跃度值IA相近时，即|IA_i-IA_j|≤threshold(网络设定的阈值)时，则根据hop-count(跳数)确定，即hop-count较小者具有更高优先权。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)中，路由维护的方法是基于周期性的HELLO包广播，获取邻居节点的IA值，并进行路由表中IA域值的更新；当检测到某个邻居节点的IA值大于给定阈值时，且该节点是到达目的节点的唯一下一跳时，则向前驱节点发送RERR包。

10.按照权利9所述的方法，其特征在于，对于RERR的处理方式为，在接收到RERR包的每一个节点都检查是否存在后驱节点不可达目的节点可用备份路径，一旦发现存在备选路径则不再上传RERR，否则继续转发RERR，由源节点选择其它可以抵达目的节点的路径，从而可以有效的减少路由发现次数。

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