CN102938920B - 一种基于认知的Ad Hoc网络移动组播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于认知的Ad？Hoc网络移动组播路由方法，具体步骤：步骤一：节点开机，物理层扫描可用信道信息；步骤二：物理层选取某一接收节点为核节点，同时对可用频谱信息进行探测，将可用信道信息交付网络层；步骤三：核节点发送MA-RREQ生成组播树，为每个组播组建立一棵基于核节点的组播树，MA-RREQ中包含核节点可用信道信息；步骤四：MA-RREQ消息中的核节点可用信道信息重写入MA-RREP消息，接收节点发送MA-RREP消息至核节点；步骤五：核节点提取MA-RREP消息，并计算信道可用概率，即信道优先级；步骤六：组播树和信道调度机制（数据链路层执行）生成，进行组播通信。有效的减少多个组播组之间的信道干扰，改善整个网络的吞吐量性能。

Description

一种基于认知的Ad Hoc网络移动组播路由方法

技术领域

本发明涉及一种移动组播路由方法，尤其涉及一种基于认知的AdHoc网络移动组播路由方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，传统的固定无线网络已经不能满足人们日益增长的通信要求。移动AdHoc网络是一种具有多跳、自组织且无基础设施等特点的无线网络，可快速组网，在军事、救灾、个人通信以及传感器网络等领域有着广泛的应用前景，是未来通信研究的方向之一。由于AdHoc网络的移动多跳性以及链路带宽和能量受限等特点，组播成为该网络中数据传输、提高带宽利用率的重要传输方式。现有的移动AdHoc网络中组播路由协议主要分为基于树的组播路由、基于网格的组播路由和混合状的组播路由。研究分析表明：基于树的组播路由协议数据传输效率高，数据延时低，但是由于网络拓扑的动态变化使得协议需要对链路进行频繁的修补和重构，协议的鲁棒性较差；基于网格的组播路由协议健壮性比较好，有冗余的路径为数据的投递提供保证，但是由于数据的冗余导致传输时延比较大；混合状的组播路由协议能同时兼顾数据传输效率与鲁棒性，但是协议的控制开销较大。

随着无线多媒体技术、无线局域网技术、无线局域网技术和无线城域网技术的快速发展及应用，不但接入网络用户数剧增，而且用户对宽带要求更高。这种快速的发展使无线通信技术发展遇到一个瓶颈问题——频谱资源不足，近年来的调查表明，传统的无线频谱固定分配方法导致频谱的利用率极低，只有5%-10%，因此，认知无线电（CR）技术作为一种解决无线通信中频谱资源稀缺的方案被提出，其核心在于一种动态频谱接入技术（DSA），即认知用户动态的接入当前不被授权用户占用的频谱空穴中进行通信。当前的认知无线电研究主要集中于物理层的频谱感知，数据链路层的频谱调度以及网络层基于认知的单播路由协议，将认知技术和移动AdHoc网络组播路由算法相结合还是块研究空白。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于认知的AdHoc网络移动组播路由方法，具有提高PUMA协议的鲁棒性和网络的吞吐量性能的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于认知的AdHoc网络移动组播路由方法，具体步骤为：

步骤一：节点开机，物理层扫描可用信道信息；

步骤二：物理层选取某一接收节点为核节点，同时对可用频谱信息进行探测，将可用信道信息交付网络层；

步骤三：核节点发送MA-RREQ生成组播树，为每个组播组建立一棵基于核节点的组播树，MA-RREQ中包含核节点可用信道信息；

步骤四：MA-RREQ消息中的核节点可用信道信息重写入MA-RREP消息，接收节点发送MA-RREP消息至核节点

步骤五：核节点提取MA-RREP消息，并计算信道可用概率，即信道优先级；

步骤六：组播树和信道调度机制（数据链路层执行）生成，进行组播通信。

所述步骤三的具体步骤为：

（3-1）组播组中的接收节点通过发送MA数据包来竞争核心节点的位置；

（3-2）最终具有最高ID的接收节点成为组播组的核节点；

（3-3）选定的核节点在其可用信道集合上以轮循的方式发送MA-RREQ数据包用于组播树的建立；

（3-4）中间节点建立自己的连通列表，并根据如下原则：

（a）优先选择属于本组播树上的成员；

（b）否则，选取不属于任何组播组的成员；

（c）若邻节点均隶属某个组播组，则选取隶属于组播组数目最少的节点；选取自己的父母节点和子节点，将隶属多个组播组的节点数目降至最低。

所述步骤五的具体步骤为：

（5-1）在组播树的生成过程中，核节点的可用信道信息被写入MA-RREQ消息中传递到每个接收节点；

（5-2）写入MA-RREQ消息中核节点的可用信道信息被重写入一种定义为MA-RREP的消息中；

（5-3）MA-RREP由每个接收节点沿组播树发送给核心节点；

（5-4）中间节点重写接收到的MA-RREP消息中的可用信道表项，在对应的自己当前的可用信道上加1；

（5-5）核心节点将每个接收节点发送的MA-RREP消息中的信道信息汇总，并根据公式（1）的算法计算出信道各自的优先级，选取优先级较高的信道用于当前的组播通信，

$P\left(C_k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{(\mathrm{MA}-\mathrm{RREP})}_i}{N},1\≤k\≤m---\left(1\right),$

其中，我们假设组播组中包含N个节点，其中叶子节点的数字为n，核节点的可用信道数目为m，m的范围为1~13，C_k均代表信道，k信道的标号，C_k(MA-RREP)_i表示从第i个接收节点发送来的MA-RREP消息中C_k可用信道的数值，此数值在MA-RREP回传核节点过程中被中间节点更新重写。N表示当前组播组中成员节点数目，包含叶子节点和中间转发节点，其中n为叶子节点数目。

所述网络中的每个节点在通信过程中动态的维护自己的信道信息表，具体划分为3种类型：

所有信道集合：AL={C₀,C₁,C₂,……C_k}；

可用信道集合：AV={C₁,C₄,C₇,C₁₀}；

激活信道集合：AC={C₄}；

所有信道集合为节点在冷启动过程中扫描到的所有信道，可用信道集合为从所有信道集合中过滤掉当前被占用的信道，节点从可用信道集合中选择其一用于当前通信，即激活信道集合，C_k均表示信道。

本发明的有益效果：节点的移动以及可用信道的失效会导致通信链路的中断，本发明允许核心节点在优先级较高的3个信道之间切换以修复因信道的失效而中断的通信链路，否则由中断节点发送MA-RERR报文递交于核心节点，MA-RERR报文中包含最新的可用信道信息，核心节点据此进行新一轮信道优先级的计算及分配，本发明通过合理利用节点的认知能力，让节点高效的控制当前可用信道信息，并给组播组分配优先级较高的信道，有效的减少多个组播组之间的信道干扰，从而改善整个网络的吞吐量性能。

附图说明

图1为本发明采用的跨层机制的原理图；

图2为本发明提出的CR-PUMA算法中MA-RREQ消息传播图；

图3为本发明提出的CR-PUMA算法中组播树的生成图；

图4为本发明的流程图；

图5为在改变节点移动速率的条件下，CR-PUMA，PUMA，MAODV三种组播算法投包率性能的比较图；

图6为在改变源节点发包率的条件下，CR-PUMA，PUMA，MAODV三种组播算法投包率性能的比较图；

图7为在改变节点移动速率的条件下，CR-PUMA，PUMA，MAODV三种组播算法吞吐量性能的比较图；

图8为在改变源节点发包率的条件下，CR-PUMA，PUMA，MAODV三种组播算法吞吐量性能的比较图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，图1为CR-PUMA算法跨层机制原理图，图4是为本发明的流程图；

下面结合发明框图2和图3，对本发明所设计CR-PUMA算法的工作过程进一步说明，图2中的数字1至11表示网络中的节点。

CR-PUMA算法包括路由生成和信道调度两个主要模块。路由生成通过依赖PUMA路由算法来为每个组播组建立一棵基于核节点的组播树，组播树的建立通过核心节点发送MA-RREQ消息来完成，每个MA-RREQ消息中细化了核节点ID，核节点可用信道集合，组播组ID，报文序列号，通过序列号的更新来丢弃重复的过期的报文。中间节点在选择自己的父母节点时，遵循本发明中的如下原则：

（a）优先选择属于本组播树上的成员；

（b）否则，选取不属于任何组播组的成员；

（c）若邻节点均隶属某个组播组，则选取隶属于组播组数目最少的节点这样可以保证本发明建立的组播树多个组播组之间的干扰达到最小。

信道调度模块由核心节点来完成信道优先级的计算和分配。信道优先级由公式（1）获得：

$P\left(C_k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k{(\mathrm{MA}-\mathrm{RREP})}_i}{N},1\≤k\≤m---\left(1\right)$

我们假设组播组中包含N个节点，其中叶子节点的数字为n，核节点的可用信道数目为m，m的范围为1~13，C_k均代表信道，k信道的标号，C_k(MA-RREP)_i表示从第i个接收节点发送来的MA-RREP消息中C_k可用信道的数值，此数值在MA-RREP回传核节点过程中被中间节点更新重写。N表示当前组播组中成员节点数目，包含叶子节点和中间转发节点，其中n为叶子节点数目，然后核节点根据公式（2）分配信道C用于当前的组播通信：

C＝argMAX{P(C₁),P(C₂)......P(C_m)}(2)

其中，核节点的可用信道数目为m,C₁,C₂……C_m均代表可用信道。

本发明采用的仿真条件如表1所示，本发明所获得的效果可以通过图5、图6、图7和图8仿真实验中所获得的具体数据进一步说明。为了说明采用本发明的组播路由协议CR-PUMA相对于不采用本发明的传统的PUMA和MAODV协议的优越性，图5、图6、图7和图8分别给出了两种机制下性能的比较，即投包率和网络吞吐量随着节点移动速率和网络负载变化的性能比较。如图5和图7所示，随着节点移动速率的变大，网络拓扑结构的变化导致链路的中断和数据包的丢失，网络的投包率和吞吐量性能出现显著的下降，本发明的CR-PUMA算法在节点以20m/s的速度运动的条件下，仍能取得高于0.85的投包率和分别高于PUMA12%和MAODV14%的吞吐量。网络负载的变化对三种路由算法的影响如图6和图8所示，过多的数据包导致网络中冲突加剧，数据包丢失，但是网络的吞吐量依然呈现出上涨的趋势，而本发明的CR-PUMA算法在此方面能够显现出较大的优势，本发明中减少了组播组之间的信道干扰，选取最高优先级的信道用于数据包的分发，有效地提高了网络的吞吐量性能。

表1：仿真配置参数列表

参数	值域
		仿真器	NS-2
节点数目	100
		仿真时间	900s
仿真区域大小	1500m*900m
		节点放置	随机
停顿时间	0
		移动模型	随机位点模型
节点覆盖范围	250m
		MAC层协议	IEEE802.11DCF
数据包大小	512bytes

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于认知的AdHoc网络移动组播路由方法，其特征是，具体步骤为：

步骤一：节点开机，物理层扫描可用信道信息；

步骤二：物理层选取某一接收节点为核节点，同时对可用频谱信息进行探测，将可用信道信息交付网络层；

步骤三：核节点发送MA-RREQ生成组播树，为每个组播组建立一棵基于核节点的组播树，MA-RREQ中包含核节点可用信道信息；

步骤四：MA-RREQ消息中的核节点可用信道信息重写入MA-RREP消息，接收节点发送MA-RREP消息至核节点；

步骤五：核节点提取MA-RREP消息，并计算信道可用概率，即信道优先级；

步骤六：组播树和信道调度机制生成，进行组播通信；

所述步骤五的具体步骤为：

(5-1)在组播树的生成过程中，核节点的可用信道信息被写入MA-RREQ消息中传递到每个接收节点；

(5-2)写入MA-RREQ消息中核节点的可用信道信息被重写入一种定义为MA-RREP的消息中；

(5-3)MA-RREP由每个接收节点沿组播树发送给核节点；

(5-4)中间节点重写接收到的MA-RREP消息中的可用信道表项，在对应的自己当前的可用信道上加1；

(5-5)核节点将每个接收节点发送的MA-RREP消息中的信道信息汇总，并根据公式(1)的算法计算出信道各自的优先级，选取优先级较高的信道用于当前的组播通信，

$P\left(C_k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_k{(MA-RREP)}_i}{N},1\≤k\≤m---\left(1\right)$

其中，N表示：组播组中包含的节点数，m表示：核节点的可用信道数目，m的范围为1～13，C_k均代表信道，k为信道的标号，C_k(MA-RREP)_i表示从第i个接收节点发送来的MA-RREP消息中C_k可用信道的数值，此数值在MA-RREP回传核节点过程中被中间节点更新重写；P(C_k)则表示信道k的优先级。

2.如权利要求1所述一种基于认知的AdHoc网络移动组播路由方法，其特征是，所述步骤三的具体步骤为：

(3-1)组播组中的接收节点通过发送MA数据包来竞争核节点的位置；

(3-2)最终具有最高ID的接收节点成为组播组的核节点；

(3-3)选定的核节点在其可用信道集合上以轮循的方式发送MA-RREQ数据包用于组播树的建立；

(3-4)中间节点建立自己的连通列表并根据特定原则选取自己的父母节点和子节点，同时将隶属多个组播组的节点数目降至最低；

所述步骤(3-4)的特定原则为：

(a)优先选择属于本组播树上的成员；

(b)否则，选取不属于任何组播组的成员；

(c)若邻节点均隶属某个组播组，则选取隶属于组播组数目最少的节点。