CN103108373A - 移动自组织网络中基于最小干扰的跨层路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种移动自组织网络中基于最小干扰的跨层路由方法，在移动AdHoc网络中，信道竞争和分组碰撞会严重影响路由协议的性能，从而影响网络的性能。此外，节点的任意移动又使得竞争和碰撞变得复杂多变。因此，在节点任意移动的情况下分析竞争和碰撞从而建立合适的路由显得尤为重要。本发明通过预测干扰节点对路由每一跳产生的竞争和碰撞的持续时间，给出了一种基于干扰最小的跨层路由方法。该方法将干扰节点分为两类，一类干扰只会影响信道的竞争，另一类干扰不仅会影响信道的竞争还会使分组产生碰撞。在综合考虑竞争和碰撞的情况下，定义了一个新的路由判据，并以此建立路由，在建立干扰最小路由的同时又保证路由不会频繁的断开。

Description

移动自组织网络中基于最小干扰的跨层路由方法

技术领域

本发明涉及一种特别用于移动ad hoc网络中基于最小干扰的跨层路由实现方案，属于通信技术领域。 

背景技术

移动ad hoc网络（MANETs）是一种无中心自组织的多跳无线网络，节点既可以作为主机和路由器自由的进入或离开网络。但是由于节点的任意移动性，网络拓扑会频繁的变化，并且往往不可预测。因此如何选择到达目的节点的路由已经成为ad hoc网络的一个重要和核心的问题。由于MANETs独有的特点，路由协议的跨层设计已经成为不可阻挡的趋势，跨层设计的主要思想是利用各层的相关性，增加层 

与层之间的垂直通信减少节点间的水平通信从而减少资源的浪费提高网络性能。

信道的竞争和分组的碰撞是影响网络性能一个很重要的因素。竞争会带来延时，严重的将会使分组在缓存队列中溢出，使丢包率上升吞吐量下降。同样的，碰撞带来的负面影响则更严重，除此以外，在MANETs中，由于节点的任意移动性,使得 

竞争和碰撞变得复杂多变，分析起来也更加困难。如果可以在网络层使用物理层得到的关于节点过去和当前时刻的信息来计算节点以后的信息，再将此计算出来的信

息用于基于MAC层竞争和碰撞的路由判据中，以此建立路由，就可以充分的利

用跨层的优势来提高网络性能。

目前基于竞争和分组碰撞的移动Ad Hoc网络跨层路由的研究很少，更多的是根据邻居节点的个数来判断干扰的强弱，这样将存在两个问题：①对于网络中某节点来说，并不是所有邻居节点都会对其产生干扰，只有被选作路由用来转发分组的工作节点才会对它产生干扰。②节点要完全统计邻居节点信息必须周期的发送HELLO广播分组(无GPS装置),这不仅给节点增加工作负担更严重的是网络的性能也会因为广播包的周期发送而大大降低。 

MANETs最大的难题就是节点移动不可预测，网络拓扑不断变化。无法根据过 

去和当前的网络信息确定或估算以后的网络信息是很多路由协议的共同的缺陷。如果我们知道了节点的移动模型，将会使以上问题的解决成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种建立最小干扰的跨层路由方法。该方法要求建立路由时充分考虑到网络中存在的干扰（竞争和碰撞），结合物理层、链路层和网络层进行跨层设计，路由所包含的路径都是强连通的（即连通时间较长），不会频繁的断开，利用该方法所建立的路由可以显著地提高网络性能。 

技术方案：本方法中，物理层不断的根据接收到的分组更新和维护距离信息表；链路层根据距离信息表去预测链路连通的时间，供网络层建立路由时使用；网络层在建立路由时考虑干扰（MAC层的竞争和碰撞），调用物理层的距离信息表并且结合链路层中得到的链路连通时间长短信息，计算新定义的路由判据，实现了路由的建立。 

该方法的步骤如下： 

a. 预测链路断开时间

和节点离开时间：节点A在

、

、

时刻收到节点B发来的分组后根据接收功率和信道模型得到与节点B的距离分别为

、

、，再由三者之间的关系求得节点A与节点B的

和为：

其中，

为节点的通信半径，

为载波侦听半径，系数

、

、

可由以下公式求得：

   ；

b. 计算节点所受的干扰：根据节点产生竞争和碰撞的条件，将网络中的干扰分为两类：第一类干扰只会竞争信道，第二类干扰不仅会竞争信道还会使分组产生碰撞；通过预测周围干扰节点对路由每一跳产生的竞争和碰撞的持续时间，确定节点所受的干扰为：

其中，

为碰撞影响因子，是大于0的常数；

为当前节点的周围干扰节点的总个数；

是第一类干扰总持续时间；是第二类干扰总持续时间；

和

分别为第一类干扰平均持续时间和为第二类干扰平均持续时间；

为系统的当前时间，

为当前通信链路的连通时间； 

c. 确定路由判据：建立路由时，将每一跳所受到的干扰相加，选择总干扰最小的路径作为路由，即路由判据为：

其中，

是可选路径的总数，为第

条路径，

代表第

条路径上的第

跳节点。

d.路由的建立过程如下： 

d1.如果源节点没有到达目的节点的路由或者该路由已经过期，则计算自己所受的干扰值，填入路由请求分组RREQ中的相关区域，并向周围节点发送此RREQ分组； 

d2.中间节点收到此RREQ分组后依次执行以下操作： 

①判断是否收到过相同源节点序列号的RREQ分组，若有则丢弃此RREQ分组；没有则登记此RREQ分组； 

②根据准则t_broken-t_current>Broken_threshold判断它与源节点之间的链路连通时间是否大于门限值Broken_threshold，若小于则丢弃此RREQ分组；大于则计算自己所受的干扰，按照新路由判据建立或更新反向路由； 

③若中间节点是目的节点或有到达目的节点的有效路由，则将自己所受的干扰值填入路由回复分组RREP的相应区域，向源节点发送RREP消息；否则更新RREQ分组中的干扰值后将RREQ分组转发给其它节点，直到目的节点或有到达目的节点路由的中间节点收到此RREQ分组后发送RREP分组为止； 

d3.源节点在收到发给自己的RREP消息后，重新计算自己的所受的干扰值，按照路由判据建立或更新前向路由。 

有益结果：本发明利用了跨层的机制提出了一个结合物理层、MAC层和网络层的路由算法，利用该算法建立的路由不仅具有最下的干扰还可以保证链路不会频繁的断开，可以显著地提高平均端到端延时、吞吐量、丢包率、路由开销等网络性能。 

  

附图说明

图1是定义节点离开的时间以及链路断开的时间。 

图2是基于RWP模型预测节点离开时间和链路断开时间。 

图3是IEEE 802.11 DCF接收分组时的流程图。 

图4是定义节点产生的两类干扰。 

图5是MI-CLR跨层结构示意图。 

图6是MI-CLR路由表项、分组结构图。 

图7是MI-CLR的工作流程图。 

  

具体实施方式

本方法的提出基于Random Waypoint模型。在该模型中，节点在某一方向的运动将会持续一段时间，在这段时间内两节点的相对速度是不变的。 

如图1所示，实线所包含的范围（半径为

的圆）是节点的通信范围，只有在此范围内的节点才可以正常的通信。虚线所包含的范围（半径为

的圆）是节点的载波侦听范围，只有在此范围之内的节点才可以被侦听到。若以节点A为参考节点，此时节点B正好处于节点A通信范围的临界处，若节点B再向右运动，虽然节点A可以感知到节点B的存在，但已经不能和节点B正常通信，链路AB断开。我们称节点B离开节点A通信范围的临界时间为链路AB的断开时间

。同样的仍以节点A为参考节点，此时节点C正好处于节点A载波侦听范围的临界处，若节点C再向右运动，节点A将感知不到节点C的存在，节点A和节点C将失去联系。我们称节点C离开节点A侦听范围的临界时间为节点C的离开时间

。 

图2为预测t_broken和t_{leave_away}的具体过程。节点A和节点B分别以速度V_A和V_B运动，节点B相对于节点A的运动速度为V_AB。由于节点在物理层可以根据接收功率和信道传播模型计算两点间的距离，因此只要节点B在节点A的侦听范围内并且发送分组（无论是控制分组还是数据分组），节点A就可以计算出与节点B的距离。本方法采用的信道传播模型是TwoRayGround模型，接收功率与距离的关系为： 

$P_r=\frac{P_t{G}_t{G}_r{h_t}^2{h_r}^2}{d^{4}L}---\left(1\right)$ （接收功率和信道模型） 

其中，P_t是发送功率，G_t是发送天线增益，G_r是接收天线增益，h_t为发送天线高度，h_r为接收天线高度，d是发送节点和接收节点间的距离。L是系统损耗。本文假设网络中所有节点的这些参数都相等。 

在t₀、t₁、t₂时刻节点A收到节点B发来的分组，根据以上公式测得与节点B的距离分别为

、、

，由此六个已知量我们可以就可估算出t_broken和t_{leave_away}，根据余弦定理可得如下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}{d_{t_1}}^2={d_{t_0}}^2+{\left[V_{\mathrm{AB}}(t_1-t_0)\right]}^2-{2d}_{t_0}{V}_{\mathrm{AB}}(t_1-t_0)\cos \mathrm{\θ}\\ {d_{t_2}}^2={d_{t_0}}^2+{\left[V_{\mathrm{AB}}(t_2-t_0)\right]}^2-{2d}_{t_0}{V}_{\mathrm{AB}}(t_2-t_0)\cos \mathrm{\θ}\\ {d_t}^2={d_{t_0}}^2+{\left[V_{\mathrm{AB}}\left({t-t}_0\right)\right]}^2-{2d}_{t_0}{V}_{\mathrm{AB}}(t-t_0)\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由（2）式可得： 

$d_t=\sqrt{a{(t-t_0)}^2+b(t-t_0)+c}---\left(3\right)$

其中 

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{d_{t_0}}^2}{(t_1-t_0)(t_2-t_0)}-\frac{{d_{t_1}}^2}{(t_1-t_0)(t_2-t_1)}+\frac{{d_{t_2}}^2}{(t_2-t_0)(t_2-t_1)}\\ b=-\frac{(t_1+t_2-{2t}_0){d_{t_0}}^2}{(t_1-t_0)(t_2-t_0)}+\frac{(t_2-t_0){d_{t_1}}^2}{(t_1-t_0)\left({t_2}^{}{-t}_1\right)}-\frac{(t_1-t_0){d_{t_2}}^2}{(t_2-t_0)(t_2-t_1)}\\ c={d_{t_0}}^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

则： 

$R_{\mathrm{TX}}=\sqrt{a{(t_{\mathrm{broken}}-t_0)}^2+b(t_{\mathrm{broken}}-t_0)+c}---\left(5\right)$

解得： 

$t_{\mathrm{broken}}=\frac{\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}+{{4\mathrm{aR}}_{\mathrm{TX}}}^2}-b}{2a}+t_0,b^2-4\mathrm{ac}+{{4\mathrm{aR}}_{\mathrm{TX}}}^2\≥0---\left(6\right)$

同理可得: 

$t_{\mathrm{leave}\_\mathrm{away}}=\frac{\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}+{{4\mathrm{aR}}_{\mathrm{CS}}}^2}-b}{2a}+t_0,b^2-4\mathrm{ac}+{{4\mathrm{aR}}_{\mathrm{CS}}}^2\≥0---\left(7\right)$

图3为节点在接收分组时802.11DCF协议的处理过程。其中①、②、③处只会产生竞争，④处既会产生竞争也会产生碰撞，主要描述如下。 

（1）若节点空闲，没在接收另外的分组，转（2），否则转（3）； 

（2）若接收功率小于信号接收门限，则将自己的网络分配向量NAV（Network Allocation Vector）（NAV指出了信道处于忙状态的时间，在这段时间内节点不得发送信息）调整为一个扩展帧间间隔EIFS（Extended Interframe Space）长度（标志①所示），转（6）,否则转（4）； 

（3）若信干比大于一定门限值，调整自己的NAV（标志③所示），转（6），否则转（5）； 

（4）接收当前分组，根据分组中的“持续时间字段”调整自己的NAV（标志②所示），转(6)； 

（5）分组发生碰撞，丢弃分组，调整自己的NAV（标志④所示），转（6）； 

（6）进行下一轮接收； 

从图3中可以很清楚的看出，对于网络中某节点A来说，使其产生竞争和碰撞的条件如下。 

产生竞争的条件：

只要是在节点A侦听范围内的干扰节点都会和它竞争信道，调整它的NAV，使其延迟发送。

产生碰撞的条件： 

①干扰节点在A的侦听范围内； 

②信干比小于要求门限值，即： 

$\frac{P_r^{\mathrm{signal}}}{P_r^{\mathrm{inferfer}}}＜{\mathrm{SIR}}_{\mathrm{threshold}}---\left(8\right)$

其中，

为信号接收功率，

为噪声（干扰节点发出的信号）接收功率，条件①和②必须同时满足。 

竞争会使节点A不断的以二进制退避算法增加竞争窗口长度，使分组在接口队列排队，当队列满时还会导致丢包，影响网络性能，而碰撞带来的影响则更严重。因此，本文将网络中的干扰分为两类：第一类干扰只会竞争信道，第二类干扰不仅会竞争信道还会使分组产生碰撞，并将相应的干扰节点分别称为第一类干扰节点和第二类干扰节点。 

图4较为直观的说明了这两类干扰，图中节点B要与节点A通信，由于节点C和节点D在节点A的侦听范围内满足竞争的条件，因此会调整节点A的NAV，使节点A延时一段时间再次竞争信道。但是节点C不会使节点B发给节点A的分组 

产生碰撞，因为其不满足碰撞的条件。所以节点C此刻产生的干扰属于第一类干扰。

很显然节点D满足碰撞的第一个条件，如果其还满足第二个条件就会使节点B发给节点A的分组产生碰撞，节点D此刻产生的干扰属于第二类干扰。 

在某一特定时刻很容易判断干扰节点产生的干扰属于哪一类，但是由于节点是不断移动的，在当前时刻属于第一类的干扰节点在下一刻就有可能成为第二类干扰节点，反之亦然。如果在链路AB断开之前可以分别求得两类干扰的持续时间，那么就可以较准确的确定正在通信的节点A受干扰的程度。 

在图4中，节点A与节点B是路由中的相邻两跳，节点D是干扰节点。由公式（1）可将产生碰撞的第二个条件写成如下形式： 

                      （9）

由公式（3）可得节点A与节点B和D在t时刻的距离为：

            （10）                 

的定义与公式（3）相同。

将式（10）带入式（9）结合式（6）、（7）得： 

（11）

其中

为系统当前时刻，

为链路AB断开之前干扰节点D的存在时间，且

       （12）

令

，，

，根据式（12）解得的

的范

围即为节点D产生的第二类干扰所持续的时间，具体结果如表1所示。

表1  第二类干扰持续时间

结果 

根据产生竞争的条件可知，节点D产生的第一类干扰的持续时间

为：

                     （13）

同理，可求得节点C对节点A产生的这两类干扰的持续时间

和

,其它干扰节点对节点A的干扰不再赘述。

因此，节点A所受到的第一类总干扰和第二类总干扰为： 

                     （14）

式中

为A周围活跃节点的节点号。

传统的协议基本上都是基于最小条数为判据建立路由的，由于MANETs的动态拓扑特性，跳数最小的路径可能很容易断开或者所受的干扰很大，影响网络性能。为此，本发明所提出的最小干扰跨层路由协议MI-CLR（Minimum Interference Cross-Layer Routing）首先选择连通时间长的链路作为路由，这样就可以避免由于链路的频繁断开带来的网络开销；其次路由判据不再基于最小跳数，而是利用跨层的机制基于干扰（竞争和碰撞）最小选择路由。 

一方面，由于节点的快速移动，被选作路由的路径可能很快就会断开，这将导致路由的重建，增加丢包率和网络开销。因此，如何选择连通时间较长的路由时路由协议中一个很重要的环节。 

链路断开的时间

可以根据公式（6）求出，对于路由中的某节点A，只要与 

其下一跳节点B的连通时间大于一定的门限值即： 

                    （15）

就可以保证链路AB不会频繁的断开。其中

为链路断开门限值，可以根据网络情况人为设定，对于拓扑变化快、节点移动速率快的网络环境下可以设置一个较小的值，反之可以设置一个较大的值。对于小于该门限值的链路在建立路由时不予考虑。

  另一方面，为了选择干扰最小的路径作为路由，需要重新定义路由判据。考虑图5中的场景，节点B要和节点A建立路由。根据以上对两类干扰的分析可知，第一类和第二类干扰都会调整通信节点的NAV，对竞争产生影响，而第二类干扰又会使分组产生碰撞。综合考虑竞争和碰撞以及链路连通时间的影响，选择的路由既要保证链路连通时间长又要保证干扰持续时间短，因此节点A的干扰判据定义如下，对于网络其它节点的干扰判据的计算也是同样的道理。 

              （16） 

其中，

为碰撞影响因子，是大于0的常数，

为节点A周围干扰节点的总个数，

为第一类干扰平均持续时间，

为第二类干扰平均持续时间，

为当前通信链路AB的持续时间。MI-CLR将每一跳的干扰判据相加，选择总判据最小的路径作为路由，即会选择链路持续时间长并且干扰持续时间短的路径作为路由。

图5表明了MI-CLR路由协议中节点建立路由时各层之间的联系。从图中我们可以看出，物理层不断的根据接收到的分组更新和维护距离信息表；链路层根据距离信息表判断链路连通的时间，供路由层选路用如（图中标号③所示）；路由层在建立路由时考虑MAC层的竞争和碰撞（图中标号①所示），调用物理层的距离信息表计算路由判据（图中标号②所示），结合链路层得到的链路连通时间长短信息（图中④所示）建立路由。 

图6为MI-CLR的路由表项、路由请求分组（RREQ）路由回复分组（RREP）的结构。与传统的协议不同的是，我们建立路由不在基于最小跳数，而是基于最小干扰，即MI-CLR的目标是建立一条干扰最小的路由。 

图7为节点A要与节点B建立路由的情况下下，MI-CLR路由协议的工作过程。与AODV协议类似，如果节点A没有到达目的节点的路由或者该路由已经过期，它就会向周围节点发送RREQ（Route Request） 消息。但是，在发送RREQ之前，它先根据公式（16）计算自己的干扰判据并填入RREQ（Route Reply）分组中的干扰判据区域。节点B在收到节点A发送的RREQ消息后，它首先判断是否已经收到过相同源节点序列号的RREQ，有则丢弃，没有则登记此RREQ，再判断它与节点之间的链路AB连通时间是否满足公式（15）的要求，不满足则丢弃，满足则根据公式（16）计算自己的干扰判据，按照最小干扰准则（15）建立或更新反向路由，同时若节点B有到达目的节点的路由，则会向节点A发送RREP消息，发之前要将刚刚计算得到的干扰判据填入RREP分组的相应区域，若没有到达目的节点的路由，则更新RREQ消息中的干扰判据转发给其它节点。节点A在收到节点B发来的RREP消息后，重新计算自己的路由判据并根据最小干扰准则建立或更新前向路由。值得注意的是MI-CLR并不需要广播HELLO信息分组，这在一定程度上也减少了网络开销。 

Claims (1)

1.一种移动自组织网络中基于最小干扰的跨层路由方法，其特征在于该方法包括以下内容： 

a.预测链路断开时间t_broken和节点离开时间t_{leave_away}：节点A在t₀、t₁、t₂时刻收到节点B发来的分组后根据接收功率和信道模型得到与节点B的距离分别为

、 

、

，再由三者之间的关系求得节点A与节点B的t_broken和t_{leave_away}为： 

其中，R_TX为节点的通信半径，R_CS为载波侦听半径，系数a、b、c可由以下公式求得： 

b.计算节点所受的干扰：根据节点产生竞争和碰撞的条件，将网络中的干扰分为两类：第一类干扰只会竞争信道，第二类干扰不仅会竞争信道还会使分组产生碰撞；通过预测周围干扰节点对路由每一跳产生的竞争和碰撞的持续时间，确定节点所受的干扰为： 

其中，

为碰撞影响因子，是大于0的常数；number_interfer为当前节点的周围干扰节点的总个数；

是第一类干扰总持续时间；是第二类干扰总持续时 间；

和

分别为第一类干扰平均持续时间和为第二类干扰平均持续时间；t_current为系统的当前时间，t_broken-t_current为当前通信链路的连通时间； 

c.确定路由判据：建立路由时，将每一跳所受到的干扰相加，选择总干扰最小的路径作为路由，即路由判据为： 

其中，m是可选路径的总数，P_i为第i条路径，

代表第i条路径上的第j跳节点。 

d.路由的建立过程如下： 

d1.如果源节点没有到达目的节点的路由或者该路由已经过期，则计算自己所受的干扰值，填入路由请求分组RREQ中的相关区域，并向周围节点发送此RREQ分组； 

d2.中间节点收到此RREQ分组后依次执行以下操作： 

①判断是否收到过相同源节点序列号的RREQ分组，若有则丢弃此RREQ分组；没有则登记此RREQ分组； 

②根据准则t_broken-t_current>Broken_threshold判断它与源节点之间的链路连通时间是否大于门限值Broken_threshold，若小于则丢弃此RREQ分组；大于则计算自己所受的干扰，按照新路由判据建立或更新反向路由； 

③若中间节点是目的节点或有到达目的节点的有效路由，则将自己所受的干扰值填入路由回复分组RREP的相应区域，向源节点发送RREP消息；否则更新RREQ分组中的干扰值后将RREQ分组转发给其它节点，直到目的节点或有到达目的节点路由的中间节点收到此RREQ分组后发送RREP分组为止； 

d3.源节点在收到发给自己的RREP消息后，重新计算自己的所受的干扰值，按照路由判据建立或更新前向路由。 

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