CN103249106A

CN103249106A - 一种提高无线网络通信质量的方法

Info

Publication number: CN103249106A
Application number: CN2012102859400A
Authority: CN
Inventors: 曲威
Original assignee: Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Current assignee: Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，本发明公开了一种提高无线网络通信质量的方法，其具体包含以下步骤：源节点欲发送数据时，挑选最佳路由发送数据，所述最佳路由为源节点到目的节点时间消耗最少的路径；在每个节点中记录从路由发现的发起开始到接收到目的节点的应答所消耗的时间，保存在路由缓存中，当源节点选取路由的时候，从路由缓存中查找到达目的节点所消耗的最少时间路径为最佳路由。每次在发送数据，选择了一个路由发现中耗时最小的路径，高效地利用有限的宽带资源，增加了数量处理的即时性，提高了QoS的服务质量。

Description

一种提高无线网络通信质量的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种提高无线网络通信质量的方法。

背景技术

无线通信网络方便简捷，不需要通信线路的束缚，在各行业得到了广泛应用(如蜂窝移动通信、无线局域网、卫星通信系统等)。传统的无线网络是集中式控制的，即是有中心基础节点的，但在一些特殊场合中（如灾难过后通信基础设施损坏时营救人员的通信网络、战场中快速移动的作战要素之间的通信），有中心的无线网络并不适应。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，并且要求通信网络具有极强的动态自组网以及较高的抗毁性能，同时尽量保证能够在任何时间、任何地点维持通信链路的连通性，这些对无线通信网络的实时业务的服务质量QoS(Quality of Service)提出了很高的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中需要一种能适应各通信节点移动性大、拓扑结构变化快，整体通信效率高的无线通信网络，提供一种提高无线网络通信质量的方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种提高无线网络通信质量的方法，其具体包含以下步骤：源节点欲发送数据时，挑选最佳路由发送数据，所述最佳路由为源节点到目的节点时间消耗最少的路径；在每个节点中记录从路由发现的发起开始到接收到目的节点的应答所消耗的时间，保存在路由缓存中，当源节点选取路由的时候，从路由缓存中查找到达目的节点所消耗的最少时间路径为最佳路由。

更进一步地，上述路由发现具体为：当源节点欲发送数据到目的节点时，源节点首先检查缓存中是否存在到达目的节点的未过期的路由，如果存在，挑选一条最佳路由发送数据；如果不存在，该节点向网络广播路由请求包，路由请求包中包含源节点地址、目的节点地址、标识该路由请求的ID号、以及存储经过地址的地址列表；每个节点维护路由请求表，路由请求表中记录收到的路由请求信息，路由请求信息以源节点地址、目标节点地址以及路由请求ID号作为索引；中间节点收到路由请求包后，将该路由请包与保存的路由请求表比较，如已经存在，则将该路由请求包丢弃；否则查看路由缓存中是否存在到达路由请求源地址的路由，是，则将该路由请求再次发送出去，否则将该路由请求包丢弃；当路由请求达到目的节点并且目的节点的路由请求表中没有此记录时，目的节点根据路由请求中的源路由地址列表加上本机IP构造一个路由应答并且将该路由应答通过这条路由发送到发起路由请求的源节点。

更进一步地，上述方法还包括以下步骤：在当前节点中记录后继节点信息，后继节点信息包括后继节点的地址、上一次接收到后继节点应答信号的耗时T，当前节点在N*T的时间内没有接收到应答信号，则为一次发送超时；当发送超时次数超过设置的超时次数，则删除路由缓存中该应答信号对应的数据包，同时删除发往该应答信号对应后继节点并且发送时间比该应答信号早的数据包，其中Ｎ为大于１的整数。

更进一步地，上述方法包括：在当前节点与后继节点之间链路失效时，当前节点启动路由发现，组成新的到达目的节点的路径，继续发送数据并将新发现的路由通知源节点。

更进一步地，上述包括：路由发现时，在路由缓存中保存从源节点到目的节点的每一条路径，当最佳路径失效时，采用其他路径进行数据发送。

本发明的有益效果：每次在发送数据，选择了一个路由发现中耗时最小的路径，高效地利用有限的宽带资源，本发明的方法对路由失效判断准确，避免不必要的发现路由开销，网络中一条链路失效时，在以前状态的基础上快速重新发现新的链路，提高网络的抗毁性能，尽可能在路由失效后快速路由发现并切换到新的可用路由上，增加了数量处理的即时性，提高了QoS的服务质量。

附图说明

附图1为路由发现流程图。

附图2为路由发现应答示意图。

附图3为源节点S到目的节点D的路径示意图。

附图4为本发明的路由维护流程图。

附图5为源节点S到目的节点D的路径。

附图6为E节点位置移动后的节点示意图。

附图7为本发明的多路径备份的流程图。

附图8为S节点通过路由发现找到3条到D节点的路径示意图。

附图9为平均端到端延时时间仿真图。

附图10为包投递率仿真图。

附图11为路由发现延时仿真图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种提高无线网络通信质量的方法，其具体包含以下步骤：源节点欲发送数据时，挑选最佳路由发送数据，所述最佳路由为源节点到目的节点时间消耗最少的路径；在每个节点中记录从路由发现的发起开始到接收到目的节点的应答所消耗的时间，保存在路由缓存中，当源节点选取路由的时候，从路由缓存中查找到达目的节点所消耗的最少时间路径为最佳路由。具体的路由发现请求如图1所示。当一个节点欲发送数据到某个目的节点时，该节点首先检查缓存中是否存在到达目的节点的未过期的路由，如果存在，挑选一条最佳路由发送数据；如果不存在，该节点向网络广播路由请求包，路由请求包中包含源节点地址、目的节点地址，标识该路由请求的ID号，以及一个存储经过地址的地址列表；每个节点维护一个“路由请求表”，其中记录了在过去一段时间内收到的路由请求信息，路由请求信息以源地址、目标地址及路由请求ID号作为索引；中间节点收到了路由请求包后，将该路由请包与自己保存的“路由请求表”比较，如已经存在，则将该路由请求包丢弃；如果不存在，则查看路由缓存中是否存在到达路由请求的源地址的路由，是，则将该路由请求再次发送出去，否则将该路由请求包丢弃；当路由请求达到目的节点并且目的节点的路由请求表中没有相应的记录时，目的节点根据路由请求中的源路由地址列表加上本机IP构造一个路由应答并且将该路由应答通过这条路由发送到发起路由请求的源节点。如图2所示的路由发现应答示意图，源节点在收到应答后，根据路由应答中包含的路径信息形成一条新的路由，就完成了一次路由发现的过程。

如图3所示的源节点S到目的节点D的路径示意图，其有三条路径1)S-A-B-D、 2)S-C-E-F-D 、3)S-G-D。一般会认为，3)S-G-D路径是最优路径。但从图中可以看出，3路径中节点G到节点D的距离很远，G到D传输信息需要消耗的功率很大，两点之间的通信可能有更大的延时，并且随着节点的快速移动，G到D的链路更容易失效，失效后，网络需要重启路由发现，同时造成很大的延时。本发明的主贡献在于在原来路由发现的基础上，每个节点维护一个路由发现时间字段，该字段标识从当前节点沿路由到目的节点并返回到源节点的时间消耗，记为RRT(RREQ-RREP time)，记录从路由发现的发起开始到接收到目的节点的应答所消耗的时间，保存在路由缓存里，各节点在进行路由发现的同时记录下RRT。有了RRT字段以后，当源节点选取路由的时候，从路由缓存中查找到达目的节点所用RRT值最小路由。这样做，每次在发送数据，选择了一个路由发现中耗时最小的路径，增加了数量处理的即时性，提高了QoS的服务质量。很多常规的做法是采用跳数最少的路径，但事实上有的时候两个节点之间的距离很远，两者之间传输信息需要消耗的功率很大，两点之间的通信可能有更大的延时，并且随着节点的快速移动，长距离节点之间的链路更容易失效，失效后，网络需要重启路由发现，同时造成很大的延时。而采用本发明的方法选择源节点到目的节点时间消耗最小的路径，使得传输过程中功耗最小，提高了数据处理的质量。

如图4所示的本发明的路由维护流程图。更进一步地，上述方法还包括以下步骤：在当前节点中记录后继节点信息，后继节点信息包括后继节点的地址、上一次接收到后继节点应答信号的耗时T，当前节点在N*T的时间内没有接收到应答信号，则为一次发送超时；当发送超时次数超过设置的超时次数，则删除路由缓存中该应答信号对应的数据包，同时删除发往该应答信号对应后继节点并且发送时间比该应答信号早的数据包，其中Ｎ为大于１的整数。Ｎ的范围由多次试验的经验值确定，例如可以为２。为了检测链路的有效性，每一个节点收到数据包后都需要向前继节点返回一个应答信号ACK，用来监测路由状态。当网络中一条路径上发送了N个数据包，该条路径上就需要再发送相同数量的ACK包。这样，数据的传输的同时也产生了数量相当可观的ACK包，与数据包一样，ACK包也会参与无线链路竞争、参与MAC层排队，如果ACK包的规模扩大，它也会严重限制正常业务的传输，在超时没有收到ACK包时，节点会重传数据，严重影响了正常业务的传输。通过在当前节点中记录后继节点信息，当ACK超过设置的超时次数后（具体超时次数可以按网络规模设置，例如可以为５次等），视为链路失效，按路由失效处理。通过这样设置，实时监测网络状态，以上一次接收到应答信号的时间Ｔ为基础确定超时时间，更加有效的进行监测，在多时超时后认定链路失效，删除路由缓存中该应答信号对应的数据包，同时删除发往该应答信号对应后继节点并且发送时间比该应答信号早的数据包，避免超时重传，明显的减少了对网络资源的占用。

更进一步地，上述方法包括：在当前节点与后继节点之间链路失效时，当前节点启动路由发现，组成新的到达目的节点的路径，继续发送数据并将新发现的路由通知源节点。如果在链路失效后返回源节点重新进行路由发现，这个过程是非常耗时的，而随着网络拓扑变化频繁，这种现象出现也非常频繁，如果返回源节点进行重新路由发现不能保证数据通信的实时性。针对这种情况，采用本发明的方法在当前节点等待ACK应答超时后，当前节点不直接给源节点返回发送失败信息，而让当前节点启动路由发现，发现邻近节点，组成一条新的到达目的节点的路径，继续发送数据并将新发现的路由通知到源节点,这样优化以后，进一步提高了QoS的服务质量。例如S-A-B-C-E-F-D组成了一条源节点S到目的节点D的路径，如图5所示。在数据传输的过程中，由于E节点位置移动，发生了如图6所示的状态，节点E移动到路径外，节点C给E节点发送数据后，等待经过了多次超时时限后，未能收到ACK应答消息，判断C-E链路失效，节点C不直接给源节点S返回发送失败信息，而让C节点启动路由发现，从图6所示的情况可以看出，C节点可能很快发现邻近节点K，组成一条C-K-F-D的路径，继续发送数据并将新发现的路由通知到源节点S,这样优化以后，进一步提高了QoS的服务质量。

如图7所示的本发明的多路径备份的流程图。更进一步地，上述方法包括：路由发现时，在路由缓存中保存从源节点到目的节点的每一条路径，当最佳路径失效时，采用其他路径进行数据发送。采用路由备份的方式，在其中的最佳路径失效时，快速找到其他的路径进行数据发送，避免了重新路由发现带来的延迟。如图8所示S节点通过路由发现找到3条到D节点的路径(实际可能只有1条或者多条)，分别为路径1:S-A-B-C-D、2:S-E-F-G-D、3:S-H-I-G-D，保存到路由缓冲里。当S有数据需要发送到D节点时，按图7所示流程取出路由，路径1独立于(与其它路径无重复中间节点)路径2与路径3，在开始时，很大可能获得最小RRT，当路径1失效后，系统能迅速切换到2、3路径，充分利用了网络带宽，提高了QoS的服务质量。

下面结合仿真试验并分析结果对本设计进一步说明。

本发明的方法的方法与改进前性能上的差异，使用OPNET 14.5仿真软件进行验证，通过平均端到端延时、包投递率和路由发现延时三个比较重要的参数进行评估。

仿真参数设置如下：

仿真区域：1500m×1000m；节点个数：30个和60个；节点移动模型：随机路点移动模型，最大移动速度20m/s，无停留时间；节点传输范围：250m；MAC协议：IEEE802.11 DCF(Distributed Coordination Function)；数据传输速率：1Mb/s；链路带宽：2Mhz；仿真时间：1000s。

分别对改进前与本发明的方法进行仿真，记录下每次仿真三个参数取五次仿真结果的平均值，用Excel对OPNET产生原始数据进行绘图，从端到端延时、包投递率、路由发现延时三个角度分别说明本发明的效果。

1.图9为平均端到端延时时间仿真图。

从图9可以看出，在网络负载较轻(30节点)和负载较重(60节点)的情况下，采用本发明的方法进行数据传输的延都比未改进前的平均时延要小。未该进前，网络负载重的时候，平均时延非常大，实时性极差。而采用本发明的方法在轻负载与负载较重的情况下都表现较好的性能。

2.图10为包投递率仿真图。

图10表明，本发明在网络低负载和高负载的情况下包投递率很都很高。当网络在负载较重(60节点)的时候，本发明的包投递率相对于该进前而言具有明显的优势。

3.图11为路由发现延时仿真图。

图11表明，在相同节点数量的情况下，本发明的路由发现延时低于改进前。

综上，在采用本发明的方法后，平均端到端延时、路由发现延时要低于改进前，尤其是在高移动速度的情况下，表现更为突出，采用本发明的方法后包投递率也比该进前高。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用本发明的，本发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离本发明的发明思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims

1.一种提高无线网络通信质量的方法，其具体包含以下步骤：源节点欲发送数据时，挑选最佳路由发送数据，所述最佳路由为源节点到目的节点时间消耗最少的路径；在每个节点中记录从路由发现的发起开始到接收到目的节点的应答所消耗的时间，保存在路由缓存中，当源节点选取路由的时候，从路由缓存中查找到达目的节点所消耗的最少时间路径为最佳路由。

2.如权利要求1所述的提高无线网络通信质量的方法，其特征在于所述路由发现具体为：当源节点欲发送数据到目的节点时，源节点首先检查缓存中是否存在到达目的节点的未过期的路由，如果存在，挑选一条最佳路由发送数据；如果不存在，该节点向网络广播路由请求包，路由请求包中包含源节点地址、目的节点地址、标识该路由请求的ID号、以及存储经过地址的地址列表；每个节点维护路由请求表，路由请求表中记录收到的路由请求信息，路由请求信息以源节点地址、目标节点地址以及路由请求ID号作为索引；中间节点收到路由请求包后，将该路由请包与保存的路由请求表比较，如已经存在，则将该路由请求包丢弃；否则查看路由缓存中是否存在到达路由请求源地址的路由，是，则将该路由请求再次发送出去，否则将该路由请求包丢弃；当路由请求达到目的节点并且目的节点的路由请求表中没有此记录时，目的节点根据路由请求中的源路由地址列表加上本机IP构造一个路由应答并且将该路由应答通过这条路由发送到发起路由请求的源节点。

3.如权利要求1所述的提高无线网络通信质量的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤：在当前节点中记录后继节点信息，后继节点信息包括后继节点的地址、上一次接收到后继节点应答信号的耗时T，当前节点在N*T的时间内没有接收到应答信号，则为一次发送超时；当发送超时次数超过设置的超时次数，则删除路由缓存中该应答信号对应的数据包，同时删除发往该应答信号对应后继节点并且发送时间比该应答信号早的数据包，其中Ｎ为大于１的整数。

4.如权利要求1所述的提高无线网络通信质量的方法，其特征在于所述方法包括：在当前节点与后继节点之间链路失效时，当前节点启动路由发现，组成新的到达目的节点的路径，继续发送数据并将新发现的路由通知源节点。

5.如权利要求1至4任意一个权利要求所述的提高无线网络通信质量的方法，其特征在于所述方法包括：路由发现时，在路由缓存中保存从源节点到目的节点的每一条路径，当最佳路径失效时，采用其他路径进行数据发送。