CN103607744B - 一种多射频多信道无线网网状网信道感知的机会路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多射频多信道无线网网状网信道感知的机会路由方法，兼顾多信道特性和多用户分集特性，并在指标基础上提出信道感知机会路由方法。实验结果表明，与单信道机会路由指标和多信道路由指标的机会路由相比，本发明的方法解决了多射频多信道场景下，现有单信道机会路由指标没有充分利用信道资源来减少干扰，传统路由的多信道路由指标包含了信道信息，但没有利用多用户分集不适合机会路由的问题，提升了无线网络的吞吐量，降低了无线网络的延时。

Description

一种多射频多信道无线网网状网信道感知的机会路由方法

技术领域

本发明涉及无线网络中的机会路由技术，特别是一种在多射频多信道无线网状网中针对信道感知的机会路由技术。

背景技术

机会路由是多跳无线网络中新兴的路由方式，它利用无线媒介广播性质和多用户分集，不事先确定路由的下一跳，直接广播发送数据包，周围可能有多个邻居节点都正确收到数据包。在收到数据包的节点间进行某种协调，由其中一个离目的节点最“近”的节点继续转发。当然并不是所有的节点都参与，机会路由按某种规则选择其中的一部分参加，这些被选中的邻居节点称为候选节点或候选转发节点。经多方验证，与只有一个预先设定下一跳的传统固定路由相比，机会路由这种使用多个候选节点转发数据包的方式更能适应不可靠的无线链路，尤其能充分利用远距离和高丢失率的无线链路，能明显提升多跳无线网络，尤其是无线网状网的端到端吞吐量。

如图1所示的链式的多跳无线网络中存在5个节点，节点间边上的值表示两节点间链路的包投递率（PacketDeliveryRatio，PDR），即数据包通过此链路正确接收的概率。PDR的计算方法为一定时间范围内，目的节点正确接收数据包数量和发送节点发送的所有数据包数量之比，距离越远链路包投递率越低。节点0需要发送数据给节点4。

采用传统路由（TraditionalRouting，TR）存在多种不同的路由路径。如节点0以一跳直接发送到节点4，因为链路的丢失可能需要为每个包发送多次；或者节点0经过节点1、2和3以四跳发送到节点4，因为多跳传输每个包也需要传输多次。当节点0直接传给节点4时，节点4可能没有收到，但因为无线是广播媒介，节点1、2甚至节点3可能正确偷听（overhear）到数据包，而且节点1、2和3是否正确偷听到数据包是相互独立的，即多用户分集特性。那么由正确偷听到数据包的节点1或节点2或节点3重发数据包给节点4应该要比节点0重发更好。当采用四跳传输时，节点2、节点3甚至节点4可能正确偷听到节点0给节点1发送的部分数据包，如果节点1再转发这些数据包给它们就造成了冗余，导致信道资源的浪费。

机会路由发掘多用户间的差异性，充分利用传输的机会，不预先设定一个固定的下一跳转发节点而是设定多个候选节点或候选转发节点（CandidateForwarder），在发送数据包后，根据候选节点的实际接收数据包情况，在所有正确接收的候选节点中选择距离目的节点最近的候选节点作为真正的转发节点，以达到减少传输次数提高吞吐量的目的。本例中节点4、3、2和1都是节点0的候选节点。当节点0发送某个数据包后，节点2和1正确接收但节点3和节点4未正确接收，距离目的节点最近的节点2成为这个数据包真正的转发节点。当节点0发送下一个数据包后，节点4、2和1都正确接收，节点4就是目的节点本身就不需要再转发。

机会路由在单射频无线网络中的优势已经被充分的探索和利用，但是，它在多射频无线网络中的影响还没有能够很好的理解和运用。大多数机会路由都处于单射频单信道网络，既没有充分利用802.11a/b本身已有12/3个正交的信道资源，也没有考虑无线网状网中节点能配置多个射频的情况。无线网卡成本降低和无线网状网对网络带宽的需求促使无线网状网的路由节点像有线网络的路由器一样配置多个网络接口，使得多射频无线网状网开始广泛应用，因此在多射频多信道无线网状网中研究机会路由成为近年备受关注的领域。

大多数机会路由的选路集中在单信道无线网状网下，主要依赖于期望任意次数（EAX）或期望任意传输时间（EATT）作为路由指标。期望任意次数（EAX）考虑了多个候选节点为传输所做的贡献，源节点到目的节点的EAX是源节点所有候选节点的EAX按优先级权重之和。这样的机会路由指标比ETX能找到更多适合的候选节点充分发挥机会路由的能力，更进一步提升网络吞吐量。期望任意传输时间（ExpectedAnypathTransmissionTime，EATT）。考虑信道自身的带宽特点，通过计算源节点到目的节点可能经过的所有路径需要的期望传输时间，来进行机会路由选择。链路的期望传输时间ETT是链路的ETX与包大小和带宽倒数的之积，这样使用信道的实际时间被考虑。按照EAX类似的思路，把单路径的期望传输时间ETT扩展到机会传输下就得到考虑多路径的EATT。但它们没有考虑多射频多信道环境下信道对路由选择产生的影响。

目前存在一些多信道网络中机会路由的研究。但它们都在给定路由基础上进行信道选择，这些路由一般都是通过上述单射频环境下的路由指标计算得到。只有MCExOR解决了单射频多信道环境下机会路由如何选择候选节点的问题。首先每个节点被指定唯一的主信道，主信道用于别的节点与当前节点通信，只有当发送节点和接收节点都处在接收节点主信道上时，才能正确通信。分配的标准是选用邻居中最少选择的信道。在单射频下，主信道分配也就形成了网络分区，同一分区中节点的主信道相同。MCExOR就是在所有的分区中，为发送节点选择最好的分区，也就是使用该分区中节点的主信道来发送数据包。但无法处理多射频多信道下的机会路由选路问题。

传统路由下的已经提出一些多信道路由指标WCETT、SIM和MIC来进行多信道选路。ETX和ETT都没有考虑业务流之内的干扰，WCETT可以减低同一信道上传输业务流路径上节点的数量。WCETT惩罚使用多次相同信道的路径，但相同信道也不会带来干扰。SIM缩小惩罚范围为整个路径变成干扰路段。MIC设计来支持路由的负载平衡，同时考虑流内和流间的干扰。

这些多信道路由指标没有考虑机会路由的多个候选节点的特点不适合机会路由，而且无法使用高效的路由算法进行计算。因此，亟需解决多射频多信道无线网状网机会路由选路问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对多射频多信道场景下，现有单信道机会路由指标没有充分利用信道资源来减少干扰，传统路由的多信道路由指标包含了信道信息，但没有利用多用户分集不适合机会路由的不足，提供一种多射频多信道无线网网状网信道感知的机会路由方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多射频多信道无线网网状网信道感知的机会路由方法，该方法为：

1）将多射频多信道无线网状网对应成一个无向图G=(V,E)，所述无向图包含N个节点，其中V为节点集，E为节点间链路的矩阵；

2）将所述无向图中任意节点i在所有信道下的多信道期望任意传输时间MEATT^(k) _i和最小多信道期望任意传输时间MEATT_i设为无穷大，F_i、F^(k) _i和T_i设为空；目的节点在所有信道下的最小多信道期望任意传输时间MEATT_d设为零，S设为空，Q设为V；其中，F^(k) _i为节点i的候选节点集；F_i为节点i在所有信道下的最小多信道期望任意传输时间对应的候选节点集；S表示已经找到的路径的节点集；Q为用于存储还没有找到路径的节点i′∈V-S的队列；T_i表示节点i要传输数据到目的节点d所使用的信道；i∈V；

3）判断Q是否为空，若否，则进入步骤4）；否则，结束；

4）选定并去除Q中最小多信道期望任意传输时间最小的节点j；

5）对于所述无向图的每一条边(i,j)∈E，检查每一个信道k∈K；

6）如果MEATT^(k) _i大于节点j的多信道期望任意传输时间MEATT_j，则将节点j和节点i的候选节点集F^(k) _i设为临时候选节点集J，利用公式计算节点i在信道k上的多信道期望任意传输时间，并赋值到临时多信道期望任意传输时间MEATT’^(k) _i中；其中，L表示数据长度；B_k表示所在信道的速率；c_i表示候选节点集中优先级为i的节点，p^ci,k表示s到c_i使用信道k的链路包投递率；α_i是区别信道的参数， ${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_1,k\&NotEqual;{\mathrm{Tc}}_i\\ {\mathrm{\&beta;}}_2,k={\mathrm{Tc}}_i\end{array}\right.,0\&le;{\mathrm{\&beta;}}_1<{\mathrm{\&beta;}}_2,{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2\&Element;R,$ Tc_i为c_i进行传输的信道；如果i到c_i使用的信道k与Tc_i不相同，那么α_i设为不同信道惩罚参数β₁；如果i到c_i使用的信道k与Tc_i相同，那么α_i设为相同信道惩罚参数β₂；(L/B_k)/(1-∏_ci∈J(1-p_ci,k))表示s用信道k成功传输到候选节点集J的开销，即至少有一个候选节点成功接收；MEATT_ci是c_i进行转发的开销，表示节点c_i成功接收数据包而优先级比i高的节点没有成功接收数据包的概率；为通过候选节点集J成功转发到目的节点d需要的开销；

7）如果MEATT^(k) _i大于MEATT’^(k) _i，那么将临时候选节点集J设为节点i的候选节点集F^(k) _i，即J赋值给F^(k) _i，并更新MEATT^(k) _i为MEATT’^(k) _i；

8）如果更新后的MEATT^(k) _i小于节点i的MEATT_i，那么更新节点i的MEATT_i为MEATT^(k) _i，F_i更新为F^(k) _i，T_i更新为k；

9）重复步骤6）～步骤8），直到遍历完无向图中与j相连的所有的边(i,j)和所有的信道K；

10）重复步骤4）～9），直到Q为空。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明解决了多射频多信道场景下，现有单信道机会路由指标没有充分利用信道资源来减少干扰，传统路由的多信道路由指标包含了信道信息，但没有利用多用户分集不适合机会路由的问题，提升了无线网络的吞吐量，降低了无线网络的延时。

附图说明

图1是机会路由基本原理示意图；

图2是单射频WMNS中的机会路由选择示意图；

图3是多射频多信道WMNS中的机会路由选择示意图；

图4是路由指标设计示例示意图：图4(a)模式1；图4(b)模式2；图4(c)模式3；图4(d)模式4；

图5是五节点的多射频多信道无线网状网示意图；

图6是CAOR算法例子图：图6(a)初始化；图6(b)确定节点d；图6(c)确定节点1；图6(d)确定节点2；图6(e)确定节点3；图6(f)确定节点s；

图7是EATT路由指标结果示意图；

图8是MIC路由指标结果示意图；

图9是不同节点密度下平均吞吐量示意图；

图10是不同节点密度下平均延时示意图；

图11是不同节点密度下平均吞吐量提升示意图；

图12是不同节点密度下平均延时提升示意图；

图13是单流吞吐量累积分布函数示意图；

图14是单流延时累积分布函数示意图；

图15是网关模式下多流平均吞吐量示意图；

图16是网关模式下多流平均延时示意图；

图17是多源多目的模式下多流平均吞吐量示意图；

图18是多源多目的模式下多流平均延时示意图。

具体实施方式

本发明的一个主要任务是路由指标必须能定量确定机会路由在多射频多信道WMNs中的性能。考虑如图3中的例子，每个节点配置2个射频，一个射频工作在802.11a上，另一个射频工作在802.11b上。假设存在一条从节点1到节点3的流。在图4(a)(b)中，每个节点只有一个候选节点。在图4(a)中，链路(1,2)和(2,3)被分配802.11a，称为模式1；而在图4(b)中，链路(1,2)分配802.11a，而链路(2,3)在不同的射频上被分配信道802.11b，称为模式2。明显模式2要比模式1更好，因为它充分使用了信道和射频资源，可并发传输能带来更高的吞吐量。

在图4(c)(d)中，每个节点不止一个候选节点。在图4(c)中，链路(1,2)、(1,4)、(2,5)、(4,3)、(5,3)和(2,3)被分配802.11a，称为模式3；而在图4(d)中，链路(1,2)、(1,4)和(4,3)分配802.11a，而链路(2,3)、(2,5)和(5,3)在不同的射频上被分配信道802.11b，称为模式4。明显模式4优于模式3，因为它充分使用了信道和射频资源能带来更高的吞吐量；而且也优于模式2，因为它充分利用了候选节点资源。问题就是我们如何定量描述模式4确实优于模式3和模式2。

因此本发明采用多信道期望任意传输时间（Multi-channelExpectedAnypathTransmissionTime，MEATT）的机会路由指标。指标设计的基本思想是首先根据不同网卡上使用正交信道可以同时传输的原则如图4(b)，设计多信道期望传输时间（Multi-channelExpectedTransmissionTime，METT），然后再考虑支持多个候选节点如图4(d)，将METT扩展为多信道期望任意传输时间的指标。

端到端传输时间是重要指标，因此我们的路由指标关注在传输时间上。首先路由指标必须识别在不同射频上使用正交信道。如果连续两跳链路使用相同的信道，由于连续链路的射频半双工和同信道干扰，无法同时传输，那么端到端的期望传输时间应该是两跳期望传输时间之和。如果连续两跳链路在不同射频上使用正交信道，由于不同射频上使用正交信道可以同时传输，那么端到端的期望传输时间应该比使用相同信道情况下小。如图3(a)(b)所示，使用不同信道的路由指标要低于使用相同信道。为了区别这两种情况，多信道期望传输时间METT用下式表示，

$\begin{array}{c}\mathrm{METT}(s,c,d)=\underset{k}{\min }(\mathrm{ETT}(s,c,k)+\mathrm{\&alpha;}*\mathrm{METT}(c,d))\\ \mathrm{\&alpha;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1,\mathrm{if}& k\&NotEqual;\mathrm{Tc}\\ {\mathrm{\&beta;}}_2,\mathrm{if}& k=\mathrm{Tc}\end{array}\right.,0\&le;{\mathrm{\&beta;}}_1<{\mathrm{\&beta;}}_2,{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2\&Element;R\end{array}---\left(1\right)$

其中，s为源节点，d为目的节点，c为s到d的下一跳，ETT(s,c,k)为节点s和节点c之间通过信道k的期望传输时间，METT(c,d)为节点c到节点d之间的多信道期望传输时间，Tc为c进行传输的信道，α是区别信道的参数。如果s到c使用的信道k与Tc不相同，那么α设为不同信道惩罚参数β₁。如果s到c使用的信道k与Tc相同，那么α设为相同信道惩罚参数β₂。β₁,β₂表示连续两跳链路使用信道情况的惩罚程度。为了惩罚使用相同信道的路径，我们要求β₁<β₂。然后s选择使端到端METT最小信道的射频来进行传输。

然后，如图4(c)(d)为了支持多个候选节点，根据EAX和EATT的期望计算方法，我们可以通过加权计算多个候选节点的METT来得到多信道期望任意传输时间MEATT。

$\begin{array}{c}\mathrm{MEATT}(s,d)=\underset{k}{\min }\frac{L/B_k+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{ci}\&Element;J}{\mathrm{\&alpha;}}_i*\mathrm{MEATT}(c_i,d)p_{\mathrm{ci},k}{\mathrm{\&Pi;}}_{j=1}^{i=1}(1-p_{\mathrm{cj},k})}{1-{\mathrm{\&Pi;}}_{\mathrm{ci}\&Element;J}(1-p_{\mathrm{ci},k})}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1,\mathrm{if}& k\&NotEqual;T{c}_i\\ {\mathrm{\&beta;}}_2,\mathrm{if}& k=T{c}_i\end{array}\right.,0\&le;{\mathrm{\&beta;}}_1<{\mathrm{\&beta;}}_2,{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2\&Element;R\end{array}---\left(2\right)$

其中，MEATT(s,d)表示节点s到节点d之间的多信道期望任意传输时间，s为源节点，d为目的节点，L表示数据长度，B_k表示所在信道的速率，J表示s到d的候选节点集，c_i表示s到d的候选节点中优先级为i的节点，p_ci,k表示s到c_i使用信道k的链路包投递率。α_i是区别信道的参数，与α相同。

公式(2)中的(L/B_k)/(1-∏_ci∈J(1-p_ci,k))表示s用信道k成功传输到候选节点集J的开销，即至少有一个候选节点成功接收；MEATT(c_i,d)是c_i进行转发的开销，表示节点c_i成功接收数据包而优先级比i高的节点没有成功接收数据包的概率，两者之积然后再对i求和就是通过候选节点集J成功转发到d需要的开销。

最后s选择使端到端MEATT最小信道的射频来进行传输，在下面的算法中，使得MEATT值最小的节点作为候选节点，构成候选节点集J。

基于所提出的新路由指标，提出算法及分布式实现方法来进行选路，接着分析算法开销。确定信道感知的路由指标后，还需要设计相应算法来进行选路。我们采用类似Dijstra算法进行路由计算。本发明方法（ChannelAwaredOpportunisticRouting，CAOR）伪代码如算法1所示。

表1CAOR算法伪代码

对于给定图G(V,E)，算法计算所有节点到目的节点d的最短多信道任意路径。在算法中，为了方便表述我们用MEATT_i来简化表示MEATT(i,d)。

对于任何一个i∈V的节点，我们为每一个信道k∈K维护一个指标估计值MEATT^(k) _i。而且我们为节点i使用信道k时，维护一个候选节点集F^(k) _i。使用无信道下标的MEATT_i和F_i来表示节点i在所有信道下最小的多信道期望任意传输时间和相应的候选节点集。使用T_i表示节点i要传输数据到d所使用的信道。使用S来表示已经找到路径的节点集，对于还没有找到路径的节点i∈V-S，按他们的MEATT_i值大小存在队列Q中。

本发明方法的主要思想是，任意节点i在信道k上都有一个独立的指标值MEATT^(k)i，我们把最小的记为节点的指标MEATT_i。算法的步骤是:

步骤1：初始化，把所有节点的MEATT_i和MEATT^(k) _i设为无穷大，F_i、F^(k) _i和T_i设为空；目的节点的MEATT_d设为零，S设为空，Q设为V。

步骤2：当Q不为空时循环执行步骤2.1和2.2，

步骤2.1：Q中最小指标的节点被选中并从Q中删除，假设是节点j。

步骤2.2：对于每一条边(i,j)∈E，检查每一个信道k∈K，循环执行步骤2.2.1、2.2.2和2.2.3，

步骤2.2.1：如果MEATT^(k) _i大于刚刚确定的节点j的指标MEATT_j，而且将j临时加入到i的候选节点集J中，计算节点i临时的指标MEATT’^(k) _i。

步骤2.2.2：如果MEATT^(k) _i比刚刚计算的临时MEATT’^(k) _i大，那么j就被加入到节点i的候选节点集F^(k) _i中，MEATT^(k) _i也被更新。

步骤2.2.3：如果新的MEATT^(k) _i小于节点的MEATT_i，那么就更新节点的MEATT_i，同时也更新候选节点集F_i和信道T_i。

根据分布式Bellman-Ford协议，上述方法可以分布式执行。对于每个节点维护一个路由表，路由表中每个目的节点有一个表项<目的节点，MEATT，候选转发集，信道>。时间被分为一连串固定长度的时间间隔，在每一个时间间隔中执行CAOR的一次循环。在每一个时间间隔中，每个节点执行算法5.1中步骤11-25的循环部分来更新到每个目的地址的MEATT。如果路由表的表项改变，这个节点发送路径向量元组<目的地址，MEATT，信道>给它的直接邻居。这一步骤称为路径向量更新。在下一个循环中，它的直接邻居根据新的路径向量来更新自己的路由表。因为同步的先验协议要求严格的时间同步，我们也提出一个非同步的先应表驱动协议。每个节点周期发送路径向量元组<目的地址，MEATT，信道>给它的直接邻居。更新操作根据网络的规模和动态情况周期更新。当路由表中的表项改变，节点也触发路径向量更新。一个节点一旦接收到路径向量更新，它使用算法来计算自己到目的地址的MEATT。如果这一计算导致路由表改变，它也触发一个路径向量更新。明显在同步协议中，对于动态网络需要周期更新路径向量，对于静态网络算法至少在O(V)次循环后停止。

算法的时间复杂度依赖于队列Q如何实现。算法1的1-10行的初始化需要O(VK)时间。假设我们使用Fibonacci堆，那么12行的选择最小值的EXTRACT-MIN操作需要O(VlogV)时间。18行MEATT’^(k) _i的计算可以优化成常数时间。那么15-25行的for循环需要O(EK)时间。整个的运行时间为O(VlogV+(E+V)K)，就是O(VlogV+EK)所有节点可以计算得到到达d的路径。与Dijkstra算法相比，花了一些计算时间，使得节点可以运用多信道资源。

如图5所示，5个节点的拓扑中，每个节点配备2个射频，一个使用802.11a，一个使用802.11b。实线表示802.11a的链路，虚线表示802.11b的链路，每条边上数值是链路的期望传输时间ETT。

图6展示CAOR算法的使用MEATT指标的计算过程，图6(a)为初始化阶段。图6(b-e)为算法的每一轮，在每一轮中，节点旁的值表示通过加粗的链路到目的节点的MEATT值。节点的圆边加粗表示节点到目的节点的路径已经确定。图6(f)为确定最后一个节点。

算法的结果在表2中显示。新路由指标能选择节点3（利用(3,2)和(2,d)之间可以并发的链路），并且考虑多个候选节点，产生如图6(f)所示的路径。在这一路径下s到d的端到端吞吐量可达17.09M。

表2MEATT指标的候选节点集和工作射频

还存在另外两种选择机会路由的方法。一种方法是直接使用单信道的机会路由指标，如期望任意传输时间（EATT）。由于在多射频多信道环境下，EATT无法直接使用，我们对它进行简单扩展。计算方式与单射频下差别不大，都是从目的节点开始，利用Dijkstra算法依次计算所有节点的EATT。只是每个节点会计算所有链路在不同信道上的EATT，然后选择到目的节点最小的EATT。图7为EATT指标进行路由选择后的结果。表4为所构成的多信道任意路径，也就是图7中保留的链路。这一路径下s到d的端到端吞吐量为10.7M。

从例子中可以看出，s没有选择节点3作为候选节点。主要原因EATT是不区分不同的信道以及信道之间干扰与否，把所有的链路都视为是相互干扰的，路径的期望传输时间是链路传输时间之和。对于3-2-d的路径，由于把3-2之间使用信道802.11a的链路与2-d之间使用信道802.11b的链路视为一定相互干扰，使得计算3-2-d需要的开销比实际大，得到3(0.137)的开销比s(0.133)的开销大。因此不会将3加入s的候选节点集，s的候选节点只有1、2和d。

表3EATT指标的候选节点集和工作射频

另一种思想是直接使用现有的传统路由的多信道路由指标，干扰信道切换开销指标（MIC）。MIC计算时惩罚相连节点使有相同信道，但它们没有考虑机会路由的多个候选节点的特点不适合机会路由。图8和表4展示MIC指标选路的结果，这一路径下s到d的端到端吞吐量只有9.68M。MIC路由指标会惩罚使用相同信道的路径，但是从s-3-2-d的路径的MIC值0.307比当前s的开销最小值0.204（从s-1-d）的值大，节点3并不会为s减少开销。关键由于MIC并不考虑节点3、1和d同时帮助转发的可能性，所以s的候选节点只有1和d。

表4MIC指标的候选节点集和工作射频

同样的环境，我们与图7和图8中使用EATT和MIC指标的结果比较。使用EATT指标，s到d的候选节点有节点1、2和d，s使用信道1。使用MIC指标，s到d的候选节点只有节点1和d，节点s使用信道1。使用MEATT的结果s到d的候选节点包括1、3和d，s使用信道1。对这三种不同的路径进行网络吞吐量分析，得到使用EATT、MIC和MEATT从s到d的吞吐量分别为10.7，9.68和17.09Mbps。使用MEATT的机会路由比EATT、MIC吞吐量高出59.7%和76.9%。

为了评估我们提出的路由指标和算法MEATT/CAOR性能，我们实现三种机会路由选择机制。

●EATT：使用CAOR算法和EATT指标进行路由计算。由于在多射频多信道环境下，EATT无法直接使用，我们对它进行简单扩展。计算方式与单射下差别不大，都是从目的节点开始，利用Dijkstra算法依次计算所有节点的EATT。只是每个节点会计算所有链路在不同信道上的EATT，然后选择到目的节点最小的EATT。

●MIC：使用CAOR算法和MIC指标进行路由计算。

●MEATT：使用CAOR算法和MEATT指标进行路由计算。我们设定β₁,β₂为1和2。

由于节点的射频配置数目受到节点体积的影响，因此假设每个节点配置2个射频，一个射频使用802.11a，另一个射频使用802.11b，一共有2个信道。网关节点位于区域的中央。同样使用shadowing模型来模拟信道衰落，主要参数在表5中列出。

表5参数设置

我们利用两个性能指标进行分析。一是吞吐量，二是延时。吞吐量指所有流的汇聚吞吐量，延时也是所有流的汇聚延时。为了评估多射频多信道无线网状网中机会路由性能，我们扩展机会路由性能DICE^[30]模型来支持多射频多信道。利用这个模型我们可以获得吞吐量和延时。扩展的DICE模型通过使用LINGOAPI^[107]求解。每一轮在相同源节点和目的节点情况下，顺序执行EATT,MIC和MEATT三种机会路由方式可获得的吞吐量和延时。

不同的因素将会对性能产生不同的影响。我们分析节点的密度和网络流的分布这两个因素对性能的影响，因此执行两类评估实验。第一类实验中，固定区域大小为400*400米，随机分布16、25、36、49、64和81个节点在这个区域内。第二类实验中，在400*400米的正方形区域内随机分布25个无线节点，存在不同的流分布情况。下面展示实验的结果。

1.节点密度影响

在固定大小的区域内，增加节点的个数，从16依次增加到25、36、49、64和81。在每个节点密度和随机的网络拓扑下所有节点顺序成为源节点。评估所选择节点到网关节点组成流的端到端吞吐量和延时。

图9和图10表示所有节点到网关节点的平均吞吐量和延时。在节点个数较小时，如16个节点时，由于网络连通性不好，吞吐量较小和延时较大。但MEATT总是获得最高的吞吐量和最低延时。

图11和图12展示MEATT指标对比EATT和MIC平均吞吐量提升和平均延时减低的百分比。在吞吐量上MEATT平均比EATT提升1.14倍，比MIC提升1.53倍。在延时方面MEATT平均比EATT减低17%，比MIC降低40%。

2.流分布影响

我们的第二类实验在随机产生的网络拓扑中验证MEATT/CAOR在不同的源节点和目的节点下的性能。网关节点位于正方形区域中央。根据无线网状网的流量分布我们分成两类：单流和多流，其中多流又可以分为网关模式（多源单目的）和多源多目的模式。

单流模式下，任意时刻网络中只存在1条流。我们顺序选择所有节点作为源节点，网关节点作为目的节点。图13和图14为单个流使用不同路由指标获得吞吐量和延时的累积分布函数。中值情况下，与EATT和MIC相比，MEATT获得18.9%和95.7%的吞吐量提升，9.9%和47.3%的延时降低。

同时我们可以获得EATT、MIC和MEATT的平均吞吐量为29.22、20.36、34.74Mbps，MEATT比EATT和MIC分别提升18.87%和70.62%。使用EATT、MIC和MEATT的平均延时为0.051、0.10、0.43ms，MEATT比EATT和MIC分别降低19.3%和58.3%。

网关模式下存在多个源节点不同但目的节点相同的并发流，目的节点是网关节点。并发流数目从1、6、12、18增加到24，直到所有节点都成为源节点或目的节点。每个并发流数目下，随机选择20组不同的源节点和目的节点对组成并发流，顺序使用3种机会路由方式获得汇聚吞吐量和延时，然后取平均值。如图15和图16随着并发流数目增加（18和24个并发流），由于MIC考虑了信道差异并充分利用信道资源，MIC优于EATT。随着并发流数目增加，MEATT的增益减低。这是因为并发流数目增加，参与发送的节点也增加，信道资源被分布到不同流上，这降低了通过信道资源和候选节点分布来提升吞吐量的空间。MEATT吞吐量平均比EATT和MIC分别提升9.51%和17.6%。MEATT延时平均比EATT和MIC分别降低16.6%和31.3%。

多源多目的模式下存在多个源节点和目的节点都不同的并发流。并发流数目从1、3、6、9增加到12，直到所有节点都成为源节点或目的节点。图17和图18为不同并发流数目下的平均吞吐量和延时。MEATT吞吐量平均比EATT和MIC分别提升12.42%和41.60%。MEATT延时平均比EATT和MIC分别降低20.09%和46.25%。由于网关模式所有并发流汇聚到网关节点，使得网关节点成为瓶颈。而多源多目的模式下，并发流的流量分布在整个网络中，单个节点不会成为瓶颈，所以多源多目的模式下的性能提升高于网关模式。

Claims (1)

1.一种多射频多信道无线网网状网信道感知的机会路由方法，其特征在于，该方法为：

1)将多射频多信道无线网状网对应成一个无向图G＝(V,E)，所述无向图包含N个节点，其中V为节点集，E为节点间链路的矩阵；

2)将所述无向图中任意节点i在所有信道下的多信道期望任意传输时间MEATT^(k) _i和最小多信道期望任意传输时间MEATT_i设为无穷大，F_i、F^(k) _i和T_i设为空；目的节点在所有信道下的最小多信道期望任意传输时间MEATT_d设为零，S设为空，Q设为V；其中，F^(k) _i为节点i的候选节点集；F_i为节点i在所有信道下的最小多信道期望任意传输时间对应的候选节点集；S表示已经找到的路径的节点集；Q为用于存储还没有找到路径的节点i'∈V-S的队列；T_i表示节点i要传输数据到目的节点d所使用的信道；i∈V；

3)判断Q是否为空，若否，则进入步骤4)；否则，结束；

4)选定并去除Q中最小多信道期望任意传输时间最小的节点j；

5)对于所述无向图的每一条边(i,j)∈E，检查每一个信道k∈K；

6)如果MEATT^(k) _i大于节点j的多信道期望任意传输时间MEATT_j，则将节点j和节点i的候选节点集F^(k) _i设为临时候选节点集J，利用公式 $\frac{L/B_k+{\mathrm{\&Sigma;}}_{c_i\&Element;J}{\mathrm{\&alpha;}}_i*{\mathrm{MEATT}}_{c_i}{p}_{c_i,k}{\&Pi;}_{j=1}^{i-1}\left(1-p_{cj,k}\right)}{1-{\&Pi;}_{c_i\&Element;J}(1-p_{c_i,k})}$ 计算节点i在信道k上的多信道期望任意传输时间，并赋值到临时多信道期望任意传输时间MEATT’^(k) _i中；其中，L表示数据长度；B_k表示所在信道的速率；c_i表示候选节点集中优先级为i的节点，p_ci,k表示s到c_i使用信道k的链路包投递率；α_i是区别信道的参数， ${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1,& k\&NotEqual;{\mathrm{Tc}}_i\\ {\mathrm{\&beta;}}_2,& k={\mathrm{Tc}}_i\end{array}\right.,0\&le;{\mathrm{\&beta;}}_1<{\mathrm{\&beta;}}_2,{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2\&Element;R,$ Tc_i为c_i进行传输的信道；如果i到c_i使用的信道k与Tc_i不相同，那么α_i设为不同信道惩罚参数β₁；如果i到c_i使用的信道k与Tc_i相同，那么α_i设为相同信道惩罚参数β₂；(L/B_k)/1-Π_ci∈J(1-p_ci,k)表示s用信道k成功传输到候选节点集J的开销，即至少有一个候选节点成功接收；MEATT_ci是c_i进行转发的开销，表示节点c_i成功接收数据包而优先级比i高的节点没有成功接收数据包的概率；

为通过候选节点集J成功转发到目的节点d需要的开销；

7)如果MEATT^(k) _i大于MEATT’^(k) _i，那么将临时候选节点集J设为节点i的候选节点集F^(k) _i，即J赋值给F^(k) _i，并更新MEATT^(k) _i为MEATT’^(k) _i；

8)如果更新后的MEATT^(k) _i小于节点i的MEATT_i，那么更新节点i的MEATT_i为MEATT^(k) _i，F_i更新为F^(k) _i，T_i更新为k；

9)重复步骤6)～步骤8)，直到遍历完无向图中与j相连的所有的边(i,j)和所有的信道K；

10)重复步骤4)～9)，直到Q为空。