CN103986563A - 瑞利信道下基于etx值的多包反馈机会路由的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，涉及一种多包反馈机会路由的数据传输方法。它是为了降低系统反馈应答开销。本发明应用在一个区域中存在众多节点(数十个至上百个)，节点之间为信道参数随机的瑞利衰落信道，节点之间通过反馈信息计算ETX值来选择数据包前传路线的机会路由策略。本发明提供了机会路由中的数据帧、反馈帧和应答帧，其中，多个包的反馈信息放入一个反馈帧中进行反馈，从而有效减小了系统反馈应答开销。本发明适用于瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输。

Description

瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种多包反馈机会路由的数据传输方法。

背景技术

在无线通信环境较为复杂时，电磁波会经过反射、折射、散射后由多条路径到达接收机，接收信号的包络被描述为服从瑞利分布。在这样的瑞利衰落信道中，传统的AODV、DSR等无线多跳网络路由协议表现较差，其主要原因有二：一为传统路由采用的是确定性的单一路由的方式，在瑞利衰落下，单一路径的可靠性很差，造成丢包率和时延大大增加；二为传统路由采用跳数或距离作为路由度量方式，在瑞利衰落信道下并不适用，因为经历跳数较小的两点或地理位置上相距较近的两点可能由于多径效应导致信号发生大的衰落，链路条件很差。

针对瑞利衰落信道的情况，有必要采用机会路由算法，充分利用无线的广播特性来提高传输的可靠性和成功率，也有必要采用一种有别于跳数或距离的新的路由度量方式(如ETX值)，来真实地反映信道质量的好坏。

机会路由同传统路由相比有它的优势：可以有效地降低重传率、丢包率以及平均跳数，使得在无线信道条件不稳定且较差时，有更多的数据包能通过更小的跳数到达目的节点。但机会路由同传统路由相比，也有它的缺陷，即开销太大，这是由于机会路由利用了多个节点的前传机会，就需要在这些收到了数据包的节点间建立一种协调机制，以知道哪个节点在这些节点中的ETX值最小，从而决定由谁发起下一跳传输，因此机会路由的应答开销较大。

发明内容

本发明是为了降低系统反馈应答开销，从而提供一种瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由实现方法。

瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，它由以下步骤实现：

步骤一、源节点连续发送N个数据帧到瑞利信道，所有中继节点分别从瑞利信道接收该N个数据帧中的M个数据帧，并将收到的M个数据帧放入各自的缓存；N为正整数；M是小于或等于N的正整数；

步骤二、源节点发送完N个数据帧后发送一个确认帧，每个缓存中含有该N个数据帧中的M个数据帧的中继节点分别判断自身ETX值是否小于源节点，若判断结果为是，则广播反馈信息，并执行步骤三；如果判断结果为否，则该中继节点不发送反馈信息，并执行步骤三；

反馈信息中通过打孔表征该节点拥有N个数据帧中的M个数据帧；

步骤三、每个中继节点接收其它节点发送的反馈信息，并结合所有反馈信息以及自己收到的数据包情况进行ETX值排序，得出每个数据帧当前所处的最小ETX值的中继节点，每个数据帧当前所处的最小ETX值的节点作为该数据帧的前传中继节点；每个中继节点对缓存中不归属自己转发的数据帧删除，然后设置定时器，按照ETX值由小到大的顺序，各个中继节点进行数据帧的转发；

当包含有ETX值最大数据帧的中继节点完成数据帧发送后，发送确认帧；

步骤四、目的节点接收每个中继节点发送的数据帧，当收齐所有的数据帧后广播确认帧；其它各中继节点接收到目的节点发送的确认帧后将缓存清空，完成一次瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输。

步骤三中，各个中继节点进行数据帧的转发的过程中，若某个数据帧由一个节点发送了超过1次，则将该数据帧传送次数字段值加1，当传送次数字段的值超过预设值后，将该数据帧丢弃。

本发明应用在一个区域中存在许多节点(数十个至上百个)，节点之间为信道参数随机的瑞利衰落信道，节点之间通过反馈信息计算ETX值来选择数据包前传路线的机会路由策略。方案设计了机会路由中的数据帧、反馈帧和应答帧，其中，多个包的反馈信息放入一个反馈帧中进行反馈，从而有效减小了系统反馈应答开销。

以单次传送100个数据帧为例，本发明能够大幅度减少反馈应答帧的数目，平均成功传送一个数据帧只需要1个左右的反馈应答帧，依据帧结构能够计算出这种机制的反馈帧有156bit，若原始的应答机制反馈帧长度为64bit，则原始应答机制中一个数据帧的成功传送大约伴随着3200bit反馈信息的传送，而100包共同反馈的应答改进机制只需要传送156bit反馈信息，大幅度减小了反馈开销。且本发明无论信道状况如何，都有较大的性能优势，在信道状况好的情况下，该方案的优势更加显著。

附图说明

图1是ETX值计算原理示意图；

图2是本发明中数据帧的结构示意图；

图3是本发明中反馈帧的结构图；

图4是本发明中确认帧结构图；

图5是仿真采用的拓扑示意图；

图6是采用100帧数据共同反馈机制ACK数目仿真示意图；

图7是采用普通应答机制ACK数目的仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，它由以下步骤实现：

步骤一、源节点连续发送N个数据帧到瑞利信道，所有中继节点分别从瑞利信道接收该N个数据帧中的M个数据帧，并将收到的M个数据帧放入各自的缓存；N为正整数；M是小于或等于N的正整数；

步骤二、源节点发送完N个数据帧后发送一个确认帧，每个缓存中含有该N个数据帧中的M个数据帧的中继节点分别判断自身ETX值是否小于源节点，若判断结果为是，则广播反馈信息，并执行步骤三；如果判断结果为否，则该中继节点不发送反馈信息，并执行步骤三；

反馈信息中通过打孔表征该节点拥有N个数据帧中的M个数据帧；

步骤三、每个中继节点接收其它节点发送的反馈信息，并结合所有反馈信息以及自己收到的数据包情况进行ETX值排序，得出每个数据帧当前所处的最小ETX值的中继节点，每个数据帧当前所处的最小ETX值的节点作为该数据帧的前传中继节点；每个中继节点对缓存中不归属自己转发的数据帧删除，然后设置定时器，按照ETX值由小到大的顺序，各个中继节点进行数据帧的转发；

当包含有ETX值最大数据帧的中继节点完成数据帧发送后，发送确认帧；

步骤四、目的节点接收每个中继节点发送的数据帧，当收齐所有的数据帧后广播确认帧；其它各中继节点接收到目的节点发送的确认帧后将缓存清空，完成一次瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输。

本方案能够完成以下功能：

功能1：节点之间采取基于ETX值的机会路由策略以完成多跳传输。

功能2：节点将多个包(数十个至上百个)的反馈信息放入一个反馈帧中进行反馈。

名词解释：

机会路由：从源节点到目的节点发送的数据包并不是按一条固定的最佳路径传输，也即每次转发的数据包并不是单播给某一个节点，而是充分利用无线网络的广播特性，每次收到数据包的节点都不能提前预知，实际中收到了数据包的一组节点根据它们到目的节点的某种度量(Metric)来确定它们的优先级，由优先级最高的节点继续广播数据包给另外一组节点，如此重复直到目的节点成功接收了数据包。

ETX值：用于表征节点到节点之间的最优信道的水平,ETX值越小表明节点之间最优信道条件越优良(重传的可能性越小)，任意节点到该节点本身的ETX值为0。瑞利信道参数h与ETX值之间的关系可以这样建立，h直接影响的是接收信号的功率Pr，由信噪比SNR的定义可以知道Pr影响信噪比的大小，信噪比又决定着误码率BER的大小，BER与丢包率PER(错一个比特算作丢包)的关系可以由封包的长度来确定，从而就可以根据ETX的定义式：

$\mathrm{EXT}=\frac{1}{1-\mathrm{PER}}=\frac{1}{{(1-\mathrm{BER})}^{\mathrm{pktlength}}}$

求得ETX值的大小；式中：pktlength代表数据包的长度。

以图1为例讲解怎样计算网络中每个节点的ETX值，目的节点为5号节点，ETX值采取每段链路的加和的形式，节点的ETX值取到目的节点传送次数最小的链路ETX值，目的节点的ETX值取0。例如1号节点，若采取1→2→4→5的链路，则ETX值为1/0.9+1/0.9+1/0.85＝3.40，若采取1→4→5的链路，则ETX值为1/0.3+1/0.85＝4.51，若采取1→3→5的链路，则ETX值为1/0.7+1/0.7＝2.86，若直接采取1→5的链路，则ETX值为1/0.1＝10，比较这些可能链路的ETX值发现采取1→3→5的链路传送次数最小，所以1号节点的ETX值为2.86。同样地，可以验证各个节点的ETX值应为图中所标注的值。推广至较大的网络，我们可以得到每个节点的ETX值和达到这个ETX值应采取的路径。

本发明提出了机会路由数据前传过程中需要用到的三种不同帧：数据帧、反馈帧以及确认帧，首先将这三种帧的帧结构以及各字段含义介绍如下：

数据帧用来传递数据，由帧头和数据位组成，数据位长度可变(数千bit也可)，帧结构如图2所示。

图2中：同步信息：8bit，用来同步并区分确认帧，反馈帧和数据帧。

源节点ID：8bit(最多可支持255个节点)，表明发起这次数据传输的节点。

目的节点ID：8bit，表明这次数据传输的目的节点。

路由节点ID：8bit，当前转发数据包的节点的ID。

传送次数：4bit，表征该数据包由当前的中继节点前传的次数。由同一个节点前传超过7次未成功则丢掉该数据包。

包数单位：8bit，指示该批次要发送的数据包数。反馈也是以该数量的数据包为单位进行的。

数据包ID：8bit，当前数据包的ID。

数据位长度：8bit，指示后面数据位的长度，以4字节为单位。例如：数据位长度为4096bit，则该值为128(10000000)。

校验位：16bit，采用CRC校验对帧头起到校验作用。

反馈帧用来反馈信息，只有帧头没有数据位，帧结构如图3所示。

其中，同步信息、源节点ID、目的节点ID、路由节点ID以及包数单位字段的长度与含义都同数据帧一致。

反馈数据包号：数十至上百bit，取决于包数单位，每一位表征该号数据帧是否收到。例如：包数单位的值为96，则反馈数据包号部分长度为96bit，从前到后表示第一个数据帧到最后一个数据帧，每一位以打孔的方式表征该节点是否收到了该号数据帧，如果收到了则为1，如果没收到则为0。

校验位：16bit，采用CRC校验对帧头起到校验作用。

确认帧可用于标识源节点当前批次的数据包全部发送完毕、中间节点一次转发的完毕或者目的节点已收齐未丢弃的数据包。其最重要的作用是标识一跳传输的结束，收到确认帧后，各个成功收到了数据帧的节点开始依次发送反馈帧。确认帧由帧头组成，帧头格式如图4所示。

确认帧各字段的含义都同数据帧、确认帧的对应字段一致。确认帧非常短小，只有4字节，是为了保证确认帧能够以很大概率成功被节点收到。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法的区别在于，步骤三中，各个中继节点进行数据帧的转发的过程中，若某个数据帧由一个节点发送了超过1次，则将该数据帧传送次数字段值加1，当传送次数字段的值超过预设值后，将该数据帧丢弃。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法的区别在于，所述预设值为7。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法的区别在于，N的取值为100。

本实施方式是以100包共同反馈为例来说明数据包的整个传送过程，包数单位设为100，反馈数据包号共有100bit。

步骤一：源节点连续发送100个数据帧，其他节点将收到的数据帧放入各自的缓存(因为是瑞利衰落信道，同时数据帧长度很长，因此丢包率很大，每个节点收到的数据帧均有限且各不相同)。

步骤二：源节点发送完100个数据帧后发送一个确认帧，表征100个包已经发完，其他节点中缓存中含有刚刚发送的100帧中的任意帧的节点判断ETX值是否比源节点小，若是则发送反馈(即这100个数据帧均没收到的节点不发送反馈，ETX值比源节点大的节点也不需要发送反馈)，反馈信息中通过打孔表征了该节点拥有100个数据帧中的哪些帧。

步骤三：每个节点收到了其他节点发送的反馈信息，每个节点结合反馈信息以及自己收到的数据包情况进行ETX值排序，得出每个数据帧当前所处的最小ETX值的节点，从而每个节点知道应当由自己负责继续前传的数据帧，节点根据计算结果对缓存中不归属自己转发的数据帧进行删除，然后设置定时器，按照ETX值由小到大的顺序，各个节点进行数据帧的转发(每个数据帧只由拥有这个数据帧的节点中ETX最小的那个节点转发)。

步骤四：这次转发中最后一个负责前传的节点(也即所有有前传任务的节点中ETX值最大的那个节点)在发送完最后一个数据帧时发送确认帧，以表征本次转发的结束。其他节点如果收到了来自ETX值比自己大的节点发送的数据帧，则需要发送反馈信息，反馈信息中通过打孔表征了该节点拥有100个数据帧中的哪些帧。

每个节点收到反馈后重复步骤三至步骤四的过程。若某个数据包由一个节点发送了超过1次，这时就要将传送次数字段值加1，当传送次数字段的值超过了7，就将该数据包丢弃。任意时间中，只要目的节点收齐了所有未发生丢弃的数据帧即发送确认帧。各节点接收到目的节点发送的确认帧后将缓存清空，源节点开始下一批次100个数据帧的传输，重复步骤一至步骤五的过程。

发明效果：为检验发明效果，采用MATLAB对于图5所示的节点拓扑图进行仿真。如图所示，在1000m×1000m的区域内均匀铺设100个节点，仿真中假设节点之间的信道为瑞利衰落信道(瑞利信道参数选取σ＝0.8493和σ＝0.5574，分别表征信道质量较好和信道质量较差的两种情况)，采用BPSK调制，当前19号节点(源节点)向92号节点(目的节点)发送信息，包数单位设定为100。

将本发明所设计的100包共同反馈机制同普通应答机制的反馈应答帧的数目绘在一起以便于比较，如图6和图7所示。其中普通应答机制是指网络中的节点每收到一个数据帧，就需要发出一个反馈帧。

这里反馈应答ACK的数目是指平均一个数据帧成功从源节点传送到目的节点所需要发送的反馈帧数目。从图6和图7中可以看出，这种多包共同反馈的方案可以大大减少反馈应答帧的数目，平均成功传送一个数据帧只需要1个左右的反馈应答帧，依据帧结构可以计算出这种机制的反馈帧有156bit，若原始的应答机制反馈帧长度为64bit，则原始应答机制中一个数据帧的成功传送大约伴随着3200bit反馈信息的传送，而100包共同反馈的应答改进机制只需要传送156bit反馈信息，可以大大减小反馈开销。从图6和7中还可以看出多包反馈机制无论信道状况如何，都有较大的性能优势，在信道状况好的情况下，本发明的优势更加显著。

Claims (4)

1.瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、源节点连续发送N个数据帧到瑞利信道，所有中继节点分别从瑞利信道接收该N个数据帧中的M个数据帧，并将收到的M个数据帧放入各自的缓存；N为正整数；M是小于或等于N的正整数；

步骤二、源节点发送完N个数据帧后发送一个确认帧，每个缓存中含有该N个数据帧中的M个数据帧的中继节点分别判断自身ETX值是否小于源节点，若判断结果为是，则广播反馈信息，并执行步骤三；如果判断结果为否，则该中继节点不发送反馈信息，并执行步骤三；

反馈信息中通过打孔表征该节点拥有N个数据帧中的M个数据帧；

步骤三、每个中继节点接收其它节点发送的反馈信息，并结合所有反馈信息以及自己收到的数据包情况进行ETX值排序，得出每个数据帧当前所处的最小ETX值的中继节点，每个数据帧当前所处的最小ETX值的节点作为该数据帧的前传中继节点；每个中继节点对缓存中不归属自己转发的数据帧删除，然后设置定时器，按照ETX值由小到大的顺序，各个中继节点进行数据帧的转发；

当包含有ETX值最大数据帧的中继节点完成数据帧发送后，发送确认帧；

步骤四、目的节点接收每个中继节点发送的数据帧，当收齐所有的数据帧后广播确认帧；其它各中继节点接收到目的节点发送的确认帧后将缓存清空，完成一次瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输。

2.根据权利要求1所述的瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，其特征在于步骤三中，各个中继节点进行数据帧的转发的过程中，若某个数据帧由一个节点发送了超过1次，则将该数据帧传送次数字段值加1，当传送次数字段的值超过预设值后，将该数据帧丢弃。

3.根据权利要求2所述的瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，其特征在于所述预设值为7。

4.根据权利要求1所述的瑞利信道下基于ETX值的多包反馈机会路由的数据传输方法，其特征在于N的取值为100。