CN104144460A - 一种干扰感知的源节点和路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干扰感知的源节点和路由选择方法，设计了一个新的路由指标MIPC，来表征考虑无线传输干扰下的路径的吞吐量，该路由指标不仅考虑了流间的干扰，而且也考虑了流内干扰。其次，根据新的路由指标，本发明提出了一种联合源节点选择、路由选择和信道分配的方法。该方法能从多个源节点中，为目的节点找到使得整体网络聚合吞吐量最大的源节点子集，以及这些选定源节点子集和目的节点之间对应的路由及信道分配。本发明的方法可以在充分考虑干扰的影响下同时进行源节点选择、路由选择和信道分配，同时考虑了流内干扰和流间干扰，选择并确定最优服务源节点子集，并计算源节点到目的节点的路由和路由上每跳链路的信道分配，最大化了目的节点的聚合吞吐量。

Description

一种干扰感知的源节点和路由选择方法

技术领域

本发明涉及无线网络领域，具体为一种干扰感知的源节点和路由选择方法。

背景技术

在有线网络中，多个源节点同时向同一个目的节点传输数据时，网络中会存在多条到达目的节点路径，参与传输的源节点越多，目的节点获得的下载服务就越好。如有线网络的P2P传输，网络中的流媒体服务器及缓存了相应流媒体资源的peer节点都可以充当数据请求节点的源节点，同时为用户传输数据，使得用户获得更高的下载速度。参与传输的peer越多，系统的整体服务能力越强。然而在无线网络中，由于不可避免的无线信道干扰，对于多个源节点向同一个目的节点传输数据的方式，并不是选择越多的源节点给目的节点提供服务就可以得到更大的网络吞吐量。此外路由与信道之间相互影响，从而影响源节点的确定。源节点的选择、路由选择和信道分配三者之间相互影响，源节点的选择必须和路由选择和信道分配联合进行考虑。

我们以图1、图2、图3为例说明为了最大化目的节点的下载吞吐量，在存在多个源节点时，联合源节点选择、路由选择和信道分配问题的挑战。

当全部源节点都被选择为目的节点提供服务，如图1所示，存在3条到达目的节点的路径，分别为p₁，p₂，p₃。路径p₁由链路e(1,5,Ch₁)，e(5,9,Ch₂)，e(9,12,Ch₂)，e(12,17,Ch₃)，e(17,22,Ch₃)组成，各链路容量分别为8，8.33，4.6，4.8，6.75。因为数据流传输时，不可避免存在无线链路之间的干扰，链路两跳范围内的其他路径上的链路使用相同的信道会对本链路产生干扰，影响链路的可用容量。以链路e(1,5,Ch₁)为例，它的初始容量为24，使用的信道为Ch₁。由于p₂路径上的链路e(2,5,Ch₁)和p₃路径上的链路e(3,6,Ch₁)都在链路e(1,5,Ch₁)的干扰范围内，且同样使用了信道Ch₁，因此链路e(2,5,Ch₁)和e(3,6,Ch₁)与链路e(1,5,Ch₁)之间存在干扰。如果干扰的链路采用TDMA的MAC层协议公平地使用无线信道，链路e(1,5,Ch₁)的可用容量可计算为8=24/(2+1)。路径p₁的其他链路的容量的计算方法与此类似。路径的容量由链路的最小容量确定，由此可得到路径p₁的容量为4.6。类似的，在考虑干扰的情况下，路径p₂由链路e(2,5,Ch₁)，e(5,10,Ch₂)，e(10,13,Ch₃)，e(13,18,Ch₂)，e(18,22,Ch₃)组成，各链路的可用容量分别为7.33，6.5，6.25，5.6，5.2。因此路径p₂的容量为5.2。在考虑干扰的情况下路径p₃由链路e(3,6,Ch₁)，e(6,14,Ch₃)，e(14,19,Ch₂)，e(19,23,Ch₃)，e(23,22,Ch₂)组成，各链路的可用容量为别为7.67，5.75，5.67，5.8，8.67。因此路径p₃的容量为5.67。由此可得图1中3条路径的总容量为路径p₁、p₂、p₃容量之和，为15.47。

当部分源节点被选择为目的节点服务时，如图2所示，源节点1、2被选择为目的节点提供服务，存在2条到达目的节点的路径，分别为p₁和p₂。路径p₁的容量为8，路径p₂的容量为13，因此图2中2条路径的总容量为21。虽然图2中只有两个源节点为目的节点提供数据下载服务，但是图2中的聚合可用容量大于图1中三个源节点同时为目的节点提供服务的聚合容量。

在图2的基础上，为了进一步减低无线干扰对无线传输的影响，我们对图2所选的路径进行信道的重新调整，如图3所示。调整后的两条路径仍然为p₁和p₂，由于我们将链路e(19,23)的信道进行调整，改用信道Ch₁，降低了链路间的无线干扰，两条路径的容量分别为11.5，13，总容量为24.5，大于图2中未合理分配信道时的总容量。

从上面的例子可知，由于不可避免的无线传输干扰，与有线网络不同的是，并不是选择越多的源节点给目的节点提供服务就可以得到更大的网络吞吐量，最优的源节点选择往往是所有备选源节点的子集。因此，为请求服务的目的节点选择提供服务的源节点是一个组合优化问题。进一步，源节点的选择、路由选择和信道分配三者之间相互影响，源节点的选择必须和路由选择和信道分配联合进行考虑。

首先，无线网络干扰的存在，不仅影响到数据传输中源节点的选择，还影响了数据传输路径的计算。这是因为在给定所选择的多个源节点时，只有优化计算多个源节点到资源请求节点的多条路由路径，才能降低无线传输干扰，提高数据传输的性能。更为重要的是，源节点的选择和路由选择是紧密相关的，不同的路由选择方案反过来又会影响源节点选择结果。

其次，无线信道分配直接影响网络拓扑。为了最大化目的节点的聚合吞吐量，路由的选择由路径的容量决定，而路径容量又受到干扰链路的影响。干扰链路数一部分由信道分配决定。此外，信道分配会影响路由的选择，节点间若不存在相同的信道则无法通信。反过来，不同的路由选择会产生不同的干扰链路，从而影响信道的分配。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种干扰感知的源节点和路由选择方法，在全部源节点集合中，选择并确定最优服务源节点子集，并计算源节点到目的节点的路由和每跳路由的信道分配，最大化目的节点的聚合吞吐量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种干扰感知的源节点和路由选择方法，该方法为：

1）设置一个虚拟源节点s'，由s'连接所有的真实源节点s，设s'与真实源节点间链路的初始容量为+∞；

2）由虚拟源节点s'找到到目的节点D的一条最大吞吐量路径并确定该路径的信道分配，将该路径记为p₁，此时选定的路径解集为P={p₁}，选定的真实源节点子集为R={s(p₁)}，其中s(p₁)为路径p₁对应的真实源节点；

3）虚拟源节点s'根据如下步骤确定最终的路径解集和源节点子集：

a）令i=|P|，由虚拟源节点s'找到不经过上述真实源节点子集R的、到目的节点D的最大吞吐量路径p_i+1，并确定该最大吞吐量路径p_i+1的信道分配；

b）虚拟源节点s'计算当前所有路径的聚合吞吐量MIPC(P+{p_i+1})，如果聚合吞吐量MIPC(P+{p_i+1})相比上述选定的路径解集P的聚合吞吐量MIPC(P)增加β，则进入步骤c），否则进入步骤d）；

c）更新所述路径解集P和真实源节点子集R，得到更新后的路径解集P₁=P+{p_i+1}，以及更新后的真实源节点子集R₁=R+{s(p_i+1)}，并将P₁作为选定的路径解集P，将R₁作为真实源节点子集R，返回步骤a）；其中s(p_i+1)为路径p_i+1对应的真实源节点；

d）对所述路径解集P进行局部路由调整，得到调整后的路径解集P'，如果路径解集P'的聚合吞吐量MIPC(P'+{p_i+1})相比路径解集P的聚合吞吐量MIPC(P)增加β,则进入步骤e），否则进入步骤f）；

e）更新所述路径解集P和真实源节点子集R，得到更新后的路径解集P₂=P'+{p_i+1}，以及更新后的真实源节点子集R₂=R+{s(p_i+1)}，并将P₂作为选定的路径解集P，将R₂作为真实源节点子集R，返回步骤a）；

f）路径解集P中的路径即为所找到的使得网络聚合吞吐量最大的所有路径，路径解集P中路径所连接的真实源节点即构成最后选定的源节点子集。

所述路径解集P的聚合吞吐量为所述路径解集P中所有路径的吞吐量之和，其中所述路径解集P中的任一条路径p的吞吐量MIPC(p)的计算公式如下：

$\mathrm{MIPC}\left(p\right)=\underset{e\∈p}{\min }\frac{C_e}{\mathrm{\α}+1}-\underset{j\∈p}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{IFI}}_j;$

其中，为路径p上链路e的可用容量，C_e为链路e的初始容量，α为路径解集P中与链路e相干扰的链路数目；IFI_j为路径p上节点j处的流内干扰系数， ${\mathrm{IFI}}_j=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{Ch}\left(f(i,j)\right)\≠\mathrm{Ch}\left(f(j,k)\right)\\ \mathrm{\ω},\mathrm{Ch}\left(f(i,j)\right)=\mathrm{Ch}\left(f(j,k)\right)\end{array}\right.,\mathrm{\ω}\≥0;$ 其中Ch(f(i,j))表示路径p中节点j的上一跳链路f(i,j)使用的信道，Ch(f(j,k))表示路径p中节点j的下一跳链路f(j,k)使用的信道。

所述最大吞吐量路径p_i+1的确定方法为：

1）虚拟源节点s'广播路由请求RREQ消息，将选定的真实源节点子集R中的节点ID插入到上述RREQ消息中；

2）当多射频多信道无线网络中任意节点x收到来自其上一跳节点y的RREQ消息时，节点x进行如下操作：

a)若节点x为真实源节点，则：

i.如果节点x不在RREQ消息携带的选定的真实源节点子集R中，进入步骤ii），否则，进入步骤iii）；

ii.将节点x自身的ID以及虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=+∞插入到RREQ消息中，得到更新后的RREQ消息，广播更新后的RREQ消息；

iii.丢弃RREQ消息；

b)若节点x为非真实源节点和目的节点的普通节点，则：

i.如果RREQ消息中不包含节点x的ID，进入步骤ii），否则进入步骤iii）；

ii.确定节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算节点x到节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}，其中C_y为RREQ消息中包含的从虚拟源节点s'到节点y的可用容量；将节点x的ID、链路信道Ch_k和从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x插入到RREQ消息中，得到更新后的RREQ消息，广播更新后的RREQ消息；

iii.丢弃RREQ消息；

c)若节点x为目的节点，则：

i.如果多射频多信道无线网络的目的节点第一次收到RREQ消息，设置一个定时器，如果定时器的时间片没有到，则目的节点收到RREQ消息后进行如下操作：

I.确定节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算节点x到节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}；

II.根据RREQ消息携带的每一跳链路的信道分配状态，计算该RREQ消息所经过的路径的流内干扰系数I，以及该路径的吞吐量MIPC(p)=C_x-I。

ii.如果定时器时间片到，则目的节点从收到的多个RREQ消息中，选择吞吐量最大的路径，回复RREP消息，RREP消息中包含了所选择路径的节点ID序列、所选择路径包含的链路信道序列及所选择路径的吞吐量。

3）当节点x收到来自节点y的RREP消息时：

a)如果节点x包含在RREP消息携带的节点ID序列中，则进入步骤b)；否则进入步骤c)；

b)根据RREP消息携带的节点ID序列、RREP消息所选择路径包含的链路信道序列，将节点x的网卡分配到相应的信道，根据节点ID序列，将RREP消息发向路径的节点x的上一跳；

c)丢弃RREP消息。

节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k的确定方法为：

1）设节点x使用的信道集合为CH(x)，节点y使用的信道集合为CH(y)，如果|CH(x)|<节点x的接口数目，则节点x的可用信道集合ACH(x)=多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道，否则ACH(x)=CH(x)；如果|CH(y)|<节点y的接口数目，则节点y的可用信道集合为ACH(y)=多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道，否则ACH(y)=CH(y)，则节点x到节点y间链路可用的信道集合为FCH=ACH(x)∩ACH(y)；

2）用E_i表示节点x两跳范围内使用信道Ch_i的链路的集合，其中Ch_i∈FCH，E_i'表示节点y两跳范围内使用信道Ch_i的链路的集合，则节点x到节点y间链路使用Ch_i时的干扰链路个数则节点x到其上一跳节点y的链路信道为

对所述路径解集P进行局部路由调整的方法为：

1)找到路径解集P中的瓶颈链路，即路径解集P中最小可用容量的链路，表示为e(a,b)，将链路e(a,b)对应的路径表示为p₂；

2)在所述路径解集P中，在路径p₂中去除链路e(pre(a),a)，e(a,b)，e(b,next(b))后，分离为两个路径p₁'和p₂'，找到从瓶颈链路的上一跳节点pre(a)到瓶颈链路的下一跳节点next(b)的最大吞吐量的备选路径p_b，则路径p₂的调整路径为p'=p₁'+p_b+p₂'，则调整后的路由解集为P'=P-{p₂}+{p'}。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明设计了一个新的路由指标MIPC(Metric of Interference-aware Path Capacity)表征考虑无线传输干扰下的路径吞吐量，可以在充分考虑干扰的影响下同时进行源节点选择、路由选择和信道分配，同时考虑了流内干扰和流间干扰；本发明的方法能从多个源节点中，为目的节点找到使得整体网络聚合吞吐量最大的源节点子集，并计算源节点到目的节点的路由和路由上每跳链路的信道分配，最大化了目的节点的聚合吞吐量。

附图说明

图1为选择全部源节点的路径及信道示意图；

图2为选择部分源节点的路径及信道示意图（不考虑信道分配）；

图3为选择部分源节点的路径及信道示意图（考虑信道分配）；

图4为网络场景图；

图5为最大吞吐量路径选择及信道选择示意图；图5(a)为已选定一条路径的网络示意图；图5(b)为一跳路径查找及信道选择后示意图；

图6为本发明方法示意图；图6(a)为一次路径选择及信道选择后网络拓扑图；图6(b)为第二次路由查找过程示意图；图6(c)为选择第二条路径后网络拓扑图；图6(d)为瓶颈链路确定示意图；图6(e)为局部路由调整过程示意图；图6(f)为找到备选路径后网络拓扑图；

图7为路由最终确定的网络拓扑图。

具体实施方式

本发明按照下面步骤来计算路径解集P的聚合吞吐量：

路径解集P的聚合吞吐量为所述路径解集P中所有路径的吞吐量之和，其中所述路径解集P中的任一条路径p的吞吐量MIPC(p)的计算公式如下：

$\mathrm{MIPC}\left(p\right)=\underset{e\&Element;p}{\min }\frac{C_e}{\mathrm{\&alpha;}+1}-\underset{j\&Element;p}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{IFI}}_j;$

其中，为路径p上链路e的可用容量，C_e为链路e的初始容量，α为路径解集P中与链路e相干扰的链路数目；IFI_j为路径p上节点j处的流内干扰系数， ${\mathrm{IFI}}_j=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{Ch}\left(f(i,j)\right)\&NotEqual;\mathrm{Ch}\left(f(j,k)\right)\\ \mathrm{\&omega;},\mathrm{Ch}\left(f(i,j)\right)=\mathrm{Ch}\left(f(j,k)\right)\end{array}\right.,\mathrm{\&omega;}\&GreaterEqual;0;$ 其中Ch(f(i,j))表示路径p中节点j的上一跳链路f(i,j)使用的信道，Ch(f(j,k))表示路径p中节点j的下一跳链路f(j,k)使用的信道。

本发明按照下面步骤来选择最大吞吐量路径p_i+1：

1）虚拟源节点s'广播路由请求RREQ消息，将选定的真实源节点子集R中的节点ID插入到上述RREQ消息中；

2）当多射频多信道无线网络中任意节点x收到来自其上一跳节点y的RREQ消息时，节点x进行如下操作：

a)若节点x为真实源节点，则：

i.如果节点x不在RREQ消息携带的选定的真实源节点子集R中，进入步骤ii），否则，进入步骤iii）；

ii.将节点x自身的ID以及虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=+∞插入到RREQ消息中，得到更新后的RREQ消息，广播更新后的RREQ消息；

iii.丢弃RREQ消息；

b)若节点x为非真实源节点和目的节点的普通节点，则：

i.如果RREQ消息中不包含节点x的ID，进入步骤ii），否则进入步骤iii）；

ii.确定节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算节点x到节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}，其中C_y为RREQ消息中包含的从虚拟源节点s'到节点y的可用容量；将节点x的ID、链路信道Ch_k和从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x插入到RREQ消息中，得到更新后的RREQ消息，广播更新后的RREQ消息；

iii.丢弃RREQ消息；

c)若节点x为目的节点，则：

i.如果多射频多信道无线网络的目的节点第一次收到RREQ消息，设置一个定时器，如果定时器的时间片没有到，则目的节点收到RREQ消息后进行如下操作：

I.确定节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算节点x到节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}；

II.根据RREQ消息携带的每一跳链路的信道分配状态，计算该RREQ消息所经过的路径的流内干扰系数I，以及该路径的吞吐量MIPC(p)=C_x-I。

ii.如果定时器时间片到，则目的节点从收到的多个RREQ消息中，选择吞吐量最大的路径，回复RREP消息，RREP消息中包含了所选择路径的节点ID序列、所选择路径包含的链路信道序列及所选择路径的吞吐量。

3）当节点x收到来自节点y的RREP消息时：

a)如果节点x包含在RREP消息携带的节点ID序列中，则进入步骤b)；否则进入步骤c)；

b)根据RREP消息携带的节点ID序列、RREP消息所选择路径包含的链路信道序列，将节点x的网卡分配到相应的信道，根据节点ID序列，将RREP消息发向路径的节点x的上一跳；

c)丢弃RREP消息。

本发明按照下面步骤来选择本节点x到上一跳节点y的链路信道Ch_k：

1)设节点x使用的信道集合为CH(x)，节点y使用的信道集合为CH(y)，如果|CH(x)|<x的接口数目，则x的可用信道集合为ACH(x)=多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道，否则ACH(x)=CH(x)，同理如果|CH(y)|<y的接口数目，则y的可用信道集合为ACH(y)=多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道，否则ACH(y)=CH(y)，则链路e(x,y)可用的信道集合为FCH=ACH(x)∩ACH(y)；

2)用E_i表示节点x两跳范围内使用信道Ch_i的链路的集合，其中Ch_i∈FCH。E_i'表示节点y两跳范围内使用信道Ch_i的链路的集合，则=|E_i∪E_i'|为链路e(x,y)使用Ch_i时的干扰链路个数，则链路e(x,y)所选择的信道为 ${\mathrm{Ch}}_k=\underset{{\mathrm{CH}}_i\&Element;\mathrm{FCH}}{\arg \min }\left\{N_{{\mathrm{CH}}_i}\right\}.$

本发明按照下面的步骤来进行局部路由调整：

1)找路径解集P中的瓶颈链路，即路径解集P中最小可用容量的链路，表示为e(a,b)，这个链路对应的路径为p₂；

2)在已有的路径解集中，将路径p₂去除链路e(pre(a),a)，e(a,b)，e(b,next(b))后，分离为两个路径p₁'和p₂'，然后，直接采用上面提到的的最大吞吐量路径选择方法，找到从瓶颈链路的上一跳节点pre(a)到瓶颈链路的下一跳节点next(b)的最大吞吐量的备选路径p_b，则路径p₂的调整路径为p'=p₁'+p_b+p₂'，调整后的路由解集为P'=P-{p₂}+{p'}。

本发明方法的步骤为：

1）设置一个虚拟源节点s'，由s'连接所有的真实源节点s，设s'与真实源节点间链路的初始容量为+∞；

2）由虚拟源节点s'找到到目的节点D的一条最大吞吐量路径并确定该路径的信道分配，将该路径记为p₁，此时选定的路径解集为P={p₁}，选定的真实源节点子集为R={s(p₁)}，其中s(p₁)为路径p₁对应的真实源节点；

3）虚拟源节点s'根据如下步骤确定最终的路径解集和源节点子集：

a）令i=|P|，由虚拟源节点s'找到不经过上述真实源节点子集R的、到目的节点D的最大吞吐量路径p_i+1，并确定该最大吞吐量路径p_i+1的信道分配；

b）虚拟源节点s'计算当前所有路径的聚合吞吐量MIPC(P+{p_i+1})，如果聚合吞吐量MIPC(P+{p_i+1})相比上述选定的路径解集P的聚合吞吐量MIPC(P)增加β，则进入步骤c），否则进入步骤d）；

c）更新所述路径解集P和真实源节点子集R，得到更新后的路径解集P₁=P+{p_i+1}，以及更新后的真实源节点子集R₁=R+{s(p_i+1)}，并将P₁作为选定的路径解集P，将R₁作为真实源节点子集R，返回步骤a）；其中s(p_i+1)为路径p_i+1对应的真实源节点；

d）对所述路径解集P进行局部路由调整，得到调整后的路径解集P'，如果路径解集P'的聚合吞吐量MIPC(P'+{p_i+1})相比路径解集P的聚合吞吐量MIPC(P)增加β,则进入步骤e），否则进入步骤f）；

e）更新所述路径解集P和真实源节点子集R，得到更新后的路径解集P₂=P'+{p_i+1}，以及更新后的真实源节点子集R₂=R+{s(p_i+1)}，并将P₂作为选定的路径解集P，将R₂作为真实源节点子集R，返回步骤a）；

f）路径解集P中的路径即为所找到的使得网络聚合吞吐量最大的所有路径，路径解集P中路径所连接的真实源节点即构成最后选定的源节点子集。

本发明考虑的是一个多个源节点、一个目的节点的场景。网络场景如图4所示，图中节点s表示源节点s，有多个；节点D表示请求数据的节点，即数据包传输的目的结点D。每个节点可使用K个正交信道，表示为Ch₁，Ch₂，…Ch_k。路径上的权值表示链路的初始容量。

图5为本发明最大吞吐量路径选择及信道的选择示意图。在图5(a)的例子中，网络拓扑上已找到一条到目的节点的路径p₁，路径上已标明各链路使用的信道。

当网络中的节点收到RREQ消息时，处理RREQ消息。不在RREQ消息携带的选定源节点子集中的真实源节点收到RREQ消息后，将自己的ID、虚拟源节点s'到本节点x的可用容量C_x=+∞，插入到RREQ消息中，并广播更新后的RREQ消息。普通节点收到RREQ消息后，如RREQ消息中不包含本节点x的ID，则确定本节点x到上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算本节点x到上一跳节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到本节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}，将节点x的ID，链路分配的信道Ch_k和从虚拟源节点s'到本节点x的可用容量C_x插入到RREQ，广播更新后的RREQ。

以图5(a)为例，此时路径解集P={p₁}，选定的源节点子集R={s(p₁)=1}。虚拟源节点s'找第二条路径吞吐量最大的路径。虚拟源节点s'广播RREQ消息，其中包含已选定的源节点节点1的ID。因此，节点1收到该RREQ消息时直接丢弃。节点3收到该RREQ后，将自己的ID插入RREQ消息中，并将虚拟源节点s'到此节点3的可用容量C₃=+∞，插入到RREQ消息中，广播更新后的RREQ。

节点7收到来自节点3的RREQ消息后，确定链路e(3,7)的信道。节点3没有使用任何信道，因此节点3的可用信道集合ACH(3)为多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道；同样节点7的可用信道集合ACH(7)也为多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道。在节点3的干扰范围内信道Ch₁共使用了1次，使用的链路为e(1,4)。信道Ch₂共使用了1次，使用的链路为e(4,8)。信道Ch₃共使用了0次。在节点7的干扰范围内信道Ch₁、Ch₂和Ch₃使用次数都为0。因此对于链路e(3,7)信道Ch1的使用次数信道Ch₂的使用次数信道Ch₃的使用次数信道Ch₃使用得最少，因此节点7确定链路e(3,7)的信道为Ch₃。如图5(b)所示。

节点7计算链路e(3,7)使用信道Ch₃的可用容量为22，则从虚拟源节点s'到节点7的可用容量C₇=min{+∞，22}=22。将节点7的ID，链路分配的信道Ch₃和从虚拟源节点s'到节点7的可用容量22插入到RREQ，广播更新后的RREQ。

图6为本发明方法示意图。首先虚拟源节点s'通过广播RREQ消息，找到到目的节点D的一条最大吞吐量路径并确定其路径的信道分配。在已知路径解集的情况下，虚拟源节点s'再找一条最大吞吐量路径p_i+1并确定路径的信道分配。计算MIPC(P+{p_i+1})，如果聚合吞吐量相比现有路径解集MIPC(P)增加β，则更新路径解集P₁=P+{p_i+1}，选定的源节点子集R₁=R+{s(p_i+1)}，并将P₁作为选定的路径解集P，将R₁作为真实源节点子集R。如果聚合吞吐量相比现有路径解集MIPC(P)未提高β，则进行局部路由调整。

以图6为例，设ω=2，β=3。虚拟源节点s'通过广播RREQ消息，找到到目的节点D的一条最大吞吐量路径p₁，如图6(a)所示。路径p₁中各链路使用的信道为Ch₁-Ch₂-Ch₃-Ch₂-Ch₁，吞吐量为MIPC(p₁)=24。然后目的节点22沿该路径回复RREP。虚拟源节点s'收到RREP后，将该路径p₁放入路径解集P，即P={p₁}，此时源节点子集为R={1}。

然后s'再次广播RREQ寻找第二条路径。可能会存在多条到达目的节点的新路径,如图6(b)所示。假设路径s'-3-7-15-20-19-23-22，使用信道Ch₃-Ch₁-Ch₂-Ch₁-Ch₃-Ch₂，相应的路径吞吐量MIPC为10，为路径吞吐量最大的路径。因此目的节点选择路径吞吐量MIPC最大的路径_s'-3-7-15-20-19-23-22为新一轮所找的最佳路径，并沿该路径回复RREP。如图6(c)所示。

由于路径解集P中已经存在路径，新找的路径p₂可能会干扰原来已经确定好的路径，从而影响原来路径的吞吐量。因此，在找到新的路径后需要重新计算路径解集P中各路径的吞吐量，并判断加入新找的路径是否满足特定的要求。加入p₂后，p₁路径的吞吐量MIPC更新为8.33。因此加入新路径p₂后网络的聚合吞吐量为MIPC(P+{p₂})=8.33+10=18.33。由于β=3，MIPC(P+{p₂})-MIPC(p₁)=18.33-24=-5.67＜β。新找的路径p₂不满足要求，需找到路径解集P中p₁的瓶颈链路进行局部路由调整。

网路中存在路径p₁，通过最大吞吐量路径选择方法找到p₂后，此时，路径p₁各链路的可用容量分别为24，26，8.33，9.33，13，链路e(10,13)的可用容量最小，因此瓶颈链路为e(10,13)，如图6(d)所示。确定瓶颈链路的上一跳节点（节点5）和下一跳节点（节点18），去除链路e(5,10),e(10,13),e(13,18)。将路径p₁分离为路径s'-1-5和路径18-22两条路径，重新根据最大吞吐量路径选择方法找到从节点5到节点18的备选路径。如图6(e)所示。

从节点5到节点18的最大吞吐量备选路径p_b为5-9-12-17-18，使用的信道为Ch₂-Ch₃-Ch₂-Ch₃，综合分离的路径s'-1-5和路径18-22，路径p₁的调整路径为p₁'为s'-1-5-9-12-17-18-22，路由指标MIPC为11.5，图6(f)所示。调整后的路径解集P'={p₁'}，路径p₂的路由指标更新为9.67，因此调整后网络聚合吞吐量MIPC(P'+{p₂})=11.5+9.67=21.17。由于MIPC(P'+{p₂})-MIPC(P)=21.17-24=-2.83＜β。加入路径p₂不能将网络聚合吞吐量提高β，方法结束。

路径解集P={p₁}，R={1}。为数据请求节点D提供服务的源节点为节点1，路由为p₁：1-5-10-13-18-22，路径使用的信道为Ch₁-Ch₂-Ch₃-Ch₂-Ch₁，网络聚合吞吐量为24。如图7所示。

Claims (5)

1.一种干扰感知的源节点和路由选择方法，其特征在于，该方法为：

1）设置一个虚拟源节点s'，由s'连接所有的真实源节点s，设s'与真实源节点间链路的初始容量为+∞；

2）由虚拟源节点s'找到到目的节点D的一条最大吞吐量路径并确定该路径的信道分配，将该路径记为p₁，此时选定的路径解集为P={p₁}，选定的真实源节点子集为R={s(p₁)}，其中s(p₁)为路径p₁对应的真实源节点；

3）虚拟源节点s'根据如下步骤确定最终的路径解集和源节点子集：

a）令i=|P|，由虚拟源节点s'找到不经过上述真实源节点子集R的、到目的节点D的最大吞吐量路径p_i+1，并确定该最大吞吐量路径p_i+1的信道分配；

b）虚拟源节点s'计算当前所有路径的聚合吞吐量MIPC(P+{p_i+1})，如果聚合吞吐量MIPC(P+{p_i+1})相比上述选定的路径解集P的聚合吞吐量MIPC(P)增加β，则进入步骤c），否则进入步骤d）；

c）更新所述路径解集P和真实源节点子集R，得到更新后的路径解集P₁=P+{p_i+1}，以及更新后的真实源节点子集R₁=R+{s(p_i+1)}，并将P₁作为选定的路径解集P，将R₁作为真实源节点子集R，返回步骤a）；其中s(p_i+1)为路径p_i+1对应的真实源节点；

d）对所述路径解集P进行局部路由调整，得到调整后的路径解集P'，如果路径解集P'的聚合吞吐量MIPC(P'+{p_i+1})相比路径解集P的聚合吞吐量MIPC(P)增加β,则进入步骤e），否则进入步骤f）；

e）更新所述路径解集P和真实源节点子集R，得到更新后的路径解集P₂=P'+{p_i+1}，以及更新后的真实源节点子集R₂=R+{s(p_i+1)}，并将P₂作为选定的路径解集P，将R₂作为真实源节点子集R，返回步骤a）；

f）路径解集P中的路径即为所找到的使得网络聚合吞吐量最大的所有路径，路径解集P中路径所连接的真实源节点即构成最后选定的源节点子集。

2.根据权利要求1所述的干扰感知的源节点和路由选择方法，其特征在于，所述路径解集P的聚合吞吐量为所述路径解集P中所有路径的吞吐量之和，其中所述路径解集P中的任一条路径p的吞吐量MIPC(p)的计算公式如下：

$\mathrm{MIPC}\left(p\right)=\underset{e\&Element;p}{\min }\frac{C_e}{\mathrm{\&alpha;}+1}-\underset{j\&Element;p}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{IFI}}_j;$

其中，为路径p上链路e的可用容量，Ce为链路e的初始容量，α为路径解集P中与链路e相干扰的链路数目；IFI_j为路径p上节点j处的流内干扰系数， ${\mathrm{IFI}}_j=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{Ch}\left(f(i,j)\right)\&NotEqual;\mathrm{Ch}\left(f(j,k)\right)\\ \mathrm{\&omega;},\mathrm{Ch}\left(f(i,j)\right)=\mathrm{Ch}\left(f(j,k)\right)\end{array}\right.,\mathrm{\&omega;}\&GreaterEqual;0;$ 其中Ch(f(i,j))表示路径p中节点j的上一跳链路f(i,j)使用的信道，Ch(f(j,k))表示路径p中节点j的下一跳链路f(j,k)使用的信道。

3.根据权利要求1或2所述的干扰感知的源节点和路由选择方法，其特征在于，所述最大吞吐量路径p_i+1的确定方法为：

1）虚拟源节点s'广播路由请求RREQ消息，将选定的真实源节点子集R中的节点ID插入到上述RREQ消息中；

2）当多射频多信道无线网络中任意节点x收到来自其上一跳节点y的RREQ消息时，节点x进行如下操作：

a)若节点x为真实源节点，则：

i.如果节点x不在RREQ消息携带的选定的真实源节点子集R中，进入步骤ii），否则，进入步骤iii）；

ii.将节点x自身的ID以及虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=+∞插入到RREQ消息中，得到更新后的RREQ消息，广播更新后的RREQ消息；

iii.丢弃RREQ消息；

b)若节点x为非真实源节点和目的节点的普通节点，则：

i）如果RREQ消息中不包含节点x的ID，进入步骤ii），否则进入步骤iii）；

ii）确定节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算节点x到节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}，其中C_y为RREQ消息中包含的从虚拟源节点s'到节点y的可用容量；将节点x的ID、链路信道Ch_k和从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x插入到RREQ消息中，得到更新后的RREQ消息，广播更新后的RREQ消息；

iii）丢弃RREQ消息；

c)若节点x为目的节点，则：

i.如果多射频多信道无线网络的目的节点第一次收到RREQ消息，设置一个定时器，如果定时器的时间片没有到，则目的节点收到RREQ消息后进行如下操作：

I.确定节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k，计算节点x到节点y间链路的可用容量C，计算从虚拟源节点s'到节点x的可用容量C_x=min{C，C_y}；

II.根据RREQ消息携带的每一跳链路的信道分配状态，计算该RREQ消息所经过的路径的流内干扰系数I，以及该路径的吞吐量MIPC(p)=C_x-I。

ii.如果定时器时间片到，则目的节点从收到的多个RREQ消息中，选择吞吐量最大的路径，回复RREP消息，RREP消息中包含了所选择路径的节点ID序列、所选择路径包含的链路信道序列及所选择路径的吞吐量。

3）当节点x收到来自节点y的RREP消息时：

a)如果节点x包含在RREP消息携带的节点ID序列中，则进入步骤b)；否则进入步骤c)；

b)根据RREP消息携带的节点ID序列、RREP消息所选择路径包含的链路信道序列，将节点x的网卡分配到相应的信道，根据节点ID序列，将RREP消息发向路径的节点x的上一跳；

c)丢弃RREP消息。

4.根据权利要求3所述的干扰感知的源节点和路由选择方法，其特征在于，节点x到其上一跳节点y的链路信道Ch_k的确定方法为：

1）设节点x使用的信道集合为CH(x)，节点y使用的信道集合为CH(y)，如果|CH(x)|<节点x的接口数目，则节点x的可用信道集合ACH(x)=多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道，否则ACH(x)=CH(x)；如果|CH(y)|<节点y的接口数目，则节点y的可用信道集合为ACH(y)=多射频多信道无线网络中节点可用的所有正交信道，否则ACH(y)=CH(y)，则节点x到节点y间链路可用的信道集合为FCH=ACH(x)∩ACH(y)；

2）用E_i表示节点x两跳范围内使用信道Ch_i的链路的集合，其中Ch_i∈FCH，E_i'表示节点y两跳范围内使用信道Ch_i的链路的集合，则节点x到节点y间链路使用Ch_i时的干扰链路个数则节点x到其上一跳节点y的链路信道为 ${\mathrm{Ch}}_k=\underset{{\mathrm{CH}}_i\&Element;\mathrm{FCH}}{\arg \min }\left\{N_{{\mathrm{CH}}_i}\right\}.$

5.根据权利要求4所述的干扰感知的源节点和路由选择方法，其特征在于，对所述路径解集P进行局部路由调整的方法为：

1）找到路径解集P中的瓶颈链路，即路径解集P中最小可用容量的链路，表示为e(a,b)，将链路e(a,b)对应的路径表示为p₂；

2）在所述路径解集P中，在路径p₂中去除链路e(pre(a),a)，e(a,b)，e(b,next(b))后，分离为两个路径p₁'和p₂'，找到从瓶颈链路的上一跳节点pre(a)到瓶颈链路的下一跳节点next(b)的最大吞吐量的备选路径p_b，则路径p₂的调整路径为p'=p₁'+p_b+p₂'，则调整后的路由解集为P'=P-{p₂}+{p'}。