CN104394560A - 多信道多接口无线Ad-hoc网络数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多信道多接口无线Ad-hoc网络数据传输方法，包括：网络中各节点随机选择固定接口和可切换接口的工作信道；在发送数据包的过程中，每个路径上的节点，按照编码规则判断自身是否为存在编码机会的节点，如果判断自身是存在编码机会的节点，则对发送过来的若干数据包进行编码，编码后将编码包发送至参与编码的其中一个数据包的下一跳节点，其他参与编码的数据包的下一跳节点通过机会监听获取编码包：如果判断自身是不存在编码机会的节点，则将数据包单独发送至下一跳节点处，同时，该节点的所有一跳邻居节点通过机会监听获取此数据包，若缓存队列中已经存在此数据包则将其丢弃，否则存储进缓存队列；本发明可以提高网络编码机会，实现并能应用在多信道多接口环境下的Ad-hoc网络的数据传输。

Description

多信道多接口无线Ad-hoc网络数据传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种Ad-hoc网络的数据传输方法。

背景技术

随着智能手机，平板电脑等电子产品的普及，无线移动通信技术凸显出其广阔的市场前景和发展潜力，而如何优化无线网络结构并提高频带利用率更是此类技术中的一个重点，网络编码技术就是针对这方面的问题提出的一种新思想。

在进行网络编码的网络中，各个转发节点不仅要对数据包进行转发，还要在满足条件的情况下首先对其进行编码。研究表明，网络编码技术可以提高网络吞吐量，减少传输次数，降低平均传输时延，增强网络的鲁棒性。但目前网络编码的研究仍主要停留在理论阶段，实际应用尚不普及，且最初提出时网络编码只能应用在有线网络的多播传输模式下，直到2005年，能应用在无线网络中的网络编码才被提出并得到首次应用。而网络编码中的一个关键问题就是如何制造更多的编码机会以更好地提升网络吞吐量。

Ad-hoc网络使用的标准都提供了多个信道，然而传统网络中为保证邻节点间通信的可靠性，多采用单信道单接口，极大的浪费了频谱资源。由此可见，设计一个适用于多信道环境的通信协议非常重要。相应的，如果在每个节点安装与信道一对一的接口，在信道非常多的情况下，安装成本和芯片集成难度都会大幅度提高，因此，设计一种应用在节点中接口数小于信道数情况下的协议，使接口可以根据情况在信道间自由切换也显得十分必要。

发明内容

本发明针对当前技术的上述不足，提出一种可以提高网络编码机会，并能应用在多信道多接口环境下的Ad-hoc网络的数据传输方法。为达到上述目的，本发明采用了如下方法：

一种多信道多接口无线Ad-hoc网络数据传输方法，该方法包括下面步骤：

1)网络中各节点随机选择固定接口和可切换接口的工作信道；

2)源节点发送RREQ(路由请求消息)包到目的节点，包中携带包含自己及其一跳邻居节点的固定接口的工作信道信息的邻居固定信道表，发送过程中，RREQ包每经过一个节点，该节点就用自己及一跳邻居节点的邻居固定信道表对包中原邻居固定信道表进行替换，然后再发往下一跳节点；

3)路径上的每个节点根据RREQ包中携带的信息更新自身邻居固定信道表和固定信道使用率表，同时，各个节点的一跳邻居节点通过监听获取RREQ包并更新自身邻居固定信道表和固定信道使用率表；

4)目的节点收到RREQ包后向源节点回应RREP(路由请求回应消息)包，包中携带包含自己及其一跳邻居节点的固定接口的工作信道信息的邻居固定信道表，发送过程中，RREP包每经过一个节点，该节点就用自己及一跳邻居节点的邻居固定信道表对包中原邻居固定信道表进行替换，然后再发往下一跳节点；

5)路径上的每个节点根据RREP包中携带的信息更新自身邻居固定信道表和固定信道使用率表，同时，各个节点的一跳邻居节点通过监听获取RREP包并更新自身邻居固定信道使用表和固定信道使用率表；

6)当路径上的某节点使用的固定信道为使用率最高的固定信道时，该节点以一定的概率将其固定接口切换到使用率最低的固定信道上；

7)切换固定信道的节点向一跳邻居节点发送HELLO包，包中携带切换后自己的固定信道信息；

8)源节点根据邻居固定信道表选择工作在下一跳节点的固定信道上的可切换接口发送数据包，若没有可切换接口工作在此信道上，则令某一可切换接口切换到此信道上，然后发送数据包；

9)在发送数据包的过程中，每个路径上的节点，按照编码规则判断自身是否为存在编码机会的节点，如果判断自身是存在编码机会的节点，则对发送过来的若干数据包进行编码，编码后将编码包发送至参与编码的其中一个数据包的下一跳节点，其他参与编码的数据包的下一跳节点通过机会监听获取编码包：如果判断自身是不存在编码机会的节点，则将数据包单独发送至下一跳节点处，同时，该节点的所有一跳邻居节点通过机会监听获取此数据包，若缓存队列中已经存在此数据包则将其丢弃，否则存储进缓存队列；上面提到的编码规则为：①参与编码的包为数据包；②参与编码的数据包的下一跳节点各不相同；③所有参与编码的数据包的下一跳节点都能够通过机会监听的方式获取除以本节点为下一跳节点的数据包以外的所有参与编码的数据包，即某一数据包的下一跳节点与其余参与编码的数据包的上一跳节点都相邻；④编码节点只能作为中转节点，不能是任何参与编码的数据包的源节点；⑤对于第一个加入编码集合的数据包只需考虑规则①；

10)收到编码包的下一跳节点对编码包按照以下规则对其进行解码：①接收节点为参与编码的原始数据包之一的下一跳节点；②接收节点的缓存队列中存在除以该节点为下一跳节点的原始数据包外所有参与编码的原始数据包；③若解码出的原始数据包的目的节点为本节点，则交由上层处理，否则将其转发或丢弃；

11)在数据包转发过程中，若路径上的某节点判断此数据包的目的节点为本节点，则将其交由上层处理，本次收发完成；若此数据包的目的节点不是本节点，则根据其下一跳节点将其转发，直至到达其目的节点。

与传统技术相比，本方法具有以下几项明显的优点：

(1)网络编码规则是影响网络吞吐量和平均时延的一个重要因素。本方法通过设计全新的网络编码规则，大大提高了数据包的编码机会，也就是提高了网络的吞吐量，降低了平均时延，对于提高网络传输效率具有重要作用。

(2)频谱资源利用率也是衡量网络系统质量的一个很重要的标准。本方法通过设计全新的协议，在网络编码过程中可以利用多个信道，提高了频谱资源利用率。

(3)考虑到成本问题，在信道数量较多的情况下，为每个信道单独配备接口会使成本大大增加。本方法通过设计全新的协议，可以使系统接口数量小于信道数量，降低成本。

附图说明

图1为发送端流程图

图2为接收端流程图

具体实施方式

下面结合附图对实施方式进行说明。

要提高网络编码机会，最重要的一点就是要改善编码规则，而要实现多信道多接口环境下的应用则需要设计相应协议，本发明将系统分为发送端和接收端两部分进行设计，参见图1和图2。

对于发送端：

(1)信道切换：节点接入信道后，会随机选择固定接口和可切换接口的工作信道。在发送数据包之前先要进行信道切换，首先确定是否需要切换固定信道，若节点固定接口工作在当前最繁忙的固定信道上，则以一定的概率切换到当前最空闲的固定信道上，否则固定信道不变，切换固定信道主要是为了均衡网络负载，提高频谱利用率，否则若有过多的节点的固定接口工作在同一固定信道上很容易导致网络拥塞；然后根据数据包下一跳节点的固定信道选择相应的可切换接口进行传输，若没有可切换接口工作在此固定信道上，则将任意一个可切换接口切换到此固定信道上进行传输。

(2)邻居信息获取：如果希望将网络吞吐量最大化，编码决策，即将哪些数据包放在一起进行编码，是非常重要的。而更好的编码决策则需要更丰富的邻居信息。当节点处于混杂模式下时可以监听到其一跳邻居传输的所有数据，也就获取了其邻居信息。整个过程开始前，源节点和目的节点会相互发送RREQ、RREP等路由广播包，在这个过程中，路径上所有节点均可获取其邻居节点的固定信道信息，更新自身邻居固定信道表并作为编码决策的依据。

(3)网络编码规则：增加编码机会的重点在于编码规则，本发明的发送端编码规则如下：①参与编码的包为数据包,若编码包参与编辑将很难对其进行解码；②编码包的解码需要每个数据包各自独特的信息，因此参与编码的数据包的下一跳节点必须各不相同，否则具有相同下一跳节点的两个数据包将无法得到完全解码，只能获得这两个数据包的编码包；③要对编码包进行完全解码需要每个参与编码的数据包的信息，因此，所有参与编码的数据包的下一跳节点都能够通过机会监听的方式获取除以本节点为下一跳节点的数据包以外的所有参与编码的数据包，即某一数据包的下一跳节点与其余参与编码的数据包的上一跳节点都相邻；④以编码节点为源节点的数据包不能参与编码，因为这样的数据包没有上一跳节点，不符合规则③的要求，即编码节点只能作为中转节点，不能是任何参与编码的数据包的源节点；⑤对于第一个加入编码集合的数据包只需考虑规则①。

原始数据包只有满足上述五条规则才可以加入编码规则。

对于接收端：

(1)机会监听：机会监听是网络编码的前提，节点之间只有通过机会监听的方式获取一跳邻居节点的信息和传输数据，才有可能正确的对数据包进行编码和解码。数据包发出后，接收端节点通过机会监听获取其所有一跳邻居的传输数据。然而，节点缓存有限，因此需遵循一定的规则对监听到的数据包进行存储，规则如下：①监听到的数据包源节点不能是本节点，否则说明路由中存在环路，数据包丢弃；②监听到的数据包，若缓存中已经存在则丢弃，否则保留；③若监听到的为编码包，当且仅当其符合解码规则时保留，否则丢弃。

对于监听到的数据包，若其目的节点为本节点，则交由上层处理；若不为本节点，再看本节点的缓存队列中是否已经储存该数据包，若尚未储存，则将其存入缓存队列，否则将其丢弃。对于监听到的编码包，首先判断本节点是否满足解码规则，若不满足则将其丢弃，若满足则对其进行解码，解码后得到的数据包若其目的地址是本节点，则交由上层处理，若不是本节点则将其转发。同时为防止缓存队列拥堵，每隔固定时间，如0.5s，节点需自动清理缓存队列。

(2)固定信道信息更新：节点在确定或更改自己的固定信道的情况下，都需通知其一跳邻居节点进行固定新到信息更新，更新过程如下：①初始化阶段，节点在RREQ、RREP等广播包中附加自己及一跳邻居节点的固定信道信息并发送；②节点在接收到RREQ、RREP包后，根据其中的固定信道信息更新自身的邻居固定信道表；③节点切换固定信道后，在HELLO包中附加自己的最新固定信道信息并发送；④节点在接收到HELLO包后，根据其中的固定信道信息更新自身的邻居固定信道表。

(3)网络解码规则：①接收节点为参与编码的数据包之一的下一跳节点，否则该节点因为信息不全很难对其进行解码，即使能够解码也无法得到以该节点为下一跳节点的数据包；②接收节点的缓存队列中存在除以该节点为下一跳节点的数据包外所有参与编码的数据包，节点可以从编码包包头中读取参与编码的数据包的序列号和源节点作为该包的唯一标识，只有将除以该节点为下一跳节点的数据包外所有参与编码的数据包全部找到才能够对该数据包正确解码；③若解码出的数据包目的节点为本节点，则交由上层处理，否则将其转发或丢弃。

下面结合实施例进一步介绍多信道多接口环境下Ad-hoc网络中对数据包编码和收发法。

设共有n个数据包参与编码，记为P₁，P₂，……，P_n，其上一跳节点记为S₁，S₂，……，S_n，其下一跳节点记为R₁，R₂，……，R_n，编码节点记为A。

(1)初始化阶段，各个节点随机选择固定接口和可切换接口的工作信道。然后数据包源节点和目的节点相互发送携带固定信道信息和邻居固定信道信息的RREQ、RREP广播包，在这个过程中，整个路由上的各个节点都获取了一跳邻居节点和二跳邻居节点的固定信道信息以及整个路由的固定信道使用率表。根据固定信道使用率表，节点判断自身的固定信道是否需要变更，若节点固定接口当前工作的固定信道为使用率最高的固定信道，则以一定的概率切换到使用率最低的固定信道以均衡网络负载，同时该节点需要发出HELLO包通知一跳邻居节点自己的固定信道变更情况。

(2)固定信道确定后，在发送端，S₁，S₂，……，S_n通过查询自身的邻居固定信道表确定A的固定信道，并向A发送数据包P₁，P₂，……，P_n，在节点A，根据网络编码规则对所有数据包进行筛选，只有符合编码规则的数据包才能够放入编码集合中。

(3)编码集合确定后，对集合内所有数据包进行编码，编码为一个编码包P，并将P发送给R₁。

(4)与此同时，在接收端，由于所有节点均处于混杂模式，且根据编码规则，R_i与除S_i外其他参与编码的数据包的上一跳节点S₁，S₂，……，S_n都互为邻居节点，因此R_i可以监听到其邻居节点传输的所有数据，包括初始化阶段的RREQ、RREP、HELLO等广播包、除P_i外P₁，P₂，……，P_n所有数据包以及节点A发送给R₁的编码包P。

(5)对于不同类型的包，节点R_i会进行不同的处理：

①若为RREQ、RREP、HELLO等广播包，则根据其中携带的邻居固定信道信息更新自身的邻居固定信道使用表和固定信道使用率表；

②若为数据包，则首先更新邻居固定信道信息表，然后判断其源节点是否为本节点，如果是则将其丢弃，如果不是再看本节点是否是其目的节点，如果是则交由上层处理，如果不是再根据本节点的缓存队列中存不存在该数据包对其进行处理，如果不存在，就将其储存进缓存队列，如果存在，则将其丢弃。

③若为编码包，则首先更新邻居固定信道信息表，然后判断本节点是否是参与编码的某个数据包的下一跳节点，如果不是则将该编码包丢弃，如果是再判断该编码包是否符合解码规则，如果不符合解码规则，解码失败，则将其丢弃，如果符合解码规则则对其进行解码。而对于成功解码后得到的数据包，首先判断本节点是否是其目的节点，如果是则交由上层处理，如果不是则根据其目的节点对其进行转发。

Claims (1)

1.一种多信道多接口无线Ad-hoc网络数据传输方法，该方法包括下面步骤：

1)网络中各节点随机选择固定接口和可切换接口的工作信道；

2)源节点发送RREQ(路由请求消息)包到目的节点，包中携带包含自己及其一跳邻居节点的固定接口的工作信道信息的邻居固定信道表，发送过程中，RREQ包每经过一个节点，该节点就用自己及一跳邻居节点的邻居固定信道表对包中原邻居固定信道表进行替换，然后再发往下一跳节点；

3)路径上的每个节点根据RREQ包中携带的信息更新自身邻居固定信道表和固定信道使用率表，同时，各个节点的一跳邻居节点通过监听获取RREQ包并更新自身邻居固定信道表和固定信道使用率表；

4)目的节点收到RREQ包后向源节点回应RREP(路由请求回应消息)包，包中携带包含自己及其一跳邻居节点的固定接口的工作信道信息的邻居固定信道表，发送过程中，RREP包每经过一个节点，该节点就用自己及一跳邻居节点的邻居固定信道表对包中原邻居固定信道表进行替换，然后再发往下一跳节点；

5)路径上的每个节点根据RREP包中携带的信息更新自身邻居固定信道表和固定信道使用率表，同时，各个节点的一跳邻居节点通过监听获取RREP包并更新自身邻居固定信道使用表和固定信道使用率表；

6)当路径上的某节点使用的固定信道为使用率最高的固定信道时，该节点以一定的概率将其固定接口切换到使用率最低的固定信道上；

7)切换固定信道的节点向一跳邻居节点发送HELLO包，包中携带切换后自己的固定信道信息；

8)源节点根据邻居固定信道表选择工作在下一跳节点的固定信道上的可切换接口发送数据包，若没有可切换接口工作在此信道上，则令某一可切换接口切换到此信道上，然后发送数据包；

9)在发送数据包的过程中，每个路径上的节点，按照编码规则判断自身是否为存在编码机会的节点，如果判断自身是存在编码机会的节点，则对发送过来的若干数据包进行编码，编码后将编码包发送至参与编码的其中一个数据包的下一跳节点，其他参与编码的数据包的下一跳节点通过机会监听获取编码包：如果判断自身是不存在编码机会的节点，则将数据包单独发送至下一跳节点处，同时，该节点的所有一跳邻居节点通过机会监听获取此数据包，若缓存队列中已经存在此数据包则将其丢弃，否则存储进缓存队列；上面提到的编码规则为：①参与编码的包为数据包；②参与编码的数据包的下一跳节点各不相同；③所有参与编码的数据包的下一跳节点都能够通过机会监听的方式获取除以本节点为下一跳节点的数据包以外的所有参与编码的数据包，即某一数据包的下一跳节点与其余参与编码的数据包的上一跳节点都相邻；④编码节点只能作为中转节点，不能是任何参与编码的数据包的源节点；⑤对于第一个加入编码集合的数据包只需考虑规则①；

10)收到编码包的下一跳节点对编码包按照以下规则对其进行解码：①接收节点为参与编码的原始数据包之一的下一跳节点；②接收节点的缓存队列中存在除以该节点为下一跳节点的原始数据包外所有参与编码的原始数据包；③若解码出的原始数据包的目的节点为本节点，则交由上层处理，否则将其转发或丢弃；

11)在数据包转发过程中，若路径上的某节点判断此数据包的目的节点为本节点，则将其交由上层处理，本次收发完成；若此数据包的目的节点不是本节点，则根据其下一跳节点将其转发，直至到达其目的节点。