CN105050156A - 无线自组织网络中的单向链路通告方法 - Google Patents
无线自组织网络中的单向链路通告方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种无线自组织网络中的单向链路通告方法,其特征在于根据无线自组织网络中的功率分级方法,对交换邻居列表方法进行改进,改进了单向链路的利用策略,通过提高下游节点发射功率,使单向链路两端节点均能获得链路信息;也即链路信息从链路下游通告到链路上游,使单向链路的上游节点获得链路信息。本发明实现了单向链路信息从链路下游通告到链路上游的目的。提出的单向链路通告方法使单向链路的上游节点获得链路信息,提高网络的链路利用率。通过有条件的提高下游节点发射功率的机制使单向链路两端节点均能获得链路信息。所述的链路通告的方法可以提高无线自组织网络的链路利用率。网络应用范围为移动较为频繁的无线自组织网络通信。
Description
技术领域
本发明涉及无线自组织网络中单向链路通告方法,更确切地说涉及无线通信的链路建立算法,属于无线通信技术领域。
背景技术
无线自组织网络无需大量部署基础设施,满足偏远地区通信、紧急事件通信、军事通信,以及其他一些特殊通信的需求,其技术特点解决了目前主流无线通信网络存在的问题,推进了普适计算的进程。无线自组织网络是一种带有动态拓扑、多跳及点对点特性的分布式移动通信网络。无线自组织网络的一个明显特点是它不借助于任何预先部署的基础设施便可完成网络的构建,其构建成本较低,适合于大多数场景使用。在网络中,移动节点可以自组织的形成网络拓扑,并互相传输数据。无线自组织网络的通讯节点一般有手机、笔记本电脑、智能终端、个人数字助理(PDA)、无线传感器、车载(舰载、机载)计算机等。这些设备大多体积较小、重量较轻,便于携带,因此可以自由加入或退出网络。无线自组织网络的自组织特点可以接受设备随时接入网络,这使得网络具有较灵活的组网机制,可以应对多种服务需求。此外,无线自组织网络还拥有较好的抗攻击能力,在实际应用中表现了很强的鲁棒性。以上这些特点决定了无线自组织网络可以使用在许多没有蜂窝系统覆盖的场景中。
从上面的分析可以看出网络的拓扑演进及控制、传输路由策略的制定、链路利用率的提高是无线自组织网络中较为关键的技术问题。为了解决这些问题,近年来在无线自组织网络的研究领域中,研究者们从网络拓扑结构的演进规律、高效率路由策略,以及提高链路利用率等方面做出了不懈的努力,也提出了许多较有成效的理论和应用方法。例如在拓扑结构方面提出了层次形分簇拓扑,在路由协议方面提出了动态源路由协议、按需平面距离矢量路由协议和全局最短路径协议等等,在对链路利用率的研究中提出了HELLO报文机制、黑名单机制等。这些研究成果的提出有力地解决了网络中存在的一些问题,改善了网络性能。
在以往对移动自组织网络中的单向链路问题的研究中已有了一些文献报道,如[①HigakiH.LBSR:routingprotocolforMANETswithunidirectionallinks[C].ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonWirelessandMobileComputing,NetworkingandCommunications.2007.],[②PiaoJJ,ChangTM.TPSR:TransmissionpowerbasedsourceroutingprotocolformobileAdHocnetworkswithunidirectionallinks[C].ProceedingsofInternationalConferenceonWirelessCommunicationsNetworkingandMobileComputing.2010,1-4.],[③MorinoH,MiyoshiT,OgawaM.UnidirectionalAdHocroutingprotocolwitharea-controlledfloodingusingoverheardneighbornodeinformation[C].ProceedingsofInternationalSymposiumonAutonomousDecentralizedSystems.2007,519-525.],适用的网络环境和侧重的性能不尽相同。HELLO消息确认机制中,节点通过定期广播HELLO报文来获得周边节点的存在情况。但单向的HELLO消息只能了解周边有哪些节点存在,而不能确定节点本身是否也让对方知道。
基于这种机制,HELLO消息确认机制[郭光伟.基于单向链路的AdHoc路由研究[J].现代计算机.2008,12:63-65.]提出了新的双向验证的方法,确保链路两端的节点都能了解对方的存在,并确立双向链路邻居关系。该机制有两个缺点,首先由于增加了确认消息HELLO-ACK,网络控制开销有明显的增加。其次,这种方法只能确定双向链路,而无法发现单向链路,更不能利用单向链路。
黑名单机制[WangZZ,LuJD,TangJJ.NeighbormonitoringmechanismtosolveunidirectionallinkprobleminMANET[C].ProceedingsofInternationalConferenceonWirelessandMobileCommunications.2007.]可以解决路由建立过程中的单向链路问题。其根据RREP消息中的目的节点的地址,将未回应的链路对端的节点地址加入到黑名单表中。对于从黑名单列表中的节点发来的RREQ消息,节点将抛弃掉不作处理。黑名单机制只能应用于路由建立过程,而对数据传输过程中产生的单向链路无法进行处理。此外,黑名单机制只能发现单向链路,却无法利用单向链路。
文献[桑俊俊,石胜飞,李建中,等.无线传感器网络分布式单向链路检测算法[J].通信学报.2008,29(11):165-172.]提出了一种邻居节点监测机制。该机制的执行策略是确定一个与单向链路两端节点都存在双向连接的邻居节点。当单向链路的下游节点发送RREP时,这个邻居节点接收RREP消息,并暂时存储。经过一段时间后,它若没有监听到RREP-ACK回应,则认为这条链路为单向链路。此时它将RREP消息转发至单向链路的上游节点,完成RREP消息的传递。这种机制的弊端是如果所需的邻居节点不存在,或无法建立双向邻居关系,则监测机制无法执行。另外这一机制对邻居节点的要求很高,大幅度地增加了邻居节点的处理任务。
交换邻居列表法提出每个节点定期发送HELLO消息,其中包含自己收到过的HELLO消息的节点列表,即邻居列表。如果邻居列表中没有包含自己的ID,则判断这条链路为单向链路,并在路由建立过程中避免使用这条链路。但其不足是只有接收节点了解单向链路信息,发送节点无法获取这一信息,因此无法在路由建立时使用单向链路。
本发明拟在无线自组织网络中提高链路利用率方面进行研究,提出一种单向链路通告方法。该方法改进了以往被提出的单向链路利用策略,可以使上下游节点都了解单向链路的存在,以提高无线自组织网络的链路利用率。从而形成本发明的构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线自组织网络中的单向链路通告方法,根据无线自组织网络中的功率动态分级方法,节点可以依据自身的能量消耗情况动态的确定发射功率门限值(另案申请),本发明将利用这一结论描述单向链路的通告方法。
网络场景如图1所示带有单向链路的网络,其中节点A、B、C、D、E、S均为无线自组织网络节点,图中两端都有箭头的实线段为双向链路,即线段两端的节点可以相互覆盖,单箭头实线段表示单向链路,即无箭头一端所连的节点可以覆盖有箭头一端的节点,反之,有箭头一端的节点不能覆盖无箭头一端的节点。
交换邻居列表列表方法对发现单向链路有着较高的效率。本发明拟对交换邻居列表方法进行改进,增加功率信息,以便为单向链路通告过程做准备。单向链路的发现过程分以下几个步骤:
1、在每一个HELLO消息发送周期,节点i统计自己接收到的HELLO消息,并将源发送节点记录保存,形成邻居列表。
2、在下一个HELLO发送时刻到来时,节点i将邻居列表附加到存活时间TTL为1的HELLO消息中。同时,在报文中还加入发送本HELLO消息的发射功率Pt(i)以及本节点接收门限μi。然后将HELLO消息广播出去。TTL为TimeToLive的缩写。
3、当节点B接收到来自于节点A的附加邻居列表信息和功率信息的HELLO消息后,首先测量接收功率Pr(A),保存备用;之后检查邻居列表,如果该列表中包含节点B,那么证明节点A曾收到过节点B的HELLO消息,因此节点B认为链路AB是一条双向链路;相反的,如果节点A的邻居列表中不包含节点B,则证明节点A没有收到节点B的HELLO消息,这是一条以节点B为下游、以节点A为上游的单向链路;
4、根据单向链路发现方法,发现链路AB是一条以节点A为上游、节点B为下游的单向链路,并确定节点B完成单向链路状态通告所需的发射功率Pt(B);
5、根据节点B当时所允许的最大发射功率Pmax(B),确定是否可以使用Pt(B)进行链路状态通告;当Pt(B)<Pmax(B),则节点使用Pt(B)进行链路状态通告;反之,当Pt(B)>Pmax(B),则节点不可以使用Pt(B)进行链路状态通告。
如图1所示的网络中,节点A到节点B是一条单向链路(以A为单向链路上游,B为单向链路下游),记作AB。使用带有功率信息的邻居列表方法,节点B了解到AB为一条单向链路时,节点B尝试将发射功率提高到Pt(b),向节点A发送单向链路通告信息(ULAM)。以上面取得了Pmax(b)作为门限进行功率限制。
Pt(b)若小于限制门限Pmax(b),则使用该功率向节点A发送单向链路通告消息(ULAM),并等待时间t。如果节点A接收到节点B发来的通告消息,则记录此单向链路信息,并立即向B回复ULAM-ACK(UnidirectionalLinkAnnouncementMessage-ACK,单向链路通告应答消息)作为应答。节点B将发射功率Pt(b)记录在单向链路AB的表项后。如果没有收到应答消息,证明节点A和节点B的距离有所改变,则需要放弃这次通告过程。流程如图2。
Pt(b)若大于Pmax(b),则节点B将单向链路信息向邻居节点广播。为了避免过度广播,将加入限定广播次数的TTL值。通常情况下,为了防止过度广播,该TTL值限定为3。此时,B的邻居节点E收到这一消息。这里节点E分为3种情形:
情形i图3(a)中节点E收到节点B发送的链路通告广播消息后,检查自己的邻居列表,发现节点A不在邻居列表中,这说明节点E与节点A之间不存在链路连接,或者只存在以节点E为上游节点、以节点A为下游节点的单向链路。这两种情况,对于节点E来说处理方式相同,因此可以归纳为同一种情形。
在节点E了解到自己与节点A没有邻居关系时,需检查节点B发来的ULAM消息的TTL值是否为0,如果为0,则抛弃此通告消息;反之,则将TTL值减1,并继续广播此消息。直到节点A收到通告消息,向节点B发送ACK应答消息,并记录链路信息。情形i的流程如图4(a)。
情形ii如图3(b),通过前期邻居列表检测,节点E得知自己与节点A之间存在双向链路,此时确认两节点间是否仍为双向链路,如果不是则转到情形iii,如果是则判定TTL是否为0,如果为0,则抛弃通告,如果不为0,则直接将节点B的广播消息发送至节点A。节点A收到由节点E转发的来自节点B的单向链路通告消息(ULAM),立即向节点B发送应答,记录链路信息,完成通告过程。情形ii的流程如图4(b)。
情形iii如图3(c),节点E通过检测自己的邻居列表检测,得知自己与节点A之间存以节点A为上游、节点E为下游的单向链路AE,此时节点E查询单向链路表项,确认是否成功使用功率Pt(e)向节点A发送过ULAM。如果是,则使用Pt(e)将节点B的ULAM发送至节点A;如果否,则根据式(4)、(5)计算发射功率Pt(e),并判断Pt(e)是否小于Pmax(e),如果Pt(e)<Pmax(e),则使用Pt(e)将由节点B产生的包含单向链路AB信息的ULAM和由自己产生的包含单向链路AE信息的ULAM先后发送给节点A;如果Pt(e)>Pmax(e),则判断节点B产生的ULAM的TTL值是否为0,如果为0则抛弃;如果不为0,则将TTL值减1,并继续广播这个ULAM。同时广播单向链路AE通告消息。
当ULAM中所包含的TTL值为0时,接收到该消息的节点将之丢弃,证明该通告无法被节点A获取.若ULAM最终到达了节点A后,节点A存储单向链路信息,并立即向下游节点B发送确认应答,表明自己已经获取这一消息。完成通告过程。
根据通告过程可以看出,如果单向链路消息通告成功,链路两端节点都将了解到这条单向链路的存在,为路由协议利用这条链路进行通信做好了准备。
综上所述,本发明特征在于根据无线自组织网络中的功率分级方法,对交换邻居列表方法进行改进,改进了单向链路的利用策略,通过提高下游节点发射功率,使单向链路两端节点均能获得链路信息;也即链路信息从链路下游通告到链路上游,使单向链路的上游节点获得链路信息。为路由建立阶段提供更全面的链路信息。
由此可见,①本发明实现了单向链路信息从链路下游通告到链路上游的目的。本发明提出的单向链路通告方法可以使单向链路的上游节点获得链路信息,更有利于提高网络的链路利用率。
②本发明利用链路通告策略,使单向链路上游节点可以得知单向链路的存在,从而使节点对周边链路环境以及传输代价有准确的评估,有利于提高无线自组织网络的链路利用率。
③本发明提出一种单向链路通告方法,是通过有条件的提高下游节点发射功率的机制使单向链路两端节点均能获得链路信息,从而所述的链路通告的方法可以提高无线自组织网络的链路利用率。所述的“有条件”是指“不超过发射功率门限”。
④本发明利用无线自组织网络中的功率分级方法,改进了以往的单向链路利用策略,可以使上、下游节点均了解单向链路的存在,从而提高无线自组织网络的链路利用率。
本发明所述的网络应用范围为移动较为频繁的无线自组织网络通信,主要应用在应急通信和临时通信,以及车载网络等。
附图说明
图1为带有单向链路的网络;
图2为单向链路通告步骤3流程;
图3为单向链路通告的三种情况;其中(a)节点E不在节点A的邻居列表中;(b)节点E与节点A之间存在双向链路;(c)节点E和节点A之间存在单向链路;
图4为单向链路通告步骤2流程;其中(a)情形i;(b)情形ii;(c)情形iii。
具体实施方式
以图1为例说明本发明所提出单向链路通告策略的运行过程。
节点A到节点B是一条单向链路(以A为单向链路上游,B为单向链路下游),记作AB。使用带有功率信息的邻居列表方法,节点B了解到AB为一条单向链路时,节点B尝试将发射功率提高到Pt(b),向节点A发送单向链路通告信息(ULAM)。以上面取得了Pmax(b)作为门限进行功率限制。
Pt(b)若小于限制门限Pmax(b),则使用该功率向节点A发送单向链路通告消息(ULAM),并等待时间t。如果节点A接收到节点B发来的通告消息,则记录此单向链路信息,并立即向B回复ULAM-ACK(UnidirectionalLinkAnnouncementMessage-ACK,单向链路通告应答消息)作为应答;节点B将发射功率Pt(b)记录在单向链路AB的表项后。如果没有收到应答消息,证明节点A和节点B的距离有所改变,则需要放弃这次通告过程。流程如图2。
Pt(b)若大于Pmax(b),则节点B将单向链路信息向邻居节点广播。为了避免过度广播,将加入限定广播次数的TTL值。通常情况下,该TTL值限定为3,便可完成通告的目的。此时,B的邻居节点E收到这一消息。这里节点E分为3种情形:
链路状态的通告分为三种情形:
情形i图3(a)中节点E收到节点B发送的链路通告广播消息后,检查自己的邻居列表,发现节点A不在邻居列表中,这说明节点E与节点A之间不存在链路连接,或者只存在以节点E为上游节点、以节点A为下游节点的单向链路。这两种情况,对于节点E来说处理方式相同,因此可以归纳为同一种情形。
在节点E了解到自己与节点A没有邻居关系时,需检查节点B发来的ULAM消息的TTL值是否为0,如果为0,则抛弃此通告消息;反之,则将TTL值减1,并继续广播此消息。
情形ii如图3(b),通过前期邻居列表检测,节点E得知自己与节点A之间存在双向链路,则直接将节点B的广播消息发送至节点A。节点A收到由节点E转发的来自节点B的单向链路通告消息(ULAM),立即向节点B发送应答,完成通告过程。
情形iii如图3(c),节点E通过检测自己的邻居列表检测,得知自己与节点A之间存以节点A为上游、节点E为下游的单向链路AE,此时节点E查询单向链路表项,确认是否成功使用功率Pt(e)向节点A发送过ULAM。如果是,则使用Pt(e)将节点B的ULAM发送至节点A;如果否,则根据式(8)、(9)计算发射功率Pt(e),并判断Pt(e)是否小于Pmax(e),如果Pt(e)<Pmax(e),则使用Pt(e)将由节点B产生的包含单向链路AB信息的ULAM和由自己产生的包含单向链路AE信息的ULAM先后发送给节点A;如果Pt(e)>Pmax(e),则判断节点B产生的ULAM的TTL值是否为0,如果为0则抛弃;如果不为0,则将TTL值减1,并继续广播这个ULAM。同时广播单向链路AE通告消息。
当ULAM中所包含的TTL值为0时,接收到该消息的节点将之丢弃,证明该通告无法被节点A获取.若ULAM最终到达了节点A后,节点A存储单向链路信息,并立即向下游节点B发送确认应答,表明自己已经获取这一消息。
至此,单向链路状态信息通告结束。
Claims (8)
1.一种无线自组织网络中的单向链路通告方法,其特征在于根据无线自组织网络中的功率分级方法,对交换邻居列表方法进行改进,改进了单向链路的利用策略,通过提高下游节点发射功率,使单向链路两端节点均能获得链路信息;也即链路信息从链路下游通告到链路上游,使单向链路的上游节点获得链路信息。
2.按权利要求1所述的方法,其特征在于具体步骤是:
①在每一个HELLO消息发送周期,节点i统计自己接收到的HELLO消息,并将源发送节点记录保存,形成邻居列表;
②在下一个HELLO发送时刻到来时,节点A将邻居列表附加到存活时间TTL为1的HELLO消息中;同时,在报文中还加入发送本HELLO消息的发射功率Pt(A)以及本节点接收门限μA;然后将HELLO消息广播出去;
③当节点B接收到来自于节点A的附加邻居列表信息和功率信息的HELLO消息后,首先测量接收功率Pr(A),保存备用;之后检查邻居列表,如果该列表中包含节点B,那么证明节点A曾收到过节点B的HELLO消息,因此节点B认为链路AB是一条双向链路;相反的,如果节点A的邻居列表中不包含节点B,则证明节点A没有收到节点B的HELLO消息,这是一条以节点B为下游、以节点A为上游的单向链路;
④根据单向链路发现方法,发现链路AB是一条以节点A为上游、节点B为下游的单向链路,并确定节点B完成单向链路状态通告所需的发射功率Pt(B);
⑤根据节点B当时所允许的最大发射功率Pmax(B),确定是否可以使用Pt(B)进行链路状态通告;当Pt(B)<Pmax(B),则节点使用Pt(B)进行链路状态通告;反之,当Pt(B)>Pmax(B),则节点不可以使用Pt(B)进行链路状态通告。
3.按权利要求2所述的方法,其特征在于在步骤⑤中若Pt(B)>Pmax(B)则节点B将向单向链路信息向邻居节点广播,为避免过度广播,将加入限定广播次数的TTL值。
4.按权利要求3所述的方法,其特征在于限定广播次数的TTL值为3。
5.按权利要求1所述的方法,其特征在于:
①单向链路通告方法使单向链路的上游节点获得链路信息,更有利于提高网络的链路利用率;
②利用链路通告策略,使单向链路上游节点可以得知单向链路的存在,从而使节点对周边链路环境以及传输代价有准确的评估,有利于提高无线自组织网络的链路利用率;
③不超过发射功率门限条件下提高下游节点发射功率的机制使单向链路两端节点均能获得链路信息。从而所述的链路通告的方法提高无线自组织网络的链路利用率;
④利用无线自组织网络中的功率分级方法,改进了单向链路利用策略,使上、下游节点均了解单向链路的存在,从而提高无线自组织网络的链路利用率。
6.按权利要求2或3所述的方法,其特征在于节点E收到节点B发送的链路通告广播信息分三种情况:
(a)节点E不在节点A的邻居列表中;
(b)节点E与节点A之间存在双向链路;
(c)节点E与节点A之间存在单向链路。
7.按权利要求6所述的方法,其特征在于:
(a)在节点E了解到自己与节点A没有邻居关系时,需检查节点B发来的ULAM消息的TTL值是否为0,如果为0,则抛弃此通告消息;反之,则将TTL值减1,并继续广播此消息;直到节点A收到通告消息,向节点B发送ACK应答消息,并记录链路信息;
(b)节点E得知自己与节点A之间存在双向链路,首先判定TTL是否为0,如果为0,则抛弃通告;如果不为0,则直接将节点B的广播消息发送至节点A;节点A收到由节点E转发的来自节点B的单向链路通告消息ULAM,立即向节点B发送应答,记录链路信息,完成通告过程;
(c)节点E通过检测自己的邻居列表,得知自己与节点A之间存在以节点A为上游、节点E为下游的单向链路AE,此时节点E查询单向链路表项,确认是否成功使用功率Pt(e)向节点A发送过ULAM;如果是,则使用Pt(e)将节点B的ULAM发送至节点A;如果否,则计算发射功率Pt(e),并判断Pt(e)是否小于Pmax(e),如果Pt(e)<Pmax(e),则使用Pt(e)将由节点B产生的包含单向链路AB信息的ULAM和由自己产生的包含单向链路AE信息的ULAM先后发送给节点A;如果Pt(e)>Pmax(e),则判断节点B产生的ULAM的TTL值是否为0,如果为0则抛弃;如果不为0,则将TTL值减1,并继续广播这个ULAM;同时广播单向链路AE通告消息;
当ULAM中所包含的TTL值为0时,接收到该消息的节点将之丢弃,证明该通告无法被节点A获取.若ULAM最终到达了节点A后,节点A存储单向链路信息,并立即向下游节点B发送确认应答,表明已获取消息,完成通告过程。
8.按权利要求1或2所述的方法,其特征在于由本发明方法建立的无线自组织网络有望应用于较为频繁的应急通信、临时通信或车载网络。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151111 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |