CN105933224B - 一种提高通信网络可靠性的机会路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，包括感知整个网络的拓扑结构；根据网络的拓扑结构为网络源节点和目的节点选择指定路由路径；在所述指定路由路径上除了目的节点以外的其余节点选择节点中继转发集合；计算所述指定路由路径上的节点可靠性概率；根据所述节点可靠性概率和发送节点的相对跳数，确定所述节点中继转发集合中转发节点的转发优先级；利用CSMA‑CA多点协作机制从源节点开始对数据分组进行转发，直到目的节点正确接收所述数据分组。本发明提供的一种提高通信网络可靠性的机会路由方法可降低数据分组发送次数、减少数据分组传输时延，解决了电力线通信网络场景中的通信可靠性问题。

Description

一种提高通信网络可靠性的机会路由方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种提高通信网络可靠性的机会路由方法。

背景技术

随着近年来网络技术和通信技术的迅速发展，智能家庭网络的自动化和信息化程度越来越高。同时这也对家庭网络的灵活性、安全性和可靠性提出了更高的要求和挑战。可以预见，未来的每一个家庭将是一个网络化和信息化的家庭。每一个家庭，外部利用高速数字通信线路，比如ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)、FTTH(Fiber To TheHome)、RLL(Radio in the Local Loop)等通过家庭网关连接到Internet，内部有家庭服务器控制着功能各异的信息化家电和家庭子系统。通过互联网络，家庭成员可以对家庭中的设备、电器进行状态控制，节能控制、安全防护、智能监测等。同时，每个设备之间能够进行信息传递和共享。基于电力线载波通信技术的家庭自组织网络系统融合了电力线载波通信技术、WLAN、Internet和蜂窝网等网络技术和标准，是一种典型的异构网络。它可以让一个家庭通过互联网和外界进行信息交流，从而满足家庭自动化和信息化的要求。

对于不同的QoS(Quality of Service)需求，如时延、重传次数、低功耗等，和不同的传输模式如单播、组播、广播等，面向PLC网络的路由协议的研究和应用涵盖了多个方面，可以根据应用场景的不同进行以下分类：

面向HAN(Home Area Networks)的路由协议，此类协议要求必须支持低功耗需求，同时满足用户的私密性和信息的安全性要求。同时HAN网络必须支持节点随时的接入或退出，路由协议必须拥有自组织能力。

面向NAN(Neighborhood Area Networks)的路由协议，此类网络信息需要在不同中心节点之间进行信息传递。应用于此类网络的协议必须支持不同用户的不同QoS需求。由于RPL能够在保证安全性的前提下支持多种路由特性和通信类型，因此RPL协议在NAN网络中扮演着重要角色。

面向N2N(NAN To NAN)的路由协议，N2N网络通常属于高带宽主干网络，需要传输大量的数据同时满足严格的QoS条件。为了满足N2N网络的业务特性和需求，IEEE 802.11s及其扩展通常用来作为路由协议的核心部分。H.Gharavi和B.Hu在此基础上提出了一种能够满足HEM(Home Energy Management)和AMI应用的协议模型。此协议能够很好的满足网络的多通道路由、实时性数据调度等性能需求。

以上的技术能很好的适应PLC网络满足用户需求，然而由于电力线信道中的信号衰减、噪声干扰，阻抗匹配等问题，信号传输错误有高概率、时变性和突发性等特点。因此，寻找一种适合PLC网络的高稳定性路由方法显得相当重要。

发明内容

针对以上问题，本发明专利目的在于设计了一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，可降低数据分组发送次数、减少数据分组传输时延，解决了电力线通信网络场景中的通信可靠性问题。

本发明技术方案如下：

一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，包括：

感知整个网络的拓扑结构；

根据网络的拓扑结构为网络源节点和目的节点选择指定路由路径；

在所述指定路由路径上除了目的节点以外的其余节点选择节点中继转发集合；

计算所述指定路由路径上的节点可靠性概率；

根据所述节点可靠性概率和发送节点的相对跳数，确定所述节点中继转发集合中转发节点的转发优先级；

利用CSMA-CA多点协作机制从源节点开始对数据分组进行转发，直到目的节点正确接收所述数据分组。

具体的，本发明所述感知整个网络的拓扑结构具体包括：

初始化网络，网络中每个节点向周围邻接节点发送hello分组和自己的ID信息；

邻接节点收到hello分组后向发送节点回复一个ack分组和自己的ID信息；

发送节点根据收到的ack分组和邻接节点ID信息，构建邻接节点列表，并将其发送给集中控制中心；

集中控制中心根据每个节点的邻接节点列表构建网络的拓扑结构。

具体的，本发明所述选择指定路由路径以最少跳数为路由选择原则，具体包括以下步骤：

步骤一，读取所述网络的拓扑结构，初始化时节点集合，令源节点集L＝{S}，其余顶点集T＝{其余顶点}；

步骤二，从T中选取一个与源节点S有关联边且权值最小的顶点vi*，加入到L中；

步骤三，对T中顶点到源节点S的距离值进行修改，若加进vi*作中间顶点，从S到vi*的距离值缩短，则修改此距离值；

步骤四，重复上述步骤二、步骤三直到T中包含目的节点或所有顶点。

具体的，本发明所述选择节点中继转发集合具体包括以下步骤：

步骤一，假设每个中继集合最大元素个数为K，导入所述指定路由路径，记所述指定路由路径为L＝(S＝R₀,R₁,R₂,…R_n,D)，其中D为目的节点，并且令i＝0，初始化中继转发集合F_i＝φ；

步骤二，如果R_i为目的节点D，则结束流程，否则转步骤三；

步骤三，如R_i为无线节点，则F_i＝R_i+1，i＝i+1，转步骤二；否则令j＝i+1，转步骤四；

步骤四，F_i＝F_i∪{R_j}，如果|F_i|＜K，转步骤五，否则令i＝i+1，转步骤二；

步骤五，如果R_j或R_j+1是无线节点，令i＝i+1，转步骤二；否则转步骤六；

步骤六，如果R_j为目的节点，i＝i+1，转步骤二；否则转步骤j＝j+1，转步骤四。

具体的，本发明所述计算所述指定路由路径上的节点可靠性概率具体包括以下步骤：

步骤一，初始化节点可靠性概率p_valid，0≤p_valid≤1；

步骤二，如果在一次传输中节点能正确接收数据并转发，按以下公式计算节点可靠性概率p_valid；

p_valid＝p_temp+a(1-p_temp-A)；

其中，p表示以往观察节点状态成功的概率；

如果在一次传输中节点不能正确接收数据，则按照以下公式计算节点可靠性概率p_valid：

p_valid＝p_temp-b(p_temp-B)；

其中，p_valid为节点可靠性概率，λ₀、λ₁、a、b、A、B是估计参数。

具体的，本发明所述确定转发节点的转发优先级具体包括：

根据

的大小确定优先级，

越大优先级越高；

其中，p_valid为节点可靠性概率，n_i表示集合中第i个中继节点到发送节点的跳数。

具体的，本发明所述利用CSMA-CA多点协作机制从源节点开始对数据分组进行转发具体包括以下步骤：

步骤一，首先发送端通过选择一个随机补偿数来获得信道接入权，并在获得信道接入权后发送数据分组；

步骤二，在等待一段响应帧间隔RIFS之后，拥有最高权重的节点在正确解码后优先传输ACK帧，如果不能正确解码则不发送ACK；

步骤三，如是在当前ACK传输周期中，下一权重中继节点如果感知到信道空闲，并且对数据帧能正确解码，则该节点变成实际中继转发节点，并发送一个ACK信号，以此来通知源节点和其他可能的中继节点这一事实，如果不能正确解码则不发送ACK；

步骤四，在等待一段竞争帧间隔CIFS时隙后，发送端仍然没有收到ACK分组，说明数据分组发送失败，需要重新发送，如果在这之前收到ACK响应帧，说明分组发送成功。

本发明在已有路由算法的基础上，充分利用PLC网络的广播特性提出了一种能提高网络可靠性的机会接入的路由机制。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明一种提高通信网络可靠性的机会路由方法的流程图；

图2是本发明实例提供的用电力线和无线通信融合的异构网络拓扑图；

图3是本发明实例提供的节点可靠性估计观察模型；

图4是本发明实例提供最短路径算法流程图；

图5是本发明实例提供的节点中继集合选择流程图；

图6是本发明实例提供的CSMA-CA多点协作过程示例；

图7是本发明实例提供的对于给定的路径，传统顺序路由和机会路由策略下数据分组重传次数随节点平均可靠性对比图；

图8是本发明实例提供的对于给定的路径，传统顺序路由和机会路由策略下数据分组传输时延随节点平均可靠性对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，包括：电力线网络拓扑结构的静态感知过程；从源节点到目的节点之间的路由选择；为已确定路径上节点选择中继集合；基于HMM模型的节点可靠性预测；根据节点可靠性确定中继优先级；利用CSMA-CA协作机制转发数据分组。本发明适用于解决电力线场景中的分组可靠传输问题，能够有效地降低分组传输次数，并在节点可靠性较低的情况下减少传输时延提高传输效率。

请参阅图1，本发明一种提高通信网络可靠性的机会路由方法包括以下步骤：

S101：集中控制中心感知整个网络的拓扑结构，并记录每次路由节点的工作状态；

S102：根据业务特性和网络的拓扑结构为网络源节点和目的节点选择指定路由路径；

S103：在所述指定路由路径上除了目的节点以外的其余节点选择节点中继转发集合；

S104：根据节点状态的历史观测记录预测计算所述指定路由路径上的节点可靠性概率；

S105：根据所述节点可靠性概率和发送节点的相对跳数，确定所述节点中继转发集合中转发节点的转发优先级；

S106：利用CSMA-CA多点协作机制从源节点开始对数据分组进行转发，直到目的节点正确接收数据分组。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明给出了电力线和无线网络融合的异构网络拓扑模型。图中总共包含N＝33个网络节点。同时我们认为节点位置静止的，并且他们的位置信息能够被其他节点感知。同时，如果一个节点接收到一个数据分组，他能够根据路由信息，决定是将数据分组进行缓存还是转发。在这里网络节点类型按照其功能主要分为三类：

(1)家庭网关节点：该节点支持PLC通信协议以及无线通信协议，实现PLC网络和家庭无线网络之间的信息交换和传递功能。

(2)无线网络节点：该节点只支持WLAN通信协议，通过家庭网关节点和PLC网络进行信息传递。在无线网络中，可以作为终端设备，也能作为协作设备对数据分组进行转发。

(3)PLC网络节点：该节点只支持PLC通信网络协议，通过家庭网关节点和无线网络进行信息传递。在PLC网络中，可以作为通信终端，也可以作为PLC网络的中继节点对信息进行转发。

如图3所示，本发明给出了一种对电力线信道节点状态观察模型，在此基础上我们可以根据此观察模型的观测结果，定义并估计节点可靠性概率p_valid。其中S代表节点状态，B代表预测概率，O代表观察到的情况，A代表根据预测和状态采取的行为。可以通过以下三个步骤来实现对节点的可靠性参数p_valid的估计，其中λ₀、λ₁、a、b、A、B是估计参数。

步骤1，初始化0≤p_valid≤1，通常p_valid＝0.5；

步骤2，如果在一次传输中节点能正确接收数据并转发，按以下公式更新更新p_valid，其中p表示以往观察节点状态成功的概率。

p_valid＝p_temp+a(1-p_temp-A)；

如果在一次传输中节点不能正确接收数据，则按照以下更新p_valid。

p_valid＝p_temp-b(p_temp-B)。

为了防止机会路由策略在路由时有多径效应，这一现象会导致数据分组重复发生而降低网络效率，为了弥补这一缺陷，在为每个节点选择中继集合时需要先确定一条单一的路由路径，然后从此路径的节点中选择中继集合中的元素。这里我们选择最短路径算法来确定这一条路径，如图4所示。具体分为如下几个步骤：

步骤1，初始化时网络拓扑，令源节点集L＝{S}，其余顶点集T＝{其余顶点}；

步骤2，从T中选取一个与源节点s有关联边且权值最小的顶点v_i ^*，加入到L中；

步骤3，对其余T中顶点到s的距离值进行修改：若加进v_i ^*作中间顶点，从，s到v_i的距离值缩短，则修改此距离值；

步骤4，重复上述步骤2、3，直到中包含目的节点或所有顶点。

图5给出节点中继集合选择过程。由于PLC节点和无线节点无法直接通信，在中继集合选择时必须加以特殊考虑。具体分为如下几个步骤，这里假设每个中继集合最大元素个数为K：

步骤1，导入源节点到目的节点之间用最短路径算法所确定的路径，记该路径为L＝(S＝R₀,R₁,R₂,…R_n,D)，并且令i＝0，初始化中继集合F_i＝φ；

步骤2，如果R_i为目的节点D，则结束流程，否则转步骤3；

步骤3，如R_i为无线节点，则F_i＝R_i+1，i＝i+1，转步骤2；否则令j＝i+1，转步骤4；

步骤4，F_i＝F_i∪{R_j}。判断|F_i|＜K，转步骤5，否则令i＝i+1，转步骤2；

步骤5，如果R_j或R_j+1是无线节点，令i＝i+1，转步骤2；否则转步骤6；

步骤6，如果R_j为目的节点，i＝i+1，转步骤2；否则转步骤j＝j+1，转步骤4。

图6则给出节点CSMA/CA多点协作过程。

首先发送端通过选择一个随机补偿数来获得信道接入权。当发送端发送完成以后，预期中的接收端在等待一段响应帧间隔(RIFS)后会反馈一个ACK信息。然后，再等待一段竞争帧间隔(CIFS)后，信道将进入新的竞争阶段。协议使用快速时隙认真机制(FSA)。在此接入路由协议中，每个预期中的中继节点都有一个ACK传输周期。在RIFS之后，拥有最高权重的节点在正确解码后优先传输ACK帧。其他的中继节点在比其拥有高权重的中继节点对数据帧解码失败后，才获得中继权限，成为实际上的中继转发节点。其具体过程如下在当前ACK传输周期中，下一权重中继节点如果感知到信道空闲，并且对数据帧能正确解码，则该节点变成实际中继转发节点，并发送一个ACK信号，以此来通知源节点和其他可能的中继节点这一事实。在图中，当次权重中继节点(转发中继2)在ACK时隙感知到信道空闲，则他发送一个ACK信号。第三权重中继节点(转发中继3)虽然能正确解码数据帧，但他会感知到信道处于忙状态，则会放弃发送ACK信号。这时源节点同样会接收到ACK信号，这样源节点就知道其所发出的的数据帧被成功转发了。

下面结合仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：

1、仿真条件：

本发明的仿真拓扑如图2所示，传输时延参数假设T＝90ms，T_s＝50ms，源节点为节点1，目的节点为节点22，具体仿真结果如下。

图7是本发明实例提供的对于给定的路径，传统顺序路由和机会路由策略下数据分组重传次数随节点平均可靠性对比图。可以看出在该路径上，数据平均传输次数都随着节点的可靠性增强而降低，但是机会路由具有更少的数据重传次数。节点可靠性p越小，机会路由对网络性能的增益越高。对于平均传输次数，当p接近并等于1时，这两种策略的效率开始接近并最终相等。

图8是本发明实例提供的对于给定的路径，传统顺序路由和机会路由策略下数据分组传输时延随节点平均可靠性对比图。可以看出在该路径上，数据传输时延随着节点的可靠性增强而降低，但是机会路由具有低的数据传输时延。同时节点可靠性p越小，机会路由对网络性能的增益越高。对于平均传输时延，由于在机会路由中T_s的存在，机会路由中每一次的数据传输需要消耗更多时间，因此机会路由的增益会随着p的增大而逐渐减小并最终变为负增益。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，其特征在于，包括：

感知整个网络的拓扑结构；

根据网络的拓扑结构为网络源节点和目的节点选择指定路由路径；

在所述指定路由路径上除了目的节点以外的其余节点选择节点中继转发集合；

所述选择节点中继转发集合具体包括以下步骤：步骤一，假设每个中继集合最大元素个数为K，导入所述指定路由路径，记所述指定路由路径为L＝(S＝R₀，R₁，R₂，…R_n，D)，其中D为目的节点，并且令i＝0，初始化中继转发集合F_i＝φ；

步骤二，如果R_i为目的节点D，则结束流程，否则转步骤三；

步骤三，如R_i为无线节点，则F_i＝R_i+1，i＝i+1，转步骤二；否则令j＝i+1，转步骤四；

步骤四，F_i＝F_i∪{R_j}，如果|F_i|＜K，转步骤五，否则令i＝i+1，转步骤二；

步骤五，如果R_j或R_j+1是无线节点，令i＝i+1，转步骤二；否则转步骤六；

步骤六，如果R_j为目的节点，i＝i+1，转步骤二；否则转步骤j＝j+1，转步骤四；

计算所述指定路由路径上的节点可靠性概率；

根据所述节点可靠性概率和发送节点的相对跳数，确定所述节点中继转发集合中转发节点的转发优先级；

利用CSMA-CA多点协作机制从源节点开始对数据分组进行转发，直到目的节点正确接收所述数据分组。

2.根据权利要求1所述的一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，其特征在于，所述感知整个网络的拓扑结构具体包括：

初始化网络，网络中每个节点向周围邻接节点发送hello分组和自己的ID信息；

邻接节点收到hello分组后向发送节点回复一个ack分组和自己的ID信息；

发送节点根据收到的ack分组和邻接节点ID信息，构建邻接节点列表，并将其发送给集中控制中心；

集中控制中心根据每个节点的邻接节点列表构建网络的拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，其特征在于，所述选择指定路由路径以最少跳数为路由选择原则，具体包括以下步骤：

步骤一，读取所述网络的拓扑结构，初始化时节点集合，令源节点集L＝{S}，其余顶点集T＝{其余顶点}；

步骤二，从T中选取一个与源节点S有关联边且权值最小的顶点vi*，加入到L中；

步骤三，对T中顶点到源节点S的距离值进行修改，若加进vi* 作中间顶点，从S到vi*的距离值缩短，则修改此距离值；

步骤四，重复上述步骤二、步骤三直到T中包含目的节点或所有顶点。

4.根据权利要求1所述的一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，其特征在于，所述确定转发节点的转发优先级具体包括：

根据

的大小确定优先级，

越大优先级越高；

其中，p_valid为节点可靠性概率，n_i表示集合中第i个中继节点到发送节点的跳数。

5.根据权利要求1所述的一种提高通信网络可靠性的机会路由方法，其特征在于，所述利用CSMA-CA多点协作机制从源节点开始对数据分组进行转发具体包括以下步骤：

步骤一，首先发送端通过选择一个随机补偿数来获得信道接入权，并在获得信道接入权后发送数据分组；

步骤二，在等待一段响应帧间隔RIFS之后，拥有最高权重的节点在正确解码后优先传输ACK帧，如果不能正确解码则不发送ACK；

步骤三，如是在当前ACK传输周期中，下一权重中继节点如果感知到信道空闲，并且对数据帧能正确解码，则该节点变成实际中继转发节点，并发送一个ACK信号，以此来通知源节点和其他可能的中继节点这一事实，如果不能正确解码则不发送ACK；

步骤四，在等待一段竞争帧间隔CIFS时隙后，发送端仍然没有收到ACK分组，说明数据分组发送失败，需要重新发送，如果在这之前收到ACK响应帧，说明分组发送成功。

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