CN106231646B - 一种时隙复用的无线链式多跳跨层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，适用于无线长距离链式多跳通信；联合TDMA信道接入机制和AODV路由协议设计一种链式多跳时隙分配算法，为每个节点分配收发时隙，确保两跳邻居节点范围以外的任意两个节点被分配相同时隙，实现跨层优化，由于两跳范围内的邻居节点容易造成冲突，因此需要分配三个时隙进行数据传输，通过网络层的路由控制消息对节点的收发时隙进行分配，而不增加其他控制消息的开销。此种优化方法综合考虑了TDMA的网络特点，采用跨层设计的方法，结合时隙部署的方式等解决了传统的TDMA所造成的信道浪费问题。

Description

一种时隙复用的无线链式多跳跨层方法

技术领域

本发明涉及一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，属于无线网络通信领域。

背景技术

无线多跳网络中源节点到目的节点之间由多跳的无线链路组成，任意节点既可充当端节点产生或接收数据分组，又可充当中间节点对来自其他节点的数据分组转发可以极大地扩展网络覆盖范围，实现无线长距离通信。

如今无线多跳网络广泛用于远程监控和工业厂站，而在道路、铁路、矿山巷道、地下隧道、河流、桥梁等特殊环境中，多跳节点只能部署在狭长的区域，构成链式无线多跳网络。通常在该网络采用802.11DCF协议作为MAC层接入机制，该协议使用CSMA算法，可以在短距离范围内提升多跳网络的容量。但是随着通信距离变远，跳数的增多，网络性能急剧下降。现在有很多关于提升多跳网络性能的方法，相关的方法可以被分为以下几个方面：物理层、数据链路层、网络层和跨层联合优化等。在物理层上，使用定向天线、MIMO技术以及功率控制等方法；在数据链路层上，大多数研究集中在提升MAC层协议性能；在网络层上，则重点在路由机制方面进行修改；在跨层联合优化上，联合不同协议层之间的信息，提升网络整体的吞吐量。虽然上述的方法可以提升网络的性能，但是他们并没有解决CSMA/CA协议带来的问题。由于TDMA机制可以解决CSMA/CA协议竞争信道所产生的冲突问题，因此TDMA机制是一种可靠的解决方式。而传统TDMA机制为每个节点分配不同的时隙，这将会造成信道的浪费。然而鉴于多跳网络的特性，在特定的网络拓扑结构中，同一时隙可以无冲突得被不同的用户使用。因此，时隙复用可以避免信道浪费，提高网络的性能。基于以上所述，如何有效进行时隙复用是解决提高多跳网络性能问题的关键。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明提出了一种应用于长距离链式多跳无线传输的跨层优化方法。在这种方法下，使用时隙分配算法动态地为每个节点分配时隙，保证每两个不在冲突区域内的节点具有相同的时隙，提高了信道利用率，改善了网络性能。

为了实现上述目标，本发明采用的方案为：一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，适用于无线长距离链式多跳通信；联合TDMA信道接入机制和AODV路由协议设计一种链式多跳时隙分配算法，为每个节点分配收发时隙，确保两跳邻居节点范围以外的任意两个节点被分配相同时隙，实现跨层优化，具体包括：

1)路由建立：节点启动时需要建立路由，第一步，分配一个时隙0发送Hello消息；第二步，分配第二个时隙1用来发送RREQ、RREP消息建立路由，当源节点向目的节点发送数据之前，源节点在网络里面发送RREQ包；当中间节点接收到这个包的时候，在自己的路由表里面更新路由信息并为源节点建立一个反向路由，并将RREQ包转发给下一个节点；通过中间节点的接收转发，目的节点接收到RREQ包之后，返回源节点一个RREP包；源节点收到路由应答RREP消息时，进行路径选择，维护节点路由表，从而完成路由建立；

2)数据传输：源节点到目的节点的路由建立完成，利用RREQ和RREP消息完成时隙分配，开始传输数据，由于两跳范围内的邻居节点容易造成冲突，因此需要分配三个时隙进行数据传输，网络中所有节点保持时间同步且每个节点只拥有本地信息，各节点通过交换控制消息分配时隙，因此每个节点需要单独维护自己的时隙表，各个节点分布式计算各自收发时隙并维护自身时隙表，具体步骤为：

2.1)源节点有数据要发送给未知的目的节点时，源节点向网络中广播到达目的节点的路由请求消息RREQ；

2.2)当中间节点接收路由请求消息时，利用时隙计算公式，计算自己的时隙，并设置此时隙号为接受时隙号，时隙计算公式为：时隙号＝2+(跳数信息-1)％3，其中跳数信息是RREQ消息中的跳数信息，初始值为1，每被转发一次数值加1；(跳数信息-1)％3，是指对路由消息中的跳数减1得到的数值对整数3进行模数运算，即对整数3整除取余数；

2.3)在中间节点计算出自己的接收时隙后，将时隙号放入到达源节点的路由表中，继续转发路由请求消息，直到到达目的节点；

2.4)目的节点接收到路由请求消息RREQ后，终止RREQ消息，通过公式计算时隙号，并在该时隙接收数据；将自身时隙号放入RREP消息中的时隙号段，反向单播RREP消息；

2.5)中间节点接收到RREP消息，获取该消息中的时隙号，并在该时隙发送数据，提取自身时隙号信息，将其放入到达下一跳的路由应答消息，直到到达源节点。其中，整个网络以5个时隙组成一个时隙周期，时隙0和时隙1为控制时隙，时隙2、时隙3和时隙4为数据时隙，节点在时隙0即“slot0”发送“HELLO”消息，在时隙1即“slot1”收发RREQ和RREP控制消息，节点在时隙2、时隙3、时隙4即“slot2、slot3、slot4”收发数据。

上述步骤2.4中，为了避免增加网络负担的问题，在RREP自身上进行修改，将RREP消息中的“保留”字段改为“时隙号”字段，作为节点交换的控制消息，来对节点的发送时隙进行分配。

上述步骤2.3中，在到达源节点的路由表中添加“slot_Num”字段，表示节点的时隙号，默认值为“NULL”，节点将自身时隙号放入到达源节点路由表的“slot_Num”字段中。

本发明所提出的这种基于TDMA的无线链式多跳网络跨层优化方法，旨在通过网络层的路由控制消息对节点的收发时隙进行分配，而不增加其他控制消息的开销。此种优化方法综合考虑了TDMA的网络特点，采用跨层设计的方法，结合时隙部署的方式等解决了传统的TDMA所造成的信道浪费问题。

附图说明

图1为本发明中时隙帧；

图2为本发明中RREP消息表；

图3为本发明中时隙分配算法流程图；

图4为本发明中链式多跳网络时隙分配实例；

图5为本发明中实例中各节点时隙表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明中的时隙帧结构即时隙周期，由控制时隙和数据时隙组成。控制时隙包括时隙0和时隙1。节点在时隙0定期发送和接受HELLO消息，Hello广播消息中包含了该Ad Hoc网络节点所有的邻居节点及它们的链路信息，网络中各节点通过Hello广播消息中的链路信息完成链路探测、相邻区域探测；节点在时隙1发送RREQ和RREP消息，用于路由发现和路由建立。数据时隙包括时隙2、时隙3和时隙4。在路由建立后，节点在数据时隙内接收和发送数据包。本发明使用3个时隙进行数据传输，确保两跳邻居节点范围以外的任意两个节点被分配相同时隙，冲突范围外的节点可以无冲突地进行数据传输，从而避免信道浪费。

如图2所示，本发明中的RREP消息表。在本发明中，为了避免产生额外的控制信息、增加网络负担，针对AODV路由协议的RREP消息进行修改，将消息中的“保留字段1”即“Reserve1”字段改为“时隙号”字段即“Slot_num”字段，用于记录时隙号；在路由表中增加“slot_Num”字段，表示节点的时隙号，默认值为“NULL”，仅在到达源节点的路由表中的“slot_Num”字段等于节点的时隙号。

如图3所示，本发明中的时隙分配算法流程图。在本发明中，节点在时隙1接收到数据包时，对数据包类型进行判断。若数据包是RREQ消息时，首先获取RREQ消息中的获取RREQ消息中的“Hop_count”字段数，根据时隙号计算公式中间节点的时隙号，时隙表中把此时隙号标记为接收，将计算出的时隙号放入到达源节点的路由表中。然后根据RREQ消息中的“Destination IP Address”字段判断节点是否为目的节点，若节点是目的节点，则终止RREQ，从到达源节点的路由表中取出时隙号放入RREP消息中，发送RREP消息；若节点不是目的节点，则将RREQ消息中的Hop_count数目加1，继续发送RREQ消息。

若数据包是RREP消息时，首先获取RREP消息中的时隙号信息，节点将获取的时隙号信息设置为发送时隙。然后根据RREP消息中的“Destination IP Address”字段判断节点是否为源节点，若节点是源节点，则终止RREP消息，路由建立完成，开始发送数据；若节点不是源节点，则从到达源节点的路由表中取出时隙号，放入RREP消息，继续发送RREP消息。

如图4所示，本发明中链式多跳网络时隙分配实例。在图4中，链式多跳网络包括6个节点，当源节点N1想向未知目的节点N6发送数据时，它在时隙帧的时隙1中广播RREQ消息。当第一个中间节点N2接收到RREQ消息时，N2利用时隙号计算公式，计算自身时隙号为2，将时隙2设置为接收状态，并将时隙号存入到达源节点的路由表中。N2不是目的节点，而且N2的路由表中并不存在到达目的节点的路由信息，因此需要在下一个时隙帧里继续传播RREQ消息。中间节点N3、N4、N5别接受到RREQ消息，处理方式和N2相同，可以得出中间节点N3、N4、N5时隙号分别是3、4、2，并将自身的时隙号设置为接收状态。

当目的节点N6接收到RREQ消息时，终止RREQ消息，并产生RREP消息。目的节点N6将自身的时隙号3放入RREP消息的Slot_num字段，并逐跳反向单播RREP消息至源节点N1。当节点N5接收到RREP消息后，从RREP消息的Slot_num字段中得到时隙号为3并设置时隙3为发送状态。N5不是目的节点，N5将存入到达路由表中的时隙号2放入RREP消息的Slot_num字段中，并向源节点N1发送RREP消息。中间节点N4-N1接收到RREP消息后，处理方式和N5相同。当节点N1接收到RREP消息后，终止RREP消息，并记录达到目的节点的路由。这时路由建立，开始发送数据。

如图5所示，本发明实例中各节点时隙表。图中“1”表示数据发送，“-1”表示数据接收，“0”表示不接收不发送。

Claims (4)

1.一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，适用于无线长距离链式多跳通信；联合TDMA信道接入机制和AODV路由协议设计一种链式多跳时隙分配算法，为每个节点分配收发时隙，确保两跳邻居节点范围以外的任意两个节点被分配相同时隙，实现跨层优化，具体包括：

1)路由建立：节点启动时需要建立路由，第一步，分配一个时隙0发送Hello消息；第二步，分配第二个时隙1用来发送RREQ、RREP消息建立路由，当源节点向目的节点发送数据之前，源节点在网络里面发送RREQ包；当中间节点接收到这个包的时候，在自己的路由表里面更新路由信息为源节点建立一个反向路由，并将RREQ包转发给下一个节点；通过中间节点的接收转发，目的节点接收到RREQ包之后，返回源节点一个RREP包；源节点收到路由应答RREP消息时，进行路径选择，维护节点路由表，从而完成路由建立；

2)数据传输：源节点到目的节点的路由建立完成，利用RREQ和RREP消息完成时隙分配，开始传输数据，由于两跳范围内的邻居节点容易造成冲突，因此需要分配三个时隙进行数据传输，各个节点分布式计算各自收发时隙并维护自身时隙表，具体步骤为：

2.1)源节点有数据要发送给未知的目的节点时，源节点向网络中广播到达目的节点的路由请求消息RREQ；

2.2)当中间节点接收路由请求消息时，利用时隙计算公式，计算自己的时隙，并设置此时隙号为接受时隙号，时隙计算公式为：时隙号＝2+(跳数信息-1)％3，其中跳数信息是RREQ消息中的跳数信息，初始值为1，每被转发一次数值加1；

2.3)在中间节点计算出自己的接收时隙后，将时隙号放入到达源节点的路由表中，继续转发路由请求消息，直到到达目的节点；

2.4)目的节点接收到路由请求消息RREQ后，终止RREQ消息，通过公式计算时隙号，并在该时隙接收数据；将自身时隙号放入RREP消息中的时隙号段，反向单播RREP消息；

2.5)中间节点接收到RREP消息，获取该消息中的时隙号，并在该时隙发送数据，提取自身时隙号信息，将其放入到达下一跳的路由应答消息，直到到达源节点。

2.根据权利要求1所述的一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，其特征在于：步骤2.4中，为了避免增加网络负担的问题，在RREP自身上进行修改，将RREP消息中的“保留”字段改为“时隙号”字段，作为节点交换的控制消息，来对节点的发送时隙进行分配。

3.根据权利要求1所述的一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，其特征在于：步骤2.3中，在到达源节点的路由表中添加“slot_Num”字段，表示节点的时隙号，默认值为“NULL”，节点将自身时隙号放入到达源节点路由表的“slot_Num”字段中。

4.根据权利要求1所述的一种时隙复用的无线链式多跳跨层优化方法，其特征在于，整个网络由5个时隙组成一个时隙周期，时隙0和时隙1为控制时隙，时隙2、时隙3和时隙4为数据时隙，节点在时隙0即“slot0”发送“HELLO”消息，在时隙1即“slot1”收发RREQ和RREP控制消息，节点在时隙2、时隙3、时隙4即“slot2、slot3、slot4”收发数据。