CN106850428B - 基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息数据处理技术领域，公开了一种基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法；提出了一个新的指标“链路质量”(LQ)；它不仅刻画了链路的相对位置对于链路性能的影响，同时，也考虑了传输开销以及数据投递率；基于这个指标，本发明设计了一个高速道路场景下基于802.11的感知链路质量的机会路由协议；利用这个机制，多跳的传输性能可以极大的提升；仿真显示该协议在数据的投递率和端到端的传输时延方面都要优于对比技术的性能。

Description

基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法

技术领域

本发明属于信息数据处理技术领域，尤其涉及一种基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法。

背景技术

车载自组织网络(VANETs)由于其在安全和娱乐应用方面的潜力，已经吸引了越来越多的关注。为了保障具有一定服务质量(QoS)的各种应用需求，车载自组织网络主要支持一下通信方式：车-车，车-路边设施，以及结合两者的混合结构。作为移动自组织网络的一个分类，车载自组织网络有自身独有的特点，比如，节点高度移动性，拓扑动态变化等。这些容易造成链路的不稳定性，从而影响信息的传输。为了解决这个问题，已经有许多的机制被提出：为了提升信息传输的可用性，EG-RAODV利用演化图理论建立了高速道路场景下车间的通信模型。该模型刻画了动态拓扑的演化特征，能够在发送信息之前决定鲁棒的路由。然而，它不能反映信道的性能。GPSR-R完善了GPSR协议。它在选择下一跳节点中继数据的过程中，考虑了节点间链路的稳定性，进而提出了一个链路稳定性的概率分析模型。通过该模型，一系列的节点被选择，来建立一条从源节点到目的节点之间的路由。然而，相对于GPSR协议，该协议的时延有略微的增加。因为成功传输一个数据给多个节点的概率大于给一个特定节点的概率，所以另外一个提升车载网络稳定性的方法是采用“任播”路由。基于“任播”的概念，LLA引入了一个链路开销的特殊指标。该指标结合了传输投递率和链路稳定性来反映不同链路的性能。基于该指标，在源节点和目的节点之间的路由可以通过LLA机制建立。但该协议没有考虑链路的相对位置对于网络性能的影响。现在虽有很多指标用于刻画多跳链路的传输性能，比如，ETX，ETF，PRR，ETOP，但是它们主要关注的是估计节点之间链路的性能，并没有反映节点自身的传输性能。所以，用这样的测量指标容易产生次优的方案而影响路由的性能。如此的问题已经被一些实验所验证，比如，GreenOrbs。这将进一步影响数据传输的稳定性。假设在一对节点之间存在两条路径。每条路径有相同的链路组成，但是链路的位置不同。如果利用传统的指标，比如，ETX，来评估不同路径的性能，则结果是一样的，而事实上两者却并不相同。这是因为它并没有考虑节点内部的性能，所以就没能刻画链路的相对位置对于网性能的影响。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术没有考虑组成路由的链路的相对位置对于数据传输的影响；ETOP和QoF分析了链路位置的影响，不过，它们没有考虑节点的移动、信号衰落、信道竞争、隐藏终端等要素；SPRE虽然反映了链路的特性，却没有考虑传输的时间，同时，它也不适合高速场景。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法。

本发明是这样实现的，一种基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法，所述基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法包括：

测量链路在传输开销和信息投递率方面的性能，当数据传输成功时所需要的链路质量LQ_n为：

LPDR_n表示信息投递率，也就是数据成功传输的概率：

LC_n表示数据从节点n到节点1传输过程中因为失败所造成的开销：

其中

t_i(i-1)表示节点i和i-1之间的一跳传输时延。

根据链路质量LQ_n方程，在任播机制下，从节点i到节点d的LQ_n被表示为：

其中M_k＝LPDR_k。

进一步，p_ij作为发送节点i和接收节点j之间的信息投递率；假设每个节点只有一次发送机会,数据从源节点n向目的节点1发送过程中，在节点k丢失的概率为：

数据从节点n到节点1传输过程中因为失败所造成的开销LC_n为：

其中

t_i(i-1)表示节点i和i-1之间的一跳传输时延；

根据公式

计算期望开销所需要的信息可以通过迭代的一跳信息交互获得。

进一步，为应对节点的移动性以及保障信息的快速传输，结合链路稳定性以及一跳传输距离，定义一个自适应的一跳选择指标链路可用性：

d_j表示一跳传输距离；R表示节点的通信半径；r_j(T_l)一跳链路稳定性，即节点i和j的链路在给定时间T_l内保持有效的概率；

其中

μ和σ²各自表示速度的平均值和相应的方差。

进一步，根据方程,，选择N_i个可用的一跳邻居节点作为下一跳选择的候选者；它们和发送节点之间的链路可用性均超过一个给定的阈值；对于其中一个节点j,它的优先级是根据相应的LQ排序，当比它优先级高的节点若都没有成功收到发送节点的信息，它将作为中继节点，而这个情况发送的概率为:

根据LQ_n，LQ_i越小，节点i的优先级越高。

进一步，在任播机制下，从节点i到节点d路由协议方法包括：

对于V的每个节点i,设置LQ_i＝∞,J_i＝0；

设置LQ_d＝0,

N＝V；

While

D＝D∪{j}；

对于每个边(i,j)；

J＝J_i∪{j}；

If LQ_i＜LQ_j；

J_i＝J；

结束；

其中，V:节点的集合；C_j:在任播机制下，从节点j到节点d的链路质量；D:具有到目的节点链路质量的节点的集合；N:到目的节点还没有链路质量的节点的集合；J:传输节点集合；J_i:从节点i到节点d的传输节点集合。

进一步，在任播机制下，从节点i到节点d路由协议方法

通过在任播机制下，从节点i到节点d路由协议方法，每个节点得到自己到目的节点的最小的LQ_i；当节点i想要通过多跳传输向目的节点d传输信息时候，每个节点首先检查目的节点是否在每个节点的通信范围；

若在，就直接传输；否则，每个节点尝试把数据传给邻居节点当中具有最小LQ_i的节点；若这次传输失败，每个节点会根据节点到目的节点LQ_i的降序把数据传给第二个节点；

以此类推，直到有节点成功接收到目的节点的最小的LQ_i信息；这时候，成功接收信息的节点重复以上过程，直到目的节点成功接收到自己目的节点的最小的LQ_i信息。

本发明的优点及积极效果为：

为了基于不同的应用需求设计一个协议，路由指标可以定量的评估路由的有效性，在选择最优路由的过程中发挥着重要的作用，直接影响网络的性能。在本发明中，不同以往的工作，提出了一个新的指标“链路质量”(LQ)。它不仅刻画了链路的相对位置对于链路性能的影响，同时，也考虑了传输开销以及数据投递率。基于这个指标，本发明提出了一个高速道路场景下基于802.11的感知链路质量的机会路由协议。利用这个机制，多跳的传输性能可以极大的提升。

该协议的仿真场景：本发明用SUMO和MOVE工具产生实际城市的道路环境。给定的区域为2000m*1500m,有15个路口和22个双向车道。每个节点的节点位置随机分布在该区域，速度区间为30km/h-60km/h，在每个路口随机的选择方向。IEEE 802.11的DCF协议用来作为MAC层的协议。每个节点的传输范围为250m，信道的传输速率为2Mbp/s，CBR用于产生网络的数据流。周期性的beacon用于节点之间交互信息，间隔长度是1s，过期时间是5s。对比的协议为GPSR和ExOR。

数据投递率：相比于GPRS和ExOR,我们提出的协议考虑了数据传输失败时候的开销，同时充分利用了网络的资源获得最优的性能，此外，在做路由决定时候也开发了相邻路段的信息，因此，在数据投递率方面分别有22.85％和8.09％的提升。

端到端时延：相比于GRRS和ExOR，我们提出的协议考虑了网络资源的开销以及相邻路段的性能，所以在一定程度上保障了数据传输的效率，降低了局部优化的概率，从而在端到端时延方面分别有36.13％和14.95％的降低。

仿真显示该协议在数据的投递率和端到端的传输时延方面都要优于对比技术的协议。

附图说明

图1是本发明实施例提供的网络拓扑图；

图2是本发明实施例提供的具有相同ETX路径的实例图；

图3是本发明实施例提供的算法1的实例图；

图中，a、算法运行前的拓扑图；b、算法运行后的拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法，首先提出了LQ的模型。然后，扩展该模型至“任播”机制。LQ的模型考虑了节点的移动性、传输开销、信息投递率以及链路的位置。

考虑到高速道路场景的下的网络拓扑，本发明可以用一个有向图G(V,E)刻画它，如图1所示。其中，V是节点的集合，比如，a，b，c，d，s，d，E是链路的集合，比如，<i,j>表示的就是相邻节点子节点一条链路。

假设每个车辆可以通过GPS导航系统获知自己的地理位置，也能够通过短程无线通信设备，比如DSRC，实现通信。目的节点的位置可以用过定位服务RLSMP获知。

本发明考虑了影响通信链路稳定性的两个要素。

第一个是节点的移动性。一般而言，发送节点基于信标交换的信息来选择一个邻居节点作为下一跳。由于移动性，发送节点的邻居节点容易移出它的通信范围，从而导致之前维护的信息过期，影响了数据的传输。

第二个涉及链路的相对位置。如图2所示，在节点1和3之间存在两条由不同链路组成的路径。每条链路用数据投递率，即数据成功穿过链路的概率，表示其性能。以传统的路由指标“平均传输次数”(ETX)为例，这两条路径有相同的值，即ETX_patha＝3×4＝12，ETX_pathb＝1×12＝12。然而，事实上，两条路径有不同的稳定性，从而造成了不一样的链路开销和信息投递率。假设每个节点有一次传输机会，同时为了方便，假定每次传输所需的时间是1，那么对于路径a而言，由于传输失败而造成的开销是

类似的，对于路径b而言，由于失败造成的开销是

显然，路径b相对于a而言，性能比较一般。这是因为路径b接近目的节点的链路，比如链路2，有较低的信息投递率。从源节点传输过来数据容易在这个链路上丢失，这样的话，之前的传输过程就会浪费，从而增加了传输的开销。

本发明实施例提供的LQ模型：

1、链路的LQ：

定义p_ij作为发送节点i和接收节点j之间的信息投递率。假设每个节点只有一次发送机会,当源节点n有数据向目的节点1发送时，在节点k丢失的概率为：

数据从节点n到节点1传输过程中因为失败所造成的开销LC_n为：

其中

t_i(i-1)表示节点i和i-1之间的一跳传输时延。

根据公式(2)计算期望开销所需要的信息可以通过迭代的一跳信息交互获得。

为了测量链路在传输开销和信息投递率方面的性能，定义当数据传输成功时的链路质量LQ_n为：

LPDR_n表示信息投递率，也就是数据成功传输的概率：

2、任播机制下的LQ：

在“任播”路由中，发送节点同时给多个邻居节点发送信息。为了避免不必要的传输，只有其中一个邻居节点负责传输。所以，每个节点需要有不同的优先级。一般而言，到目的节点具有最小LQ的节点有最高的优先级。一个次优先级的节点，只有在比它优先级高的节点都没有成功接收该信息的情况下，才能接收并转发该信息。

为了决定可用传输节点的集合，本发明提出了一个自适应的一跳邻居节点选择机制。为了应对节点的移动性以及保障一跳的传输距离，本发明结合链路稳定性以及一跳传输距离d_j，定义了一个自适应的一跳选择指标“链路可用性”：

R表示节点的通信半径。一跳链路稳定性为r_j(T_l)，即节点i和j的链路在给定时间T_l内保持有效的概率。

其中

μ和σ²各自表示速度的平均值和相应的方差。

根据方程,选择了N_i个可用的一跳邻居节点作为下一跳选择的候选者。它们和发送节点之间的链路可用性均超过了一个给定的阈值。它们可以组成一个有序的集合，对于其中一个节点j,它的优先级是根据相应的LQ排序的。它将作为中继节点，如果比它优先级高的节点都没有成功收到发送节点的信息。这个情况发送的概率为:

根据LQ的定义，会发现LQ_i越小，节点i的优先级越高。进而根据方程,在“任播”机制下，从节点i到节点的d LQ可以被表示为：

其中M_k＝LPDR_k。

根据方程,作为SAF的一个拓展,节点i和d之间在“任播”机制下路由可以通过下面提出的算法建立。

算法：

V:节点的集合；

C_j:在任播机制下，从节点j到节点d的链路质量；

D:具有到目的节点链路质量的节点的集合；

N:到目的节点还没有链路质量的节点的集合；

J:传输节点集合；

J_i:从节点i到节点d的传输节点集合；

1)对于V的每个节点i,设置LQ_i＝∞,J_i＝0；

2)设置LQ_d＝0,

N＝V；

3)While

4)

D＝D∪{j}

5)对于每个边(i,j)

6)J＝J_i∪{j}

7)If LQ_i＜LQ_j

8)

9)J_i＝J

10)结束。

如图3所示，介绍算法1的一个简单例子。图中每个链路上的数字表示信息的投递率，节点7是源节点，1是目的节点。为了简单起见，假定一跳链路的传输时延是1。图中，a、算法运行前的拓扑图；b、算法运行后的拓扑图。

通过这个算法，每个节点可以得到它自己到目的节点的最小的LQ。当节点i想要通过多跳传输向目的节点d传输信息时候，它首先检查目的节点是否在它的通信范围。如果在，就直接传输。否则，它尝试把数据传给邻居节点当中具有最小LQ的节点。如果这次传输失败，它进而会根据节点到目的节点LQ的降序把数据传给第二个节点。以此类推，直到有节点成功接收该信息。这时候，成功接收信息的节点重复以上过程，直到目的节点成功接收该信息。

本发明为了基于不同的应用需求设计一个协议，路由指标可以定量的评估路由的有效性，在选择最优路由的过程中发挥着重要的作用，直接影响网络的性能。在本发明中，不同以往的工作，提出了一个新的指标“链路质量”(LQ)。它不仅刻画了链路的相对位置对于链路性能的影响，同时，也考虑了传输开销以及数据投递率。基于这个指标，本发明提出了一个高速道路场景下基于802.11的感知链路质量的机会路由协议。利用这个机制，多跳的传输性能可以极大的提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法，其特征在于，所述基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法包括：

测量链路在传输开销和信息投递率方面的性能，当数据传输成功时所需要的链路质量LQ_n为：

LPDR_n表示信息投递率，也就是数据成功传输的概率：

LC_n表示数据从节点n到节点1传输过程中因为失败所造成的开销：

其中

t_i(i-1)表示节点i和i-1之间的一跳传输时延；

根据链路质量LQ_n方程，在任播机制下，从节点i到节点d的链路质量LQ_n被表示为：

其中M_k＝LPDR_k；

在任播机制下，从节点i到节点d路由协议方法包括：

对于V的每个节点i,设置LQ_i＝∞,J_i＝0；

设置LQ_d＝0,

N＝V；

D＝D∪{j}；

对于每个边(i,j)；

J＝J_i∪{j}；

If LQ_i＜LQ_j；

J_i＝J；

结束；

其中，V:节点的集合；C_j:在任播机制下，从节点j到节点d的链路质量；D:具有到目的节点链路质量的节点的集合；N:到目的节点还没有链路质量的节点的集合；J:传输节点集合；J_i:从节点i到节点d的传输节点集合；

在任播机制下，从节点i到节点d路由协议方法：

通过在任播机制下，从节点i到节点d路由协议方法，每个节点得到自己到目的节点的最小的LQ_i；当节点i想要通过多跳传输向目的节点d传输信息时候，每个节点首先检查目的节点是否在每个节点的通信范围；

若在，就直接传输；否则，每个节点尝试把数据传给邻居节点当中具有最小LQ_i的节点；若这次传输失败，每个节点会根据节点到目的节点LQ_i的降序把数据传给第二个节点；

以此类推，直到有节点成功接收到目的节点的最小的数据信息；这时候，成功接收信息的节点重复以上过程，直到目的节点成功接收到自己目的节点的最小的数据信息。

2.如权利要求1所述的基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法，其特征在于，p_ij作为发送节点i和接收节点j之间的信息投递率；假设每个节点只有一次发送机会,数据在从源节点n向目的节点1发送过程中，在节点k丢失的概率为：

数据从节点n到节点1传输过程中因为失败所造成的开销LC_n为：

其中

t_i(i-1)表示节点i和i-1之间的一跳传输时延；

根据上式计算期望开销所需要的信息可以通过迭代的一跳信息交互获得。

3.如权利要求1所述的基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法，其特征在于，为应对节点的移动性以及保障信息的快速传输，结合链路稳定性以及一跳传输距离，定义一个自适应的一跳选择指标链路可用性：

d_j表示一跳传输距离；R表示节点的通信半径；r_j(T_l)一跳链路稳定性，即节点i和j的链路在给定时间T_l内保持有效的概率：

其中

μ和σ²各自表示速度的平均值和相应的方差。

4.如权利要求1所述的基于802.11的感知链路质量的机会路由协议方法，其特征在于，根据方程

对于发送节点而言选择N_i个可用的一跳邻居节点作为下一跳选择的候选者；它们和发送节点之间的链路可用性均超过一个给定的阈值；对于其中一个节点j,它的优先级是根据相应的LQ排序，当比它优先级高的节点若都没有成功收到发送节点的信息，将作为中继节点，发送的概率为:

根据LQ_n，LQ_i越小，节点i的优先级越高。

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