CN106993310A - 一种无线自组网中基于负载感知的联合路由方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组网中基于负载感知的联合路由方法包括：随机分配可用信道；建立负载均衡的路径作为路由选择信道负载值最大的链路，并重新分配可用信道集中的信道；当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，且路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则重复选择路径并分配信道步骤；将最后一次的路径选择与信道分配结果作为最终的结果。本发明提供的联合路由方法及系统，通过找到负载均衡的路径，并通过负载感知进行信道分配，选择负载最小的信道并找到使网络性能最优的路由，本发明以负载均衡和干扰抑制为优化目标，在寻路的过程中同时考虑到信道负载情况，并进行信道分配，从而实现联合优化的效果。

Description

一种无线自组网中基于负载感知的联合路由方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种无线自组网中基于负载感知的联合路由方法及系统。

背景技术

现有的路由方法为：采用动态加权累积期望传输时间(Dynamic WeightedCumulative Expected Transmission Time)D-WCETT为路由度量的方法，实施的具体步骤包括：

信道初始化：全网链路配置随机信道。

发送RREQ报文：源节点有向目的节点的通信需求，则向邻居节点多播RREQ报文。

处理RREQ报文：节点收到RREQ报文后，从RREQ报文的单条信息域中找到上一条节点到点的目的地址和路由度量D-WCETT，如果点是目的节点，则计算整条路径的路由度量D-WCETT，并通过反向路由向原节点发送RREP报文；如果点不是第一次收到RREQ报文，且其路由度量优于已回复RREQ报文的路由度量，则回复RREP报文，否则丢弃RREQ报文；如果点不是目的节点，但其路由表中有到目的节点的路由，则将路由表中点到目的节点的路由R与RREQ报文中源节点到点的路由R相加，得到源节点到目的节点路由R；将路由表中点到目的节点的路由D-WCETT和RREQ中源节点到点的路由D-WCETT相加，得到源节点到目的节点路由D-WCETT，并且根据反向路由直接回复RREP报文；如果中间节点的路由表中没有到目的节点的路由，则需要转发RREQ报文，当RREQ报文从一个源节点转发到不同节点时，沿途所经过的节点都要自动建立到源节点的反向路由；如果点第一次收到RREP报文或该RREQ报文的单条路由度量优于以前收到的RREQ报文单条度量，则先更新反向路由，路由R和D-WCETT；将到各邻居节点D-WCETT写入到RREQ报文中并转发RREQ报文；点不是第一次收到RREQ报文并且该RREQ报文的单条度量没有优于以前收到的RREQ报文单条度量，则丢弃RREQ报文。

处理RREP：如果本节点是源节点，当本节点收到RREP报文后，计算路由度量D-WCETT，保存路由到路由表项中，按照路由向目的节点发送数据分组。如果点第一次收到RREP报文，则将该条路由保存到路由表中；如果该节点不是第一次收到RREP，则当该RREP报文的路由度量优于之前收到的RREP报文的路由度量，则将该条路由更新到路由表中，否则丢弃该RREP报文。如果本节点不是源节点，则将RREP报文中的路由R与本节点中保存的反向路由中的R相减，作为本节点到目的节点正向路由的R；将RREP报文中的路由D-WCETT与本节点中保存的反向路由中的D-WCETT相减，作为本节点到目的节点正向路由的R。本节点按照反向路径向下一条节点转发RREP报文。

路由的维护与更新：为了维护路由，每个包含路由的节点周期地广播HELLO包报文。一个节点收到一个HELLO包报文就可以知道一个邻居与自己依然保持连接，还能获取队列长度，链路带宽，发包总数以及收包总数等信息。如果在一定时间内收不到一个邻居的HELLO包报文，则认为该邻居与自己不再连接，以这个节点为下一条的路由都不能再用来传送数据，因此将这些路由设置为无效状态。路由方法将进行局部维修，这个节点将启动路由发现过程，广播RREQ报文以便建立新路由，如果在给定时间里能建立起有效路由，就继续发送数据，如果建立路由不成功，则向上游发送RRER(路由错误)报文。源节点收到RRER后，重新发起路由发现过程。

其中，动态加权累积期望传输时间D-WCETT的计算公式为：

其中β值由网络负载情况决定，处于0～1之间，链路负载严重，β值趋近0，链路负载不严重，β值趋近1；源到目的节点中有n条路径，k是可用信道数。ETT(ExpectedTransmission Time)表示期望传输时间，该公式第一项的表示n条路径的期望传输时间之和，是对网络中路径长度的衡量；该公式第二项max_1≤j≤kXj表示在从信道1到信道k的选择范围内使用信道j时期望传输时间的最大值,一条路径中信道多样化最明显的是容易导致同信道干扰，使用不同信道的期望传输时间最大值是传输时间的瓶颈时间，所以该项用来衡量信道多样性造成的瓶颈时间。D-WCETT路由就是为所有信道计算的，并且路由请求在D-WCETT值最小的路径上进行转发。当链路有更高负载时，β值变小，D-WCETT给第一项表示的路径长度更多权重，更少的权重给第二项表示的信道多样性。反之，亦然。选择路径中具有D-WCETT动态加权累积期望传输时间最小值的路径：可见当链路负载严重，β值趋近0时D-WCETT反映了路径上最小ETT之和，当链路负载不严重，β值趋近1时D-WCETT倾向于选择一个信道多样性最丰富的路径。

计算期望传输时间ETT的公式：

ETT综合考虑了带宽、数据分组大小以及物理层的传输速率等链路性能。ETT是一个数据包在某个信道上传输所花费的时间，它的值越小，表明数据包在该条路由上成功传输所花费的时间就越少。

ETX(Expected Transmission Count)即期望传输计数值，是链路上估计的重传次数。它指在无线mesh网络中每个数据包在一条链路上从一个节点到另一个节点成功传输所需要的次数。ETX通过每秒从邻居节点处接受的探测包来计算反向投递率，用给邻居成功发送分组计算正向投递率。期望传输次数是基于MAC层发射期望次数来建立路径，可以获得更多的成功发射次数。

其中，S表示数据包分组大小，B表示链路的带宽。d_f表示前向投递率(forwarddelivery ratio)即表示点向其他邻居节点的投递率，d_r表示后向投递率(backwarddelivery ratio)即表示其他邻居节点向点的投递率。投递率的计算方法是某段时间内节点实际接收(或发送)的探测报数与该段时间理想状态下应该接收(或发送)的探测包数的比值。

计算β值的公式：

β＝1-QDI

QDI(queue discharge interval)即队列拥堵时间，是表示网络负载一个实时而精确的度量，当链路的QDI值较高时，β值就较低，两者成负相关关系。β值不是静态值，而是可以依据链路中的拥塞程度而动态改变的。

QDI计算公式：

IFQ(interface queue length)即接口队列长度，这个参数表示某个节点接口队列可以容纳数据包的总数。它是网络节点的本地属性；每个网络节点拥有入队和出队的接口队列用来存储不能及时发送或者接收的包。队列长度说明节点的现在状态：空队列是网络节点目前没有数据包的交换，可以承受更多流量，但满队列说明该节点不能处理更多的包。通常队列满之后若继续收到数据包则开始丢包。

BW是信道带宽；QDI表示分组发送之前在接口缓存队列拥塞的时间。通过归一化不同节点接入不同带宽的信道保证该值的通用性。

为了计算网络负载，D-WCETT使用IFQ作为衡量链路拥塞程度的指标。IFQ可以间接说明链路质量，链路负载这些参数。而使用IFQ这个参数的优势是它是本地节点的属性，路由选择时考虑该参数不会引入额外的网络开销。

当一个路由请求在节点处被接收，当前链路在左右可用信道上的拥塞值通过IFQ值来获取。在不同带宽上的链路通过已经被归一化的QDI值补偿，QDI值在0到1之间，0表示空队列，1表示满队列。依据QDI值，算出β值。

发明人经研究发现现有的路由方法的不足有：

1)通过接口队列长度IFQ来表示链路的拥塞情况是不完善的，信道负载应该考虑在路由上分配信道的负载因素和信道分集因素。

2)只陈述路由度量方面的优化，没有与信道分配进行结合，使用随机分配的信道初始化方式，干扰情况可能较大导致部分节点无法通信。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够表明在路由上分配信道的负载情况，且能够反映信道分集情况的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法及系统。

基于上述目的本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，其特征在于包括如下步骤：

信道初始化：为网络拓扑节点随机分配可用信道，作为最初始的信道分配结果；

选择路径并分配信道：建立起一条负载均衡的路径作为路由，记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载，选择信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道；

迭代：判断第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果是否相同，当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，判断路径的路由是否相同，若路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则，重复选择路径并分配信道步骤；

更新：将最后一次的路径选择结果与信道分配结果作为最终的结果。

进一步的，所述选择路径并分配信道的方法包括：

计算联合路由度量：根据初始化信道分配之后的网络拓扑，依公式

计算联合路由度量D-LAJOA，其中，k表示可用信道的数目，CL(j)表示使用信道j的链路网络负载大小，β表示动态可调权重因子，表示所有可用信道j(信道1～信道k)的链路负载之和，max_1≤j≤k CL(j)表示使用某一信道j(1≤j≤k)的链路负载最大值；

路由选择：使用联合路由度量的路由方法建立起一条负载均衡的路径作为路由；

可用信道和信道负载记录：根据已经建立的路由，在路由表中记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载；

信道分配：对于信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道。

进一步的，所述为网络拓扑节点随机分配可用信道的方法包括：对于一个节点的不同射频应分配不同的正交信道，且对于未绑定信道的节点射频应优先分配未被分配信道。

进一步的，所述信道负载的计算方法包括：根据公式

计算信道负载，其中，l∈channelj表示使用信道j的链路l，ETT_l表示链路l上的期望发射时间，衡量两节点之间的端到端时延，Q_l表示两个节点链l上平均缓冲包的数量，CL(j)表示所有使用信道j的链路l上负载。

进一步的，所述动态可调权重因子β的计算方法包括：根据公式

β＝1-QSI

计算得到动态可调权重因子β，其中0≤β≤1，QSI表示队列停留时间，且

其中，0≤QSI≤1，IFQ表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，BW表示信道的带宽；

队列停留时间QSI表明网络实时的网络负载情况，QSI的值越大说明网络的负载情况越严重，根据QSI的值动态地获得可调权重因子β的值，当QSI值为0时，表明是空队列，QSI值为1，表明是满队列。

另一方面本发明提供无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，包括：

信道初始化单元，用于为网络拓扑节点随机分配可用信道，作为最初始的信道分配结果；

选择路径并分配信道单元，用于建立起一条负载均衡的路径作为路由，记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载，选择信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道；

判断单元，用于判断第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果是否相同，当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，判断路径的路由是否相同，若路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则，重复选择路径并分配信道步骤；

更新单元，用于将最后一次的路径选择结果与信道分配结果作为最终的结果。

进一步的，所述选择路径并分配信道单元包括：

计算联合路由度量模块，用于根据初始化信道分配之后的网络拓扑，依公式

计算联合路由度量D-LAJOA，其中，k表示可用信道的数目，CL(j)表示使用信道j的链路网络负载大小，β表示动态可调权重因子，表示所有可用信道j(信道1～信道k)的链路负载之和，max_1≤j≤k CL(j)表示使用某一信道j(1≤j≤k)的链路负载最大值；

路由选择模块，用于使用联合路由度量的路由方法建立起一条负载均衡的路径作为路由；

可用信道和信道负载记录模块，用于根据已经建立的路由，在路由表中记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载；

信道分配模块，对于信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道。

进一步的，所述为网络拓扑节点随机分配可用信道遵循原则：对于一个节点的不同射频应分配不同的正交信道，且对于未绑定信道的节点射频应优先分配未被分配信道。

进一步的，所述选择路径并分配信道单元还包括计算信道负载模块：用于根据公式

计算信道负载，其中，l∈channelj表示使用信道j的链路l，ETT_l表示链路l上的期望发射时间，衡量两节点之间的端到端时延，Q_l表示两个节点链l上平均缓冲包的数量，CL(j)表示所有使用信道j的链路l上负载。

进一步的，所述计算联合路由度量模块包括计算动态可调权重因子β子模块，用于根据公式

β＝1-QSI

计算得到动态可调权重因子β，其中0≤β≤1，QSI表示队列停留时间，且

其中，0≤QSI≤1，IFQ表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，BW表示信道的带宽；

队列停留时间QSI表明网络实时的网络负载情况，QSI的值越大说明网络的负载情况越严重，根据QSI的值动态地获得可调权重因子β的值，当QSI值为0时，表明是空队列，QSI值为1，表明是满队列。

从上面所述可以看出，本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法及系统，通过找到负载均衡的路径，并且通过负载感知进行信道分配，在路由寻路过程中根据信道负载情况进行信道切换，选择负载最小的信道并找到使网络性能最优的路由，本发明以负载均衡和干扰抑制为优化目标，在寻路的过程中同时考虑到信道负载情况，并进行信道分配，从而实现联合优化的效果。并且通过收敛方式获得最小化信道干扰的情况下，改进了基于负载感知的路由度量，将两节点链路上的平均缓冲包数量和平均传输时间两个关键因素考虑进来，改进后的负载感知度量信道负载不仅能够表明在路由上分配信道的负载情况，而且能够反映信道分集情况。

附图说明

图1为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法的一个实施例示意图；

图2为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法的另一个实施例示意图；

图3为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法一个实施例的路由表；

图4为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法一个实施例的仿真参数表；

图5为多射频多信道无线Mesh网络中联合优化算法和对比算法在不同业务流数目中的平均网络吞吐率性能曲线图；

图6为MRMC-WMN中联合优化算法D-LAJOA在不同节点数目下的平均丢包率的仿真结果图。

图7为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由系统实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法的实施例示意图，包括如下步骤：

步骤101，信道初始化：为网络拓扑节点随机分配可用信道，作为最初始的信道分配结果；

步骤102，选择路径并分配信道：建立起一条负载均衡的路径作为路由，记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载，选择信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道；

步骤103，迭代：判断第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果是否相同；

步骤104，当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，判断路径的路由是否相同，若路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则，重复选择路径并分配信道步骤；

步骤105，更新：将最后一次的路径选择结果与信道分配结果作为最终的结果。

本发明通过找到负载均衡的路径，并且通过负载感知进行信道分配，在路由寻路过程中根据信道负载情况进行信道切换，选择负载最小的信道并找到使网络性能最优的路由，本发明以负载均衡和干扰抑制为优化目标，在寻路的过程中同时考虑到信道负载情况，并进行信道分配，从而实现联合优化的效果。

进一步的，如图2所示为本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法的另一个实施例示意图，其中，步骤102，选择路径并分配信道的方法包括：

步骤102a，计算联合路由度量：根据初始化信道分配之后的网络拓扑，依公式

计算联合路由度量D-LAJOA，其中，k表示可用信道的数目，CL(j)表示使用信道j的链路网络负载大小，β表示动态可调权重因子，表示所有可用信道j(信道1～信道k)的链路负载之和，max_1≤j≤k CL(j)表示使用某一信道j(1≤j≤k)的链路负载最大值；

步骤102b，路由选择：使用联合路由度量的路由方法建立起一条负载均衡的路径作为路由；

步骤102c，可用信道和信道负载记录：根据已经建立的路由，在路由表中记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载；

步骤102d，信道分配：选择路径并分配信道：对于信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道。

其中，当联合路由度量计算得出使用信道j的网络负载过大时，会自动切换到其它可用信道，均衡网络负载，使得算法在吞吐量、丢包率性能上有着更好的表现。

联合路由度量D-LAJOA通过选择最小的max_1≤j≤k CL(j)也就是链路负载最大值，为链路分配干扰抑制和负载均衡的可用信道，并且根据动态可调权重因子β，适应流量变化的网络环境，使得网络的吞吐率最优，最后基于在寻路过程中为链路分配的可用信道，根据联合路由度量计算得出路径路由度量集合，选择路由度量最小的组合作为选择的路由和其已分配的可用信道。

同时可以对提出的D-LAJOA算法设计路由表，如图3所示为本发明提供的联合路由方法的路由表，表项包括：目的节点地址，下一条地址，该节点到下一条节点所分配的可用信道，使用该可用信道的负载情况，可调权重因子的大小以及D-LAJOA公式计算出的联合路由度量的大小。D-LAJOA算法在选择下一条的同时，通过路由度量计算需要分配的可用信道以及其信道负载情况，并获取节点的可调权重因子β的大小，根据不同的信道组合和路径选择情况获得路由度量集合，并选择路由度量最小的组合作为选择的路由和其已分配的可用信道。

进一步的，步骤101，为网络拓扑节点随机分配可用信道的方法，应当遵循如下规则：对于一个节点的不同射频应分配不同的正交信道，且对于未绑定信道的节点射频应优先分配未被分配信道。

进一步的，所述信道负载的计算方法包括：根据公式

计算信道负载，其中，l∈channelj表示使用信道j的链路l，ETT_l表示链路l上的期望发射时间，衡量两节点之间的端到端时延，Q_l表示两个节点链l上平均缓冲包的数量，CL(j)表示所有使用信道j的链路l上负载。

本发明基于平均传输时间ETT和链路缓存包数量设计得出信道负载CL的计算公式，使用多射频节点的目的是利用多个可用正交信道来最大化可用带宽。

进一步的，所述动态可调权重因子β的计算方法包括：根据公式

β＝1-QSI

计算得到动态可调权重因子β，其中0≤β≤1，QSI(Queue Stay Interval)表示队列停留时间且

其中，0≤QSI≤1，IFQ表示信道中队列容纳数据量，即分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，BW表示信道的带宽。

队列停留时间QSI表明网络实时的网络负载情况，QSI的值越大说明网络的负载情况越严重，根据QSI的值动态地获得可调权重因子β的值，当QSI值为0时，表明是空队列，QSI值为1，表明是满队列。

通过QSI表示表示队列停留时间，即数据分组在没有传输之前需要在接口队列长度IFQ中停留时间，满足接口能够实现不同的数据速率。

本发明提供的联合路由方法，通过借鉴现有技术接口队列长度(Interface QueueLength，IFQ)的概念，表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，队列长度可以表示节点的网络属性，队列长度能够表明当前信道的拥塞状态，空队列表明该信道无拥塞状态，能够传输更多的流量，满队列则表明该信道已经达到瓶颈状态，无法处理更多的数据包。一般而言，队列长度从很小到满队列之后会导致网络产生丢包的情况,因此接口队列长度IFQ能够表征链路质量，链路负载CL以及额外的干扰情况。IFQ最大的优势是本节点的网络属性，因此不会产生额外的网络开销，而且能够持续获得IFQ信息，使联合路由度量D-LAJOA能够敏捷的适应动态网络。

本发明提供的联合路由方法，通过采用动态可调权重因子β，使得联合路由度量计算出所有信道和路由选择最小的路由度量，使得网络负载均衡且能够有效抑制干扰。

本发明提供的联合路由方法基于信道负载CL和可调权重因子β的设计，将信道分配和路由选择视作同一过程，进行联合设计路由度量，进而提出一种动态负载感知的联合优化路由度量，以负载均衡和干扰抑制为优化目标，在寻路的过程中同时考虑到信道负载情况，并进行信道分配，从而实现联合优化的效果。

从上面所述可以看出，本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，通过找到负载均衡的路径，并且通过负载感知进行信道分配，在路由寻路过程中根据信道负载情况进行信道切换，选择负载最小的信道并找到使网络性能最优的路由，本发明以负载均衡和干扰抑制为优化目标，在寻路的过程中同时考虑到信道负载情况，并进行信道分配，从而实现联合优化的效果。并且通过收敛方式获得最小化信道干扰的情况下，改进了基于负载感知的路由度量，将两节点链路上的平均缓冲包数量和平均传输时间两个关键因素考虑进来，改进后的负载感知度量信道负载不仅能够表明在路由上分配信道的负载情况，而且能够反映信道分集情况。

更详细的本发明提供的联合路由方法的仿真环境为：采用NS-2网络仿真工具搭建多射频多信道无线Mesh网络仿真环境，利用扩展的多射频多信道无线Mesh网络模型对NS-2进行多射频多接口的扩展。对提出的动态负载感知联合优化算法D-LAJOA进行仿真验证工作，并与对比算法D-WCETT、WCETT(weighted cumulative expected transmission time加权累积预期发射时间)、MRMC-AODV(multi radio multi channel Ad hoc On-demandDistance Vector Routing多射频多信道无线自组网按需平面距离向量路由协议)进行仿真分析对比。

仿真区域是1000m*1000m，仿真节点数目为4/8/12/16/20/24/28/32/36/40个，每个仿真节点上配置3个射频，且每个节点的传输范围是25m，干扰范围是55m，数据分组长度为512byte，丢包率为p＝0.01，仿真运行时间是100s，信道带宽为11Mbps，仿真参数如图4所示。

通过图4所示的仿真参数，得出仿真验证及结果分析如下：

1)网络吞吐率：在不同业务流数目和不同可用信道数目下，通过仿真验证了本发明提出的联合优化算法D-LAJOA的网络吞吐率性能，并与已有的路由算法D-WCETT、β为0.5的WCETT以及MRMC-AODV进行性能的比较。仿真随机生成2/4/6/8/10/12/14/16/18/20个业务流，并随机生成16个仿真节点的网络拓扑，经过多次仿真，并对其结果取平均值，得到本发明所提联合优化算法D-LAJOA和对比算法在不同业务流数目数仿真场景中的网络平均吞吐率曲线如图5所示。

如图5所示，表示的是多射频多信道无线Mesh网络中联合优化算法和对比算法在不同业务流数目中的平均网络吞吐率性能曲线图。可知，当业务流数目逐渐增加时，本发明所提联合优化算法D-LAJOA与其它三种对比算法的网络平均吞吐率呈上升态势。相比之下，本发明所提出的联合优化算法D-LAJOA网络平均吞吐率增长速度最快，MRMC-AODV算法的网络平均吞吐率增速最为缓慢，D-WCETT算法和WCETT算法的网络平均吞吐率增速介于两者之间，且D-WCETT算法和WCETT算法的网络平均吞吐率增速态势相差不多。这是因为MRMC-AODV算法在设计中没有考虑负载均衡，当网络出现拥塞情况时，不能够有效地应对，而D-WCETT和WCETT算法一定程度上实现了负载均衡，但是这种优化效果有限，本发明提出的D-LAJOA算法则在寻路过程中，就充分考虑信道负载情况并动态调整权重因子，实现了信道分配和路由选择的联合优化，因此能够有效地提高网络吞吐率性能。

2)平均丢包率：平均丢包率的计算方法为成功传输数据包所占总传输数据包的比率。仿真随机生成4/8/12/16/20/24/28/32/36/40个仿真节点网络拓扑，并随机生成8个负载为2Mbps的业务流。经过多次仿真，并对其结果取平均值，得到本发明所提联合优化算法D-LAJOA和对比算法在不同节点数目下的平均丢包率曲线如图6所示。

如图6所示为MRMC-WMN中联合优化算法D-LAJOA在不同节点数目下的平均丢包率的仿真结果图。可知，随着仿真节点数目逐渐增多，本发明所提联合优化算法D-LAJOA与其它三种对比算法的平均丢包率逐渐增大，并且算法的平均丢包率的大小关系为：MRMC-AODV算法平均丢包率最大，WCETT算法平均丢包率次之，D-WCETT算法平均丢包率与WCETT略有差别，本发明提供的算法D-LAJOA平均丢包率最小，由此可以看出，本发明提供的算法D-LAJOA平均丢包率性能优于其它三种算法。由于本发明所提算法D-LAJOA在网络拥塞情况下的优化效果最好，能够有效地做到负载均衡和干扰抑制，降低网络的丢包率。

可见本发明通过的联合路由方法通过利用平均传输时间和本地队列长度信息找到负载均衡的路径，通过负载感知进行信道分配，选择负载小的信道；本发明提供的联合路由方法综合考虑干扰抑制，负载均衡，信道分配和路由选择联合优化设计，通过进行信道负载CL(Channel Load)、可调权重因子β和联合路由度量的设计，提出了动态负载感知联合优化算法(Dynamic Load-Aware Joint Optimal Algorithm，D-LAJOA)；本发明提供的联合路由方法在路由寻路过程中根据信道负载情况进行信道切换，选择负载最小的信道且找到使网络性能最优的路由，充分考虑信道负载情况并动态调整权重因子，实现了信道分配和路由选择的联合优化，能够有效地提高网络吞吐率性能，由仿真结果可知，本发明提供的联合路由方法在网络拥塞情况下的优化效果最好，能够有效地做到负载均衡和干扰抑制，降低网络的丢包率。

另一方面本发明提供无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，如图7所示为该联合路由系统的示意图，该系统包括：

信道初始化单元601，用于为网络拓扑节点随机分配可用信道，作为最初始的信道分配结果；

选择路径并分配信道单元602，用于建立起一条负载均衡的路径作为路由，记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载，选择信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道；

判断单元603，用于判断第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果是否相同，当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，判断路径的路由是否相同，若路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则，重复选择路径并分配信道步骤；

更新单元604，用于将最后一次的路径选择结果与信道分配结果作为最终的结果。

进一步的，选择路径并分配信道单元602包括：

计算联合路由度量模块，用于根据初始化信道分配之后的网络拓扑，依公式

计算联合路由度量D-LAJOA，其中，k表示可用信道的数目，CL(j)表示使用信道j的链路网络负载大小，β表示动态可调权重因子，表示所有可用信道j(信道1～信道k)的链路负载之和，max_1≤j≤k CL(j)表示使用某一信道j(1≤j≤k)的链路负载最大值；

路由选择模块，用于使用联合路由度量的路由方法建立起一条负载均衡的路径作为路由；

可用信道和信道负载记录模块，用于根据已经建立的路由，在路由表中记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载；

信道分配模块，对于信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道。

进一步的，所述为网络拓扑节点随机分配可用信道遵循原则：对于一个节点的不同射频应分配不同的正交信道，且对于未绑定信道的节点射频应优先分配未被分配信道。

进一步的，选择路径并分配信道单元602还包括计算信道负载模块：用于根据公式

计算信道负载，其中，l∈channelj表示使用信道j的链路l，ETT_l表示链路l上的期望发射时间，衡量两节点之间的端到端时延，Q_l表示两个节点链l上平均缓冲包的数量，CL(j)表示所有使用信道j的链路l上负载。

进一步的，所述计算联合路由度量模块包括计算动态可调权重因子β子模块，用于根据公式

β＝1-QSI

计算得到动态可调权重因子β，其中0≤β≤1，QSI表示队列停留时间，且

其中，0≤QSI≤1，IFQ表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，BW表示信道的带宽；

队列停留时间QSI表明网络实时的网络负载情况，QSI的值越大说明网络的负载情况越严重，根据QSI的值动态地获得可调权重因子β的值，当QSI值为0时，表明是空队列，QSI值为1，表明是满队列。

从上面所述可以看出，本发明提供的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法及系统，通过找到负载均衡的路径，并且通过负载感知进行信道分配，在路由寻路过程中根据信道负载情况进行信道切换，选择负载最小的信道并找到使网络性能最优的路由，本发明以负载均衡和干扰抑制为优化目标，在寻路的过程中同时考虑到信道负载情况，并进行信道分配，从而实现联合优化的效果。并且通过收敛方式获得最小化信道干扰的情况下，改进了基于负载感知的路由度量，将两节点链路上的平均缓冲包数量和平均传输时间两个关键因素考虑进来，改进后的负载感知度量信道负载不仅能够表明在路由上分配信道的负载情况，而且能够反映信道分集情况。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，其特征在于包括如下步骤：

信道初始化：为网络拓扑节点随机分配可用信道，作为最初始的信道分配结果；

选择路径并分配信道：建立起一条负载均衡的路径作为路由，记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载，选择信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道；

迭代：判断第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果是否相同，当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，判断路径的路由是否相同，若路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则，重复选择路径并分配信道步骤；

更新：将最后一次的路径选择结果与信道分配结果作为最终的结果。

2.根据权利要求1所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，其特征在于，所述选择路径并分配信道的方法包括：

计算联合路由度量：根据初始化信道分配之后的网络拓扑，依公式

$D-LAJOA=(1-\mathrm{\β})\·\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}CL\left(j\right)+\mathrm{\β}\·\underset{1\≤j\≤k}{max}CL\left(j\right)$

计算联合路由度量D-LAJOA，其中，k表示可用信道的数目，CL(j)表示使用信道j的链路网络负载大小，β表示动态可调权重因子，表示所有可用信道j(信道1～信道k)的链路负载之和，表示使用某一信道j(1≤j≤k)的链路负载最大值；

路由选择：使用联合路由度量的路由方法建立起一条负载均衡的路径作为路由；

可用信道和信道负载记录：根据已经建立的路由，在路由表中记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载；

信道分配：对于信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道。

3.根据权利要求2所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，其特征在于，所述为网络拓扑节点随机分配可用信道的方法包括：对于一个节点的不同射频应分配不同的正交信道，且对于未绑定信道的节点射频应优先分配未被分配信道。

4.根据权利要求3所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，其特征在于，所述信道负载的计算方法包括：根据公式

$CL\left(j\right)=\underset{l\∈channelj}{\Σ}{\mathrm{ETT}}_l\·Q_l$

计算信道负载，其中，l∈channelj表示使用信道j的链路l，ETT_l表示链路l上的期望发射时间，衡量两节点之间的端到端时延，Q_l表示两个节点链l上平均缓冲包的数量，CL(j)表示所有使用信道j的链路l上负载。

5.根据权利要求4所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由方法，其特征在于，所述动态可调权重因子β的计算方法包括：根据公式

β＝1-QSI

计算得到动态可调权重因子β，其中0≤β≤1，QSI表示队列停留时间，且

$QSI=\frac{IFQ}{BW}$

其中，0≤QSI≤1，IFQ表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，BW表示信道的带宽；

队列停留时间QSI表明网络实时的网络负载情况，QSI的值越大说明网络的负载情况越严重，根据QSI的值动态地获得可调权重因子β的值，当QSI值为0时，表明是空队列，QSI值为1，表明是满队列。

6.一种无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，其特征在于包括：

信道初始化单元，用于为网络拓扑节点随机分配可用信道，作为最初始的信道分配结果；

选择路径并分配信道单元，用于建立起一条负载均衡的路径作为路由，记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载，选择信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道；

判断单元，用于判断第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果是否相同，当第n+1次的信道分配结果与第n次信道分配结果相同，判断路径的路由是否相同，若路径的路由相同则第n次选择的信道和路由为最佳信道和最佳路由，否则，重复选择路径并分配信道步骤；

更新单元，用于将最后一次的路径选择结果与信道分配结果作为最终的结果。

7.根据权利要求6所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，其特征在于，所述选择路径并分配信道单元包括：

计算联合路由度量模块，用于根据初始化信道分配之后的网络拓扑，依公式

$D-LAJOA=(1-\mathrm{\β})\·\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}CL\left(j\right)+\mathrm{\β}\·\underset{1\≤j\≤k}{max}CL\left(j\right)$

计算联合路由度量D-LAJOA，其中，k表示可用信道的数目，CL(j)表示使用信道j的链路网络负载大小，β表示动态可调权重因子，表示所有可用信道j(信道1～信道k)的链路负载之和，表示使用某一信道j(1≤j≤k)的链路负载最大值；

路由选择模块，用于使用联合路由度量的路由方法建立起一条负载均衡的路径作为路由；

可用信道和信道负载记录模块，用于根据已经建立的路由，在路由表中记录各单条路径上所分配的可用信道及其信道负载；

信道分配模块，对于信道负载值最大的链路，为其重新分配可用信道集中的信道。

8.根据权利要求7所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，其特征在于，所述为网络拓扑节点随机分配可用信道遵循原则：对于一个节点的不同射频应分配不同的正交信道，且对于未绑定信道的节点射频应优先分配未被分配信道。

9.根据权利要求8所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，其特征在于，所述选择路径并分配信道单元还包括计算信道负载模块：用于根据公式

$CL\left(j\right)=\underset{l\∈channelj}{\Σ}{\mathrm{ETT}}_l\·Q_l$

计算信道负载，其中，l∈channelj表示使用信道j的链路l，ETT_l表示链路l上的期望发射时间，衡量两节点之间的端到端时延，Q_l表示两个节点链l上平均缓冲包的数量，CL(j)表示所有使用信道j的链路l上负载。

10.根据权利要求9所述的无线自组网中基于负载感知的联合路由系统，其特征在于，所述计算联合路由度量模块包括计算动态可调权重因子β子模块，用于根据公式

β＝1-QSI

计算得到动态可调权重因子β，其中0≤β≤1，QSI表示队列停留时间，且

$QSI=\frac{IFQ}{BW}$

其中，0≤QSI≤1，IFQ表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据量，BW表示信道的带宽；

队列停留时间QSI表明网络实时的网络负载情况，QSI的值越大说明网络的负载情况越严重，根据QSI的值动态地获得可调权重因子β的值，当QSI值为0时，表明是空队列，QSI值为1，表明是满队列。