CN108093454A - 一种跨层路由准则的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种跨层路由准则的实现方法，包括：目的节点接收从源节点到目的节点的不同路径的各单跳链路的信道状态信息；根据接收到的从源节点到目的节点的不同路径的沿途各单跳链路的信道状态信息，计算每个路径的端到端的误比特率；在端到端误比特率满足要求的路径中，选择信号传输速率最高的路径，并在所选路径上建立路由；其中所述信道状态信息包括信噪比和调制方式。本发明可以根据时变的单跳链路的信噪比SNR、调制方式，自适应地选择最佳路由方案，在满足不同的传送业务对端到端误比特率要求的同时，获得较大的信号传输速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种路由准则，尤其涉及一种路由准则的实现方法。
背景技术
无线Mesh网络路由协议的跨层设计又称为路由协议自适应设计。在无线通信环境中，传输媒介时变和干扰效应的不可预知性导致了网络性能在时间和空间上的剧烈波动。目前的路由算法多以选择跳数最少的路径为主，在路由协议的设计中，若沿用传统的最短路径准则构造路由已不能成为构造最佳路由的充分条件，即无法保证沿这样的路由使被传输的数据在延时、吞吐率和可靠性等方面(在各自的可承受范围之内，特别是对于QoS敏感的业务，如话音和视频流媒体业务)达到理想的要求。
研究表明，若采用传统的最短路径准则设计无线多跳网络的路由协议不足以构造一个良好的路由，即传输延时、吞吐率和可靠性等性能不能达到理想的指标。原因在于，1)最短路径准则没有考虑到其下物理信道特性的变化对MAC层接入性能的影响等因素，所以造成所选路径无法适应底层性能的变化，也可能造成传输层性能的较大波动。2)就无线信道的特点而言，即使信道环境在通信期间没有产生变化，最短路径也未必意味着就是最优路径。在同样的BER条件下，传输距离越长，所支持的数据传输速率就越低，也就意味着长距离的最短路径比短距离的非最短路径的传输速率或吞吐率低。对于无线Mesh网络来说，其主要业务是因特网数据业务，吞吐率是衡量其QoS的一个重要指标。
发明内容
鉴于最短路径准则存在的问题，本发明提供了一种跨层路由准则的实现方法，以在满足不同的传送业务对端到端误比特率要求的同时获得较大的信号传输速率。
本发明提供了一种跨层路由准则的实现方法，用于在无线多跳网络中选择从源节点到目的节点的路径并在所选路径上建立路由，其特征在于，包括：步骤S1：目的节点接收从源节点到目的节点的不同路径的各单跳链路的信道状态信息；步骤S2：根据接收到的从源节点到目的节点的不同路径的各单跳链路的信道状态信息，计算每个路径的端到端的误比特率；步骤S3：在端到端误比特率满足要求的路径中，选择信号传输速率最高的路径，并在所选路径上建立路由；其中，所述信道状态信息包括信噪比和调制方式。
所述步骤S1包括：源节点沿不同路径发送路由请求报文，目的节点接收所述来自源节点的多个路由请求报文；其中，所述不同路径的各单跳链路的信道状态信息被包括在沿信道状态信息所在路径发送的路由请求报文中。
所述各单跳链路的信道状态信息被包括在所述路由请求报文中的实现包括：各单跳链路上的接收节点获取该单跳链路的信道状态信息，随后将其加入到路由请求报文中。
所述路由请求报文被限定从源节点到目的节点的路径的最大链路跳数，若超出最大链路跳数，则丢弃该路由请求报文。
所述调制方式包括QPSK、QAM16、QAM64三种调制方式。
步骤S2所述的路径的端到端的误比特率Pb为：
其中，B为接收信号带宽，i+j+k＝h，i，j，k分别为采取QPSK、QAM16、QAM64调制方式的跳数，h为所述路径的总跳数；若i≠0，Rrpsp＝2Mbits/s；若i＝0，且j≠0，Rrpsp＝4Mbits/s；若i＝0，且j＝0，Rrpsp＝6Mbits/s；SNRL(rp,sp)为链路Lrpsp的信噪比，其中r为m、x或a；s为n、y或b；p为任意下标。
所述信噪比通过改变从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率来改变。
所述步骤S3还包括：若应用层指定的传送业务对信号传送速率的要求高于所选路径的信号传输速率Rmn，且Rmn不大于Rmn能够达到的最大值，则提高从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率，并重复所述步骤S1-S3；若传送业务对信号传送速率的要求低于所选路径的信号传输速率Rmn，且Rmn不小于Rmn能够达到的最小值，则降低从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率，并重复所述步骤S1-S3。
步骤S3所述的在所选路径上建立路由，包括：目的节点产生路由应答报文，并将该路由应答报文沿所选路径的反向路由转发，并在转发过程中建立所选路径的各单跳链路上的每个节点到目的节点的路由。
本发明的跨层路由准则的实现方法，可以根据传送业务对端到端误比特率和对数据传输速率等要求(即端到端的动态QoS需求)，在无线多跳网络的单跳链路上，且在节点间的信噪比(SNR)不同、调制方式不同、保持网络正常通信等条件下，可以根据时变的单跳链路的信噪比(SNR)、调制方式，自适应地选择最佳路由方案，满足不同的传送业务对端到端误比特率要求的同时，获得较大的信号传输速率。此外，本发明还兼顾各个MAP(MeshAccess Point，即Mesh节点，相当于WLAN中的AP，MAP具有路由和支持本地接入功能)发射功率的要求，实现自适应功率控制以获得较大的信号传输速率。
附图说明
图1是单跳链路误比特率pL(m,n)随信噪比SNRL(m,n)的变化规律图；
图2是跳数n＝3时的端到端误比特率(BER)随信噪比(SNR)的变化规律图；
图3是端到端误比特率随跳数(Hop)的变化规律图；
图4是3种调制方式下端到端误比特率随信噪比(SNR)及跳数(Hop)的变化规律图。
具体实施方式
本发明的跨层路由准则的实现方法可以适用于无线Mesh网络、无线多媒体传感器网络、移动Ad hoc网络等无线多跳网络。IEEE 802.16系列标准是目前已公布的最早支持无线Mesh网络结构形态的技术标准。本发明以802.16标准中所推荐的3种典型调制方式QPSK、QAM16、QAM64为例，提出了一种基于信噪比、自适应调制以及自适应功率控制的跨层路由准则设计方案。该路由准则的实现方法主要考虑了应用层(传送业务的端到端误比特率要求、传输带宽要求、业务优先级等信息)、网络层(路由准则)和物理层(信道状态信息如信噪比、调制方式的自适应切换、功率控制等，本发明基于无线多跳网络中的节点设备具备感知接收信号的SNR、调制方式，以及自适应切换调制方式的能力)的相关信息和指标。
本发明的跨层路由准则的实现方法是基于在满足端到端误比特率要求的基础上，选择传输速率最高的路径的路由准则而设计的。其中，以AWGN信道模型为例，端到端误比特率的公式的推导和计算如下所述：
(一)自由空间传播中AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)信道下的信噪比
根据自由空间无线信号传播的Friis方程可知，单跳链路的接收功率Pr为：
上式中，Gt、Gr分别为发送和接收天线增益，Pt为发射功率，λ为波长(单位为m)，L为路径损耗因子；rL为相邻MAP(Mesh Access Point，即Mesh节点，相当于WLAN中的AP，MAP具有路由和支持本地接入功能)的距离，即发射端到接收端的距离(单位为m)。
单跳链路的信噪比SNRL为：
上式中，热噪声N0为N0＝FKT0，其中F为系统噪声指数，T0为环境温度(T0＝300K)，K为玻尔兹曼常数(K＝1.38×10-23J/K)；其中，fc为载波频率(单位为Hz)，c为光速速率(单位为m/s)。因此，
若考虑网络干扰，单跳链路的信噪比SNRL(m,n)为：
其中，Pmn、Gmn分别为从MAPm到MAPn的发射功率和路径增益，且Pmn∈[Pmin，Pmax]；Rmn为单跳链路Lmn的数据传输速率(单位为bits/s)，Rmn的值根据调制方式确定，每种不同的调制方式对应于一个不同的Rmn值，且Rmn∈[Rmin，Rmax]；Nmn、Imn分别为单跳链路Lmn的路径增益和总干扰(单位均为W/Hz)。
(二)不同调制方式对单跳链路误比特率的影响
在采用QPSK调制方式时，单跳链路的误比特率为：
其中，Eb为单位比特的平均信号能量(单位为J)，n0为噪声的单边谱密度(单位为W/Hz)，Rmn为Lmn的信号传输速率(单位为bits/s)，B为接收信号带宽(单位为Hz)。
在采用QAM16调制方式时，单跳链路的误比特率为：
在采用QAM64调制方式时，单跳链路的误比特率为：
根据上述公式(4)-(6)，可以得到如图1所示的单跳链路SNRL(m,n)对误比特率pL(m,n)的影响的数值计算曲线。
(三)不同调制方式对多跳路径端到端误比特率的影响
由式(4)推导可知，在多跳路径上各链路均采用QPSK调制方式时，端到端的误比特率为：
由式(5)推导可知，在多跳路径上各链路均采用QAM16调制方式时，端到端的误比特率为：
由式(6)推导可知，在多跳路径上各链路均采用QAM64调制方式时，端到端的误比特率为：
其中，SNRL(m,n)为链路Lmn的信噪比，Rmn为总路径上的信号传输速率(单位为bits/s)，B为根据业务要求确定的接收信号带宽(单位为Hz)，h为该多跳路径的跳数。
根据上述公式(7)-(9)，可以得到在多跳链路(假设路径跳数h为3)中，SNRL(m,n)对端到端误比特率pL(m,n)的影响的数值计算曲线，如图2所示。也可以得到路径跳数h对端到端误比特率(BER)的影响的数值计算曲线(假设单跳链路的SNRL(m,n)均为10dB)，如图3所示。还可以得到3种调制方式下端到端误码率(BER)随SNR及跳数(Hop)的变化规律，如图4所示，其中，3个曲面从上至下依次对应于QAM64(6Mbits/s)、QAM16(4Mbits/s)、QPSK(2Mbits/s)3种调制方式的变化规律。
在混合采用以上3种调制方式时，该路径端到端的误比特率为：
其中，SNRL(rp,sp)为链路Lrpsp的信噪比，其中r为m、x或a，s为n、y或b，p为任意下标；B为根据业务要求确定的接收信号带宽(单位为Hz)，i+j+k＝h，i，j，k分别为采取QPSK、QAM16、QAM64调制方式的跳数，h为该多跳路径的总跳数；Rmn为路径上的信号传输速率(单位为bits/s)，若i≠0，则该路径上存在QPSK调制方式的单跳链路，数据传输速率只能达到Rmn＝2Mbits/s；若i＝0，且j≠0，则该路径上不存在采用QPSK调制方式的链路，但存在QAM16调制方式的单跳链路，则Rmn＝4Mbits/s；若i＝0，j＝0，表明路径上的各跳链路均采用QAM64调制方式，则Rmn＝6Mbits/s。
跨层路由准则设计
本发明以无线多跳网络中的经典按需路由协议—AODV(Ad Hoc On-DemandDistance Vector Routing，按需距离矢量路由协议)为例，提供了一种跨层路由准则的实现方法。在AODV协议中，主要通过RREQ(Route Request，路由请求)报文、RREP(RouteReply，路由应答)报文、RERR(Router Error，路由错问)报文，以及周期性地向邻居节点广播“HELLO”报文实现“路由发现”和“路由维护”机制。作为本发明的跨层路由准则的实现方法的一个优选实施例，其具体步骤如下：
步骤S1：目的节点接收从源节点到目的节点的不同路径的沿途各单跳链路的信道状态信息，该信道状态信息包括链路信噪比(SNR)和调制方式。
在本实施例中，源节点沿不同路径发送路由请求报文，目的节点接收该来自源节点的多个路由请求报文，该路由请求报文经过改进，包括在路由请求报文的发送路径上的各单跳链路的信道状态信息，该信道状态信息包括各单跳链路的信噪比和调制方式，其中调制方式包括QPSK、QAM16、QAM64三种调制方式。当源节点发送路由请求报文后，接收到该报文的节点从物理层获取源节点到该节点的单跳链路的信道状态信息，即单跳链路的信噪比、调制方式等，随后在转发时，将该信息加入到路由请求报文中；以此类推，各单跳链路的的接收节点获取该单跳链路的信道状态信息，随后将其加入到路由请求报文中，以实现各单跳链路的信道状态信息均被包括在所述路由请求报文中，该路由请求报文转发到下一跳节点，直至到达目的节点。由此，不同路径的各单跳链路的信道状态信息被包括在沿信道状态信息所在路径发送的路由请求报文中。
为了减少计算复杂度，可以视网络规模限定从源节点到目的节点的路径的最大链路跳数，若超出最大链路跳数，则丢弃该路由请求报文。
步骤S2：根据接收到的从源节点到目的节点的不同路径的沿途各单跳链路的信道状态信息，计算每个路径的端到端的误比特率；
在本实施例中，某一路径的端到端的误比特率Pb可以根据上文所述的公式(10)来计算：
其中，B为根据业务要求确定的接收信号带宽(单位为Hz)，i+j+k＝h，i，j，k分别为采取QPSK、QAM16、QAM64调制方式的跳数，h为该多跳路径的总跳数；若i≠0，Rrpsp＝2Mbits/s；若i＝0，且j≠0，Rrpsp＝4Mbits/s；若i＝0，且j＝0，Rrpsp＝6Mbits/s；SNRL(rp,sp)为链路Lrpsp的信噪比，其中r为m、x或a，s为n、y或b，p为任意下标。这些信息均为由步骤S1获得的路径的沿途各单跳链路的信道状态信息。
步骤S3：在端到端误比特率满足要求的路径中，选择信号传输速率最高的路径并在所选路径上建立路由。
计算得到每个路径的端到端的误比特率后，为了兼顾传送业务对端到端误比特率和传送速率等的要求，在端到端误比特率满足要求的路径中，检查是否存在Rmn＝6Mbits/s(即i＝0，且j＝0)的路径，若存在，则选择该路径，否则检查是否存在Rmn＝4Mbits/s(即i＝0，且j≠0)的路径；若存在，则选择该路径，否则选择Rmn＝2Mbits/s(即i≠0)的路径。
由此，改进后的路由准则不再以路径最小跳数为优，而是在满足端到端误比特率要求的前提下，优先选择信号传输速率Rmn最高的路径。
此外，由上述公式(3)可知，所述各单跳链路的信噪比可以通过改变从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率来改变。在本实施例中，步骤S3还可以包括：若应用层指定的传送业务对信号传送速率的要求高于所选路径的信号传输速率Rmn，且Rmn不大于Rmn能够达到的最大值，则提高从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率，并重复步骤S1-S3，来选择发送速率最/更高的路径，以提高端到端吞吐率；若传送业务对信号传送速率的要求低于所选路径的信号传输速率Rmn，且Rmn不小于Rmn能够达到的最小值，则降低从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率，并重复步骤S1-S3，从而减少对网络中其他MAP的干扰，改善整个无线Mesh网络的通信质量，从而实现自适应功率控制的目的。
完成路径选择后，目的节点在所选路径上建立路由，具体包括：目的节点就会产生路由应答报文，并将该报文沿所选路径的反向路由进行转发；在路由应答报文转发回源节点的过程中，该路径的各单跳链路上的每个节点都将建立到目的节点的同向路由；源节点收到路由应答报文RREP后，正向路由建立完成。此时就可以向目的节点发送数据报文。
从而，在无线Mesh网络中，网络层可以根据网络中各MAP与其通信相邻MAP间的时变的单跳链路的SNR、调制方式，自适应地选择发送速率最高的路径，并兼顾调整路径上各MAP发射功率，从而获得较大的网络吞吐率，并实现自适应功率控制。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种跨层路由准则的实现方法，用于在无线多跳网络中选择从源节点到目的节点的路径并在所选路径上建立路由，其特征在于，包括：
步骤S1：目的节点接收从源节点到目的节点的不同路径的各单跳链路的信道状态信息；
步骤S2：根据接收到的从源节点到目的节点的不同路径的各单跳链路的信道状态信息，计算每个路径的端到端的误比特率；
步骤S3：在端到端误比特率满足要求的路径中，选择信号传输速率最高的路径，并在所选路径上建立路由；
其中，所述信道状态信息包括信噪比和调制方式。
2.根据权利要求1所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，所述步骤S1包括：源节点沿不同路径发送路由请求报文，目的节点接收所述来自源节点的多个路由请求报文；其中，所述不同路径的各单跳链路的信道状态信息被包括在沿信道状态信息所在路径发送的路由请求报文中。
3.根据权利要求2所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，所述各单跳链路的信道状态信息被包括在所述路由请求报文中的实现包括：各单跳链路上的接收节点获取该单跳链路的信道状态信息，随后将其加入到路由请求报文中。
4.根据权利要求2所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，所述路由请求报文被限定从源节点到目的节点的路径的最大链路跳数，若超出最大链路跳数，则丢弃该路由请求报文。
5.根据权利要求1所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，所述调制方式包括QPSK、QAM16、QAM64三种调制方式。
6.根据权利要求5所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，步骤S2所述的路径的端到端的误比特率Pb为：
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其中，B为接收信号带宽，i+j+k＝h，i，j，k分别为采取QPSK、QAM16、QAM64调制方式的跳数，h为所述路径的总跳数；若i≠0，Rrpsp＝2Mbits/s；若i＝0，且j≠0，Rrpsp＝4Mbits/s；若i＝0，且j＝0，Rrpsp＝6Mbits/s；SNRL(rp,sp)为链路Lrpsp的信噪比，其中r为m、x或a；s为n、y或b；p为任意下标。
7.根据权利要求1所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，所述信噪比通过改变从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率来改变。
8.根据权利要求1所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：若应用层指定的传送业务对信号传送速率的要求高于所选路径的信号传输速率Rmn，且Rmn不大于Rmn能够达到的最大值，则提高从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率，并重复所述步骤S1-S3；若传送业务对信号传送速率的要求低于所选路径的信号传输速率Rmn，且Rmn不小于Rmn能够达到的最小值，则降低从源节点到目的节点的路径上的部分节点的发射功率，并重复所述步骤S1-S3。
9.根据权利要求1所述的跨层路由准则的实现方法，其特征在于，步骤S3所述的在所选路径上建立路由，包括：目的节点产生路由应答报文，并将该路由应答报文沿所选路径的反向路由转发，并在转发过程中建立所选路径的各单跳链路上的每个节点到目的节点的路由。
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