CN110312209A - 一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其中，包括：路由发现和路由维护；路由发现建立起一条从源节点到目的节点的路由；路由维护包括：如果发起路由修复的中间节点在发现周期结束仍然没有收到关于目的节点的路径响应分组RREP，则向其邻节点发送关于该目的节点的改进过的路径响应分组REER；收到路径响应分组REER的中间节点将本地路由表中包含有RERR分组描述的不可达目的节点的路由设置为无效，并向自己的邻节点进行广播；直到路径响应分组RERR到达源节点，源节点收到路径响应分组RRER后重新启动路由发现过程。

Description

一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法

技术领域

本发明涉及一种路由方法，特别涉及一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法。

背景技术

移动自组织(Ad Hoc)网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治网络，网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，还带有路由功能，当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，节点之间可以通过报文转发的多跳方式进行通信。由于网络中节点的移动性将导致网络拓扑的不断变化，加之提升终端续航能力、减少系统带宽消耗、适应单向信道环境等多方面的要求，使得传统互联网的路由协议，如路由信息协议(RIP)和开放最短路径优先协议(OSPF)等不能满足移动自组网要求。移动自组织网络路由协议的设计具有很大难度，为了实现动态环境下的可靠通信，动态分布式路由协议成为移动自组织网络研究的一个关键技术。

移动自组网路由的协议可分为表驱动和按需启动两种类型，表驱动路由协议采用周期性的路由分组广播来交换路由信息，按需驱动路由协议则根据发送数据分组的需要按需进行路由发现，建立传输路径实现信息传送。在网络规模较大、网络节点动态性较高时，按需驱动路由协议的综合性能要优于表驱动路由协议。

中国专利“CN107889081A D2D自组网路由方法及系统”使用了控制中心为小区内的终端建立路由连接，小区内的控制中心通过接收每个D2D终端周期性发送的位置信息来建立全局网络拓扑，基于全局网络拓扑生成需要通信的两个D2D终端之间的路由信息，并将其发送至两个通信的D2D终端和路由路径相关的节点终端设备。通过利用定位信息降低了网络的连通时间，提升了网络运行效率，但这些收益的前提是具备一个全局的控制中心，控制中心成了网络的中心节点，这一结构违背了自组网网络无中心、网络所有节点对等的基本原则，在应急、作战等无基础设施支撑的场合，根本无法发挥无线自组网网络的独立性和自治性优势；其次，控制中心生成路由信息需要每个D2D终端设备都能连接到控制中心，如果D2D终端设备以一跳的方式接入控制中心，则控制中心的覆盖范围非常有限，网络不具备拓扑可变性；如果D2D终端设备以多跳的方式接入控制中心，最初始的路由信息从何而来该专利也没有进行描述。

发明内容

本发明的目的是提供一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法，用于解决上述现有技术的问题。

本发明一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，包括：路由发现包括：(1)对AODV路由协议中所有的控制分组进行改进，在每个控制分组末尾添加分组报文中包含的对应节点的信息；(2)各节点周期性地发送改进过的HELLO分组，建立起与邻节点的连接，并通过该HELLO分组中嵌入的信息，计算自己与邻节点的距离和可用通信时间；(3)当一个源节点需要建立通向某个目的节点的路径时，源节点向所有的邻节点广播改进过的路由请求分组RREQ；(4)收到路由请求分组RREQ的邻节点向其邻节点转发该路由请求分组RREQ，中间转发节点记录原始AODV协议中需要记录的信息以及路由请求分组RREQ中包含的源节点的位置和时间信息；(5)中间节点在自身的路由表中记录所有转发该路由请求分组RREQ的邻节点信息，并计算与每个邻节点的距离和通信可用时间；(6)重复过程(3)—(4)直到路由请求分组RREQ到达目的节点，或到达一个拥有一条通向目的节点新的路径的中间节点，新的路径的中间节点是到达该条路由的目的节点的一个有效路由，且有关目的节点的序列号至少等于路由请求分组RREQ中的目的节点序列；(7)目的节点和中间节点向第一个转发给路由请求分组RREQ的邻节点单播一个路径响应分组RREP；(8)收到路径响应分组RREP的节点，从路由表中找出一个给自己转发过路由请求分组RREQ，且与自己路径最短或可用时间最长的邻节点，向其转发路径响应分组RREP；(9)重复过程(7)直到路径响应分组RREP回到源节点，从而建立起一条从源节点到目的节点的路由；路由维护包括：(a)各节点周期性地发送改进过的HELLO分组，建立起与邻节点的连接，并通过HELLO分组中嵌入的信息，计算与邻节点的距离和可用通信时间；(b)如果路由在过期时间内没有被使用或者节点确定的有效路由的下一跳无法到达时，该路由无效，将本地路由表中的该路由项设置为无效，经过一段时间后无效路由删除；(c)各节点时刻检查与邻节点的通信可用时间，如果检测到与某激活路由的下一跳邻节点通信可用时间小于某一阈值，则启动本地修复过程；(d)如果发起路由修复的中间节点在发现周期结束仍然没有收到关于目的节点的路径响应分组RREP，则向其邻节点发送关于该目的节点的改进过的路径响应分组REER；(e)收到路径响应分组REER的中间节点将本地路由表中包含有RERR分组描述的不可达目的节点的路由设置为无效，并向自己的邻节点进行广播；(f)重复过程(d)—(e)直到路径响应分组RERR到达源节点，源节点收到路径响应分组RRER后重新启动路由发现过程。

本发明一种定位信息辅助的移动自组网路由方法，通过在常规的AODV(Ad-Hoc OnDemand Distance Vector)路由算法中嵌入移动终端自身的位置和速度信息，利用移动节点之间的相对位置关系和运动趋势，预测路由路径的质量和可用时间，从而增强路由的有效性，既减少了因网络探测带来的系统带宽损耗和设备能量损耗，又能对高动态环境下网络拓扑结构的快速变化作出更及时的反应。

附图说明

图1所示为传统HELLO分组和改进HELLO分组结构对比图；

图2所示为RREQ和RREP分组的转发示意图；

图3所示为AODV路由协议的路由请求RREQ分组和路由应答RREP分组的结构图；

图4所示为加入了定位辅助信息的改进RREQ和改进RREP分组结构图；

图5所示为RERR分组改进前后的结构对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1所示为传统HELLO分组和改进HELLO分组结构对比图，图2所示为RREQ和RREP分组的转发示意图，如图1以及图2所示，Ad Hoc按需距离矢量路由协议AODV(Ad Hoc On-Demand Vector Routing)是一种专门为移动自组网设计的、改进的距离向量路由协议，网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组，而不会周期性地交互路由信息以得到所有到达其它节点的路由信息。当一个节点需要一条路由到达某个新的目的节点的时候，该源节点会广播一个RREQ分组来寻找一条到达该目的节点的路由。若该RREQ分组到达了目的节点，或者到达了一个拥有一条足够新的能够到达该目的节点路由的中间节点的时候，该目的节点或中间节点会回复一个RREP分组，并顺着刚刚建立的路由向源节点逆向回传。

一条“足够新的”路由，是到达该条路由的目的节点的一个有效路由条目，虽然路由请求分组只是到达了某个中间节点，但该中间节点的本地路由表中有到达目的节点的路由，因此，请求分组不用再继续广播，该中间节点会回复RREP分组，以此告诉源节点已完成路由发现过程。有关该目的节点的序列号至少要等于该RREQ控制信息中的目的节点序列号。通过给该RREQ分组的源节点返回一个RREP分组，使得这条路径变为有效。接收到这条路由请求的中间节点都会存储一条返回该RREQ源节点的路由，这样RREP就能沿着这条路由从目的节点返回源节点，或者沿着一条能够满足这个路由请求的任何中间节点返回到该RREQ分组的节点。

图3所示为AODV路由协议的路由请求RREQ分组和路由应答RREP分组的结构图，如图3所示，其中几个特殊的字段含义如下：

多跳转发计数器：表示从源节点到当前接收到RREQ的节点的跳数。

目的节点序列号：该RREQ源节点已经接收到的、通过任何一条有效路由到达的、该目的节点的最新序列号。该序列号由目的节点维护，表示信源可接受的到目的节点的前向路由的新旧，等于过去接收到的有关目的节点的最大序列号，源节点应维护到每个目的节点的最大序列号。

源节点序列号：正在使用的一个路由条目的当前序列号，由源节点维护，表示到源节点反向路由的新旧，即当中间节点收到信源发来的RREQ后，其路由表中到信源的路由表项的新旧程度。

生存时间：收到RREP的节点认为本条路由的有效时间。

由上述描述可知，AODV路由算法通过节点序列号来维护路由信息的新鲜度并避免产生路由环路，通过多跳转发计数器来判断节点之间的距离。本发明提出的定位信息辅助的移动自组网路由方法，其主体仍然是AODV，只是在路由控制分组中加入了定位信息。随着GPS、北斗、GLONASS等卫星导航定位系统的深度运用，卫星导航定位模块的价格只有几个美元，绝大多数移动终端设备基本上都自带卫星定位功能，因此，移动自组网设备使用定位信息辅助路由算法的代价可以忽略不计。

图4所示为加入了定位辅助信息的RREQ和RREP路由分组的结构图，如图4所示，其中阴影为区分传统AODV算法新加入的部分，包括节点自身的经度φ和纬度θ的位置信息、速度矢量信息和系统授时信息t，这些信息可通过移动设备中的导航定位模块接收到的卫星导航电文进行解算得出。

有了定位信息后，可以利用它们推导得到路由辅助信息，如节点之间的物理距离、节点间通信链路的可用时间，具体计算过程如下：

设节点A的经纬度为(φ_A，θ_A)，速度为节点B的经纬度为(φ_B，θ_B)，速度为地球半径为R_E，则利用空间几何知识可以计算出两节点之间的物理距离为：

其中：δ_AB＝cos^-1(sinθ_Asinθ_B+cosθ_Asinθ_Bcos(φ_A-φ_B))是节点A和节点B以地球球心为顶点形成的夹角。

设网络节点单跳传输的最大距离为D_h，依据空间解析几何可以算出节点A和节点B在各自速度为和的情况下，能够进行通信的链路可用时间为：

其中，

图5所示为REER分组改进前后的对比结构图，对于路由错误检测RERR分组，其中“不可达目的节点计数器”表示本REER分组所包含的不可达目的节点的数量，将其数量减1即可得到“其它不可达目的节点”的个数。改进后的REER分组将会添加每一个不可达目的节点的经纬度信息、时间点信息和速度矢量信息。

如图4以及图5所示，为保证与原有AODV协议的兼容，这些定位辅助信息都放在了原来数据分组的尾部。

本发明提出的定位信息辅助的移动自组网路由算法的路由发现流程为：

(1)各节点周期性地发送改进过的HELLO分组，建立起与邻节点的连接，并通过HELLO分组中嵌入的位置、时间和速度信息，计算自己与邻节点的距离和运动趋势；

(2)当一个源节点需要建立通向某个目的节点的路径时，源节点发起一个路径发现程序，它向所有的邻节点广播改进过的路由请求分组RREQ；

(3)收到RREQ的邻节点向它的邻节点转发RREQ分组，中间转发节点除了记录原始AODV协议中需要记录的信息外，还记录改进的RREQ分组中包含的源节点的位置和时间信息；

(4)中间节点在它们的路由表中记录所有转发该RREQ的邻节点信息，并计算与每个邻节点的距离和通信可用时间；

(5)重复过程(3)—(4)直到RREQ分组到达目的节点，或到达一个拥有一条通向目的节点足够新的路径的中间节点；

(6)一旦RREQ分组到达了目的节点或拥有一条通向目的节点足够新的路径的中间节点，则目的节点和中间节点向第一个转发给它们RREQ分组的邻节点单播一个路径响应分组RREP；

(7)收到RREP分组的节点，从路由表中找出一个给自己转发过该RREQ分组、且与自己路径最短或可用时间最长的邻节点，向其转发该RREP分组；

(8)重复过程(7)直到RREP分组回到源节点。

本发明提出的定位信息辅助的移动自组网路由算法的路由维护流程为：

(1)各节点周期性地发送改进过的HELLO分组，建立起与邻节点的连接，并通过HELLO分组中嵌入的位置、时间和速度信息，计算自己与邻节点的距离和运动趋势；

(2)如个路由在过期时间内没有被使用或者节点确定的有效路由的下一跳无法到达时，该路由无效，将本地路由表中的该路由项设置为无效，经过一段时间后将其删除；

(3)节点时刻检查与自己邻节点的通信可用时间，如果检测到与某激活路由(正在传送数据的节点路径)的下一跳邻节点通信可用时间非常短，则该节点启动本地修复过程。为了修复链路，该节点类似于源节点一样广播改进的RREQ分组，该RREQ分组的“路由请求识别码”与源节点相同，但将“目的节点序列号”增加1。发起修复的节点缓存在此过程中收到的数据报文，等待路由发现周期来获得对RREQ进行响应的RREP；

(4)如果发起路由修复的中间节点在发现周期结束仍然没有收到关于目的节点的RREP，则向其邻节点发送关于该目的节点的改进过的REER分组；

(5)收到REER的中间节点将本地路由表中包含有RERR分组描述的不可达目的节点的路由设置为无效，并向自己的邻节点进行广播；

(6)重复过程(4)—(5)直到RERR分组到达源节点，源节点收到RRER后重新启动路由发现过程。

如图2所示，本发明通过将节点定位信息加入路由控制分组，让网络中进行通信的双方和参与其中的转发节点都可以获知彼此的位置信息和时间信息，从而让节点对全局的网络拓扑有更深、更详细的了解，提升路由的质量。

网络结构中，基于传统的AODV算法，节点A通过定期发送的HELLO分组可以知道自己的邻节点有B、C和D，以及对应的节点序列号分别为N_B、N_C和N_D。其中N_B、N_C、N_D都是整数，并假设N_B＞N_C＞N_D。通过本发明提出的算法，节点A不仅知道邻节点有B、C和D，还知道它们各自的经纬度信息以及由此推断出来的方位。其中，邻节点的经纬度信息从改进的HELLO分组中获得，方位信息通过经纬度信息利用上文给出的δ_AB公式计算得到，比如：C在A的正北，B在A的西南，以及C离A最近，D离A最远等。但在原来的AODV算法中，因为用跳数衡量节点间的距离，从A的角度来看，A到C和A到D都只有一跳，因此，现有的AODV算法得到的结论是：A到C和D的距离是一样远的，这显然与实际不符。

还可以通过导航定位系统的授时信息知道各个节点的时间并据此推断出节点间的准确相对新鲜度，节点的时间信息通过导航定位模块对导航电文进行解算即可直接得到。在现有的AODV算法中，虽然N_B＞N_D，但并不能得出节点B比节点D要更新鲜的结论，此信息只代表节点B比节点D更多地参与了系统的路由过程。设节点B、C、D的定位时间分别为t_B、t_C、t_D并且有t_B＜t_C＜t_D，则通过本发明提出的路由算法可以确知节点D是最新鲜的，现有的AODV算法中节点B可能是最新的直觉显然也与实际不符。

本发明提出的改进路由算法，结合节点的位置信息和时间信息以及计算出来的距离和相对方位，可以建立起参与过通信和转发的所有节点的全局拓扑，从而提升路由的质量。

本发明通过将节点定位信息加入路由控制分组，可以推算出节点间的相对运动关系并预测通信链路的可用时间，从而加快网络对拓扑变化的反应速度、减小路由控制分组对系统带宽的损耗，并节省移动设备的能耗。

在图2所示的网络结构中，如果基于传统的AODV算法，节点A到节点J的最优路由路径是A→D→G→J，次优路由路径有A→C→D→G→J、A→B→D→G→J和A→C→E→G→J。在加入定位信息的改进路由算法中，假设A和D正在背向运动，A与D之间的通信链路可用时间越来越短，则可以预期A和D即将断开。有了这些新的辅助信息后，A→D→G→J将不再是从A到J的最优路由，最优路径有可能是A→C→D→G→J、A→B→D→G→J和或A→C→E→G→J，具体情况要看A和C、A和B以及B和C、B和D的相对运动趋势以及可用通信时间的长短。例如，如果以最长通信可用时间作为路由路径选择的依据，则新的最优路径就是A→C→E→G→J，而不是原AODV算法确定的A→D→G→J。基于对可用通信时间的预测，我们还可以提前对从A到J的路由进行切换而不必等到A到D的链路断路以后，通过REER分组检测到断路、再通过RREQ和RREP分组重新建立起新的路由，这样可以极大减少控制分组在网络内的传输，从而节省移动设备的能耗，并减小控制分组对系统带宽带来的损耗。

本发明提出的定位信息辅助的移动自组网路由算法与现有AODV算法的区别之处在于：

(1)各节点依据根据新的RREQ、RREP、HELLO、RERR控制分组结构建立路由，并记录收到的分组中包含的其他节点的位置、时间和速度等信息，计算本地路由表中包含的其它节点的物理位置，建立起自己与其他节点的物理拓扑关系；

(2)传统AODV算法的中间节点只在第一次收到RREQ时进行处理，本发明提出的算法规定中间节点记录接收到的所有RREQ分组，通过接收到的RREQ分组判断有哪些自己的邻节点也收到过该RREQ分组；

(3)每个节点依据自己和邻节点的位置、时间和速度信息，计算自己与收到过该RREQ分组的邻节点的距离和运动趋势，并对与邻节点进行通信的链路可用时间进行预测。传统的AODV算法根据第一次收到的RREQ的发送节点建立反向路由路径，本发明提出的算法对此进行了改进，反向路由的建立可以依据距离最短原则或者可用时间最长原则进行，即选择与自己最短的邻节点或链路可用时间最长的邻节点作为反向路由路径。

本发明通过引入移动终端设备自身的位置信息对移动自组网的路由协议进行了改进，并据此设计了新的路由发现RREQ和RREP分组、路由维护HELLO分组和路由错误检测REER分组的分组结构。与现有技术相比，本发明提出的路由算法通过利用移动设备自身的位置信息，解算出网络中各个节点之间的物理距离和相对方位，通过导航定位系统的授时信息代替原算法中的节点序列号对节点的新鲜度进行表征，让节点对路由选择的策略可以基于这些新的信息进行更细致的优化，从而提升路由的质量。采用本发明所述的算法，可以通过导航定位信息算出节点之间的真实距离、预计节点之间通信链路的可用时间，基于这些辅助信息，本发明提出的最优路由路径的选取策略将加快网络对拓扑变化的反应速度，节省移动设备的能耗，并减少路由控制分组对系统带宽的损耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，包括：

路由发现包括：

(1)对AODV路由协议中所有的控制分组进行改进，在每个控制分组末尾添加分组报文中包含的对应节点的信息；

(2)各节点周期性地发送改进过的HELLO分组，建立起与邻节点的连接，并通过该HELLO分组中嵌入的信息，计算自己与邻节点的距离和可用通信时间；

(3)当一个源节点需要建立通向某个目的节点的路径时，源节点向所有的邻节点广播改进过的路由请求分组RREQ；

(4)收到路由请求分组RREQ的邻节点向其邻节点转发该路由请求分组RREQ，中间转发节点记录原始AODV协议中需要记录的信息以及路由请求分组RREQ中包含的源节点的位置和时间信息；

(5)中间节点在自身的路由表中记录所有转发该路由请求分组RREQ的邻节点信息，并计算与每个邻节点的距离和通信可用时间；

(6)重复过程(3)—(4)直到路由请求分组RREQ到达目的节点，或到达一个拥有一条通向目的节点新的路径的中间节点，新的路径的中间节点是到达该条路由的目的节点的一个有效路由，且有关目的节点的序列号至少等于路由请求分组RREQ中的目的节点序列；

(7)目的节点和中间节点向第一个转发给路由请求分组RREQ的邻节点单播一个路径响应分组RREP；

(8)收到路径响应分组RREP的节点，从路由表中找出一个给自己转发过路由请求分组RREQ，且与自己路径最短或可用时间最长的邻节点，向其转发路径响应分组RREP；

(9)重复过程(7)直到路径响应分组RREP回到源节点，从而建立起一条从源节点到目的节点的路由；

路由维护包括：

(a)各节点周期性地发送改进过的HELLO分组，建立起与邻节点的连接，并通过HELLO分组中嵌入的信息，计算与邻节点的距离和可用通信时间；

(b)如果路由在过期时间内没有被使用或者节点确定的有效路由的下一跳无法到达时，该路由无效，将本地路由表中的该路由项设置为无效，经过一段时间后无效路由删除；

(c)各节点时刻检查与邻节点的通信可用时间，如果检测到与某激活路由的下一跳邻节点通信可用时间小于某一阈值，则启动本地修复过程；

(d)如果发起路由修复的中间节点在发现周期结束仍然没有收到关于目的节点的路径响应分组RREP，则向其邻节点发送关于该目的节点的改进过的路径响应分组REER；

(e)收到路径响应分组REER的中间节点将本地路由表中包含有RERR分组描述的不可达目的节点的路由设置为无效，并向自己的邻节点进行广播；

(f)重复过程(d)—(e)直到路径响应分组RERR到达源节点，源节点收到路径响应分组RRER后重新启动路由发现过程。

2.如权利要求1所述的定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，本地修复过程包括，节点广播改进的路由请求分组RREQ，该路由请求分组RREQ的路由请求识别码与源节点相同，将目的节点序列号增加1，发起修复的节点缓存收到的数据报文，等待路由发现周期来获得对路由请求分组RREQ进行响应的路径响应分组RREP。

3.如权利要求1所述的定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，对AODV路由协议中所有的控制分组进行改进，在每个控制分组末尾添加分组报文中包含的对应节点的位置、时间和速度信息。

4.如权利要求1所述的定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，改进的HELLO分组在传统HELLO分组末尾添加了通过导航定位得到的经纬度信息、时间信息和速度矢量信息。

5.如权利要求1所述的定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，并通过该HELLO分组中嵌入的位置、时间和速度信息，利用公式①和公式②计算自己与邻节点的距离和可用通信时间，包括：设自己与邻节点分别为节点A和节点B；

设节点A的经纬度为(φ_A，θ_A)，速度为节点B的经纬度为(φ_B，θ_B)，速度为地球半径为R_E，则计算出两节点之间的物理距离为：

其中：δ_AB＝cos^-1(sinθ_Asinθ_B+cosθ_Asinθ_Bcos(φ_A-φ_B))是节点A和节点B以地球球心为顶点形成的夹角；

设网络节点单跳传输的最大距离为D_h，算出节点A和节点B在各自速度为和的情况下，能够进行通信的链路可用时间为：

其中，

6.如权利要求1所述的定位信息辅助的移动自组织网路由方法，其特征在于，路由发现过程中建立的一条有效路由，写入本地的路由表。