CN110891294B - 一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，属于无线通信领域，在基于宽带技术的无线自组网中，业务种类多种多样，例如语音会话、视频会话、实时游戏等，不同业务对时延、误码率等性能指标的要求也不相同，基于相同的方法或准则进行路由选择，可能造成某些业务的某些性能指标要求无法满足或者造成业务传输效率下降，本发明针对这种问题，提出了一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，该方法针对不同的业务类型的性能要求，在保证业务误码率要求情况下实现传输耗时最短，提高了不同业务的传输质量和传输效率。

Description

一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法。

背景技术

无线自组网是一种与传统无线蜂窝网络完全不同的新型无线网络架构，网络中的节点之间都是对等的，每个节点都可以发送和接收信号。相比传统蜂窝网络，无线自组网具有组网灵活简便、网络可靠性高以及覆盖范围大等优点。随着OFDM-MIMO（正交频分多址和多输入多输出）技术的成熟应用和多媒体业务的快速发展，无线宽带自组网应需而生。由于无线自组网没有一个统一的标准，网络节点之间的通信通常采用现有的无线通信协议。目前，主流的无线宽带自组网主要基于WiFi协议、4G LTE协议和5G相关技术进行定制设计的。对于采用TDD（时分双工）方式的无线自组网，为了避免通信节点间的数据传输相互干扰，每个传输时隙可以仅允许一个通信节点向一个或多个接收节点发送数据；

在基于宽带技术的无线自组网中，业务种类多种多样，例如语音会话、视频会话、实时游戏等，不同业务对时延、误码率等性能指标的要求也不相同。同时，网络中任意两个节点可以通过直接或者多跳的方式进行通信，在多跳传输方式中，发送端和接收端之间可能存在多个传输路径，如图2中节点A到节点E之间存在两条传输路径，如何选择合适的传输路径能够保证业务满足性能指标要求或者保证传输性能最优，需要合适的路由选择算法。现有路由选择算法大多数是针对有线传输网络的，无线传输和有线传输存在一定的差别，路由选择算法无法直接应用于无线传输网络。另一方面，无线自组网的业务多样，基于相同的方法或准则进行路由选择，可能造成某些业务的某些性能指标要求无法满足或者造成业务传输效率下降。

发明内容

本发明针对无线自组网中业务类型性能要求不同和多跳传输路径多样的情况提出了一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，该方法针对不同的业务类型的性能要求，在保证业务误码率要求情况下实现传输耗时最短，提高了不同业务的传输质量和传输效率。

一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，包括如下步骤：

步骤一：无线自组网中的每个通信节点在分配的时间单元内发送发现信号，其他通信节点接收并检测发现信号来确定自己的邻节点；

步骤二：无线自组网中所有通信节点根据获得的邻节点建立并维护自己的邻节点路由表，并通过广播的方式将邻节点路由表发送出去，网络中每个通信节点通过直接或多跳传输方式获得其他通信节点的邻节点路由表，从而获知自己与其他通信节点之间的传输路径；

步骤三：对于无线自组网中的任意一对通信节点，分别计算业务数据分别经过发送节点和接收节点之间所有传输路径总耗时，按照业务类型的优先级顺序、并根据所要传输业务类型对应的时延要求选择总耗时最小的传输路径作为业务的传输路径。

较佳的，所述邻节点路由表包含邻节点ID、通信节点之间的传输链路的信道质量指示等级和传输总耗时三部分信息。

较佳的，在网络中存在业务数据通过传输路径进行传输、计算发送节点和接收节点之间的所有传输路径的总耗时时，包括以下两种情况：

（1）、发送节点和接收节点之间可以直接通信或仅存在一条多跳传输路径

根据直接通信链路或多跳传输链路的信道质量指示和该业务类型对应的误码率要求，计算直接通信链路传输总耗时或多跳传输路径的总耗时；在直接通信链路传输总耗时或多跳传输路径的总耗时小于当前业务的时延要求时，能够在满足时延要求和误码率要求的状态下进行业务传输；

（2）、发送节点和接收节点之间存在多条多跳传输路径

针对每条多跳传输路径，根据多跳传输路径中传输能力最弱一跳的信道质量指示、业务类型对应的误码率要求以及预设的不同数据包大小对应的仿真结果计算该业务类型的业务数据经过每条传输路径的总耗时；

①在所有多跳传输路径的总耗时都大于该业务类型对应的时延要求时，则时延要求和误码率要求都不满足，无法进行业务传输；

②在仅有一条多跳传输路径的总耗时不大于该业务类型对应的时延要求时，则选择该传输路径作为业务的传输路径；

③在有超过一条的多跳传输路径的总耗时不大于该业务类型对应的时延要求时，则选择总耗时最小的传输路径作为业务的传输路径。

较佳的，若网络中同时存在多种业务类型通过不同的传输路径进行传输，且不同传输路径同时包含一个或多个相同的通信节点，对于其中一个需要同时中继转发不同的业务类型的通信节点，则按照业务类型的优先级顺序进行中继转发。

较佳的，对于情况（2）中所述的第③种情况，所有满足业务时延要求的链路根据当前业务优先级、传输链路中中继节点的复用情况，更新所有多跳链路的总时延，并重新选择总时延最小的传输路径作为当前业务的传输路径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）采用分布式路由选择方法，能够根据网络拓扑和传输链路情况及时更新，提高了路由选择的灵活性；

（2）基于不同业务类型同时满足业务的时延要求和误码率要求，提高了业务传输质量；

（3）在中继节点承担的传输任务冲突的情况下，可以保障优先级高的业务，同时优先级低的业务可以灵活选择其他满足业务性能要求的传输路径，提高了整个网络的传输效率。

附图说明

图1为本发明的无线自组网示意图；

图2为本发明的包含七个通信节点的无线自组网示意图；

图3为本发明的邻节点路由表示意图；

图4为本发明的发现信号映射示意图；

图5为本发明的方案流程图；

图6为本发明的多跳传输路径总时延计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，包括如下步骤：

步骤一：无线自组网中的每个通信节点在分配的时间单元内发送发现信号，其他通信节点接收并检测发现信号来确定自己的邻节点；

步骤二：无线自组网中所有通信节点根据获得的邻节点建立并维护自己的邻节点路由表，并通过广播的方式将邻节点路由表发送出去，网络中每个通信节点通过直接或多跳传输方式获得其他通信节点的邻节点路由表，从而获知自己与其他通信节点之间的传输路径；

步骤三：对于无线自组网中的任意一对通信节点，分别计算业务数据分别经过发送节点和接收节点之间所有传输路径总耗时，按照业务类型的优先级顺序、并根据所要传输业务类型对应的时延要求选择总耗时最小的传输路径作为业务的传输路径；

邻节点路由表包含邻节点ID、通信节点之间的传输链路的信道质量指示等级和传输总耗时三部分信息；

步骤三中在网络中存在业务数据通过传输路径进行传输、计算发送节点和接收节点之间的所有传输路径的总耗时时，包括以下两种情况：

（1）、发送节点和接收节点之间可以直接通信或仅存在一条多跳传输路径

根据直接通信链路或多跳传输链路的信道质量指示和该业务类型对应的误码率要求，计算直接通信链路传输总耗时或多跳传输路径的总耗时；在直接通信链路传输总耗时或多跳传输路径的总耗时小于当前业务的时延要求时，能够在满足时延要求和误码率要求的状态下进行业务传输；

（2）、发送节点和接收节点之间存在多条多跳传输路径

针对每条多跳传输路径，根据多跳传输路径中传输能力最弱一跳的信道质量指示、业务类型对应的误码率要求以及预设的不同数据包大小对应的仿真结果计算该业务类型的业务数据经过每条传输路径的总耗时；并进行以下判断：

①在所有多跳传输路径的总耗时都大于该业务类型对应的时延要求时，则时延要求和误码率要求都不满足，无法进行业务传输；

②在仅有一条多跳传输路径的总耗时不大于该业务类型对应的时延要求时，则选择该传输路径作为业务的传输路径；

③在有超过一条的多跳传输路径的总耗时不大于该业务类型对应的时延要求时，则选择总耗时最小的传输路径作为业务的传输路径。

若网络中同时存在多种业务类型通过不同的传输路径进行传输，且不同传输路径同时包含一个或多个相同的通信节点，对于其中一个需要同时中继转发不同的业务类型的通信节点，则按照业务类型的优先级顺序进行中继转发；

从整个网络角度来看，假设图2中通信节点F与通信节点C之间进行非实时视频会话业务，传输路径经过通信节点A；通信节点G和通信节点D之间进行语音会话业务，传输路径也经过通信节点A。对于通信节点A，如果两种业务同时到达通信节点A，通信节点A按照业务的优先级在可用的时间单元内首先转发语音会话业务，然后转发非实时视频会话业务。对于非实时视频会话业务，如果需要等待较长的时间才能进行转发，将增加当前传输路径的总时延，因此对于情况（2）中所述的第③种情况时，所有满足业务时延要求的链路根据当前业务优先级、传输链路中中继节点的复用情况，更新所有多跳链路的总时延，并重新选择总时延最小的传输路径作为当前业务的传输路径；

本发明还提出一种基于业务类型的无线自组网路由选择系统，包含如下单元：

计算模块，用于计算不同传输路径的总耗时；

选择模块，用于根据不同传输路径的总耗时选择业务数据传输经过的传输路径；

发送单元，用于将不同类型的业务数据发送出去；

接收单元，用于接收发送节点发送的业务数据；

在上述方案中，假设整个网络拓扑是相对稳定的，通信节点的数目不发生变化且位置静止，不同节点之间无线链路相对稳定，因此所有节点提前获知的邻节点路由表中的无线链路信道质量指示能够用于传输路径选择，不会由于信道质量指示发生变化造成传输路径耗时发生变化的情况。其次，假设无线自组网系统的工作带宽能够全部用于通信节点进行业务传输，这样保证了不同业务误码率要求条件下计算数据包比特数目是在同一标准下进行的，不会由于物理资源分配情况不同影响数据包比特数目的计算。最后，本发明方案不考虑不同通信节点同时进行业务传输时的干扰，简化了发明方案中的计算过程；

无线自组网中的每个通信节点在分配的时间单元内发送发现信号（DiscoverySignal），发现信号是类似同步信号的物理信号，不携带任何业务信息。通常采用一个长度为L的Zadoff-Chu序列，长度L需要能够保证发现信号的解调性能；在基于LTE技术的无线自组网中，假设一个无线帧包括10个1ms长度的子帧，每个子帧包括14个OFDM符号（采用常规循环前缀的情况下）。对于某个OFDM符号，从频域来看，只要整个频带最中间的L个子载波没有被控制信道或其他物理信号占用，都可以用来承载发现信号；对于每个通信节点，在属于自己的分配的时间单元内，可以在相应的时频位置上发送发现信号；发现信号映射位置如图4所示；

网络中其他通信节点接收到当前通信节点的发现信号后，通过卷积滤波等方式检测发现信号，一旦成功检测，则可以与当前通信节点建立同步，二者之间可以直接进行同步传输；通过这种方式，每个通信节点都可以确定自己的邻节点，并建立和维护属于自己的一个邻节点路由表；邻节点路由表包含了三部分信息，即邻节点ID、通信节点之间的传输链路的信道质量指示（CQI）等级和传输耗时，如图3所示，其中，信道质量指示等级可以通过参考符号测量获得，用来表征无线信道质量，通常取值为0~15；传输耗时等于通信节点之间的传输距离除以光速；

以图2所示的无线自组网为例，通过上述方式通信节点A-G都可以建立自己的邻节点路由表；例如对于通信节点A，其邻节点路由表如图3所示；通信节点A-G分别将自己的邻节点路由表通过广播的方式发送出来，其他通信节点通过直接链路或多跳链路传输获得当前通信节点的邻节点路由表；例如通信节点A将自己的邻节点路由表广播出去，与通信节点A能够建立直接通信链路的通信节点B/D/F/G可以直接获得通信节点A的邻节点路由表；对于通信节点B，在可以发送数据的时间单元，通信节点B将通信节点A的邻节点路由表进行转发；通信节点B发现自己的邻节点C并不包含在通信节点A的邻节点路由表中，因此将通信节点的邻节点路由表转发给通信节点C；同时地，通信节点B也将自己的邻节点路由表发送给通信节点C；同理地，通信节点D将自己的邻节点路由表，以及通信节点A的邻节点路由表在可以发送数据的时间单元内发送给通信节点E；对于通信节点E，将收到由通信节点C和通信节点D分别发送过来的通信节点A的邻节点路由表，因此将通信节点A的邻节点路由表进行合并；

通过上述广播方式，每个通信节点通过其他通信节点的邻节点路由表可以确定自己与任意通信节点之间的传输路径；例如对于通信节点A，可以确定其到通信节点E之间存在两条传输路径，路径一是经过通信节点B和C到达E，路径二是经过通信节点D到达E；

假设通信节点A向通信节点B传输非实时视频会话业务，对于传输路径一，根据其传输能力最弱的一跳的信道质量指示、非实时视频会话业务的误码率要求10^-6、以及预设的不同数据包大小对应的仿真结果确定数据包的最大比特数目。预设的仿真结果包含多个仿真曲线，每个曲线对应一个预定义的数据包大小，且仿真曲线的横轴表示SINR（信干噪比），竖轴表示误码率，因此根据传输能力最弱一跳的信道质量指示确定对应的SINR，然后根据数据包从小到大的顺序在每个仿真曲线中确定SINR对应的误码率，在所有满足误码率要求的仿真曲线中，选择数据包比特数目最大的，即可以确定数据包的最大比特数目；根据非实时视频会话业务需要传输的数据量、数据包的最大比特数目和一个数据包从发送节点开始发送到接收节点解调出结果最小的总耗时可以确定数据包数量，进一步根据跳数为3、传输耗时、发送/接收处理耗时等确定路径一的总耗时；同理地，路径二根据上述步骤也可以确定总耗时；

对比路径一和路径二的总耗时，根据本发明方案情况（2）所述的三种情况确定传输路径；

对于多跳传输路径，其传输能力受限于传输能力最弱的一跳，在传输能力最弱一跳的链路质量稳定和可用的频谱资源不变的情况下，根据传输能力最弱的一跳对应的信道质量指示、不同业务类型的误码率要求、以及预设的不同数据包大小对应的仿真结果，可以确定在满足不同业务的误码率要求条件下该条传输路径能够传输的数据包的最大比特数目P，不同误码率要求的业务类型对应的数据包的最大比特数目不同。假设需要传输的业务量为C，则数据包数量最小为

，其中

表示向上取整；

对于每条传输路径，一个数据包从发送节点开始发送到接收节点解调出结果的耗时包括传输耗时和节点处理耗时，与传输路径的跳数成正比，假设其中一条传输路径为M跳，即包含M+1个通信节点；对于发送节点，其处理耗时主要是发送处理耗时；对于接收节点，其处理耗时主要是接收处理耗时；而对于传输路径经过的M-1个中继节点，其耗时包括发送耗时和传输耗时；根据步骤二中所述邻节点路由表可以获知每一跳的传输耗时

，假设一个数据包的发送处理耗时为

，接收处理耗时为

，则一个数据包从发送节点开始发送到接收节点解调出结果的耗时等于

；

对于某种业务类型，根据直接通信链路或多跳传输链路中传输能力最弱一跳的信道质量指示和该业务类型对应的误码率需求，计算直接通信链路传输耗时或多跳传输路径总耗时，对于直接传输路径，其传输耗时与数据包数目成正比，考虑传输路径仅包含一个发送节点和一个接收节点，链路传输时延为

，对于多跳传输路径，可计算得到总耗时为

。

在现有技术中，路径选择策略主要包括静态路由选择策略和动态路由选择策略。静态路由选择策略不用测量也无须利用网络信息，按某种固定规则进行路由选择，又分为泛射路由选择算法、固定路由选择算法和随机路由选择算法；

a.泛射路由选择算法

这是一种最简单的路由算法。一个网络节点从某条线路收到一个分组后，再向除该条线路外的所有线路重复发送收到的分组。结果，最先到达目的节点的一个或若干个分组肯定经过了最短的路线，而且所有可能的路径都被同时尝试过。这种方法可用于诸如军事网络等强壮性要求很高的场合，即使有的网络节点遭到破坏，只要源、目间有一条信道存在则泛射路由选择仍能保证数据的可靠传送。另外，这种方法也可用于将一条分组从数据源传送到所有其它节点的广播式数据交换中，它还可用来进行网络的最短传输延迟的测试；

b.固定路由选择算法

这是一种使用较多的简单算法。每个网络节点存储一张表格，表格中每一项记录对应着某个目的节点或链路。当一个分组到达某节点时，该节点只要根据分组的地址信息便可从固定的路由表中查出对应的目的节点及所应选择的下一节点。固定路由选择法的优点是简便易行，在负载稳定，拓扑结构变化不大的网络中运行效果很好。它的缺点是灵活性差，无法应付网络中发生的阻塞和故障；

c.随机路由选择算法

在这种方法中，收到分组的节点，在所有与之相邻的节点中为分组随机选择一个出路节点。方法虽然简单，也较可靠，但实际路由不是最佳路由，增加了不必要的负担，而且分组传输延迟也不可预测，故此法应用不广。

在动态路由选择策略中，节点路由选择要依靠网络当前的状态信息来决定，这种策略能较好地适应网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能。但由于算法复杂，会增加网络的负担，有时会因反应太快引起振荡或反应太慢不起作用。独立路由选择、集中路由选择和分布路由选择是三种动态路由选择策略的具体算法；

d.独立路由选择算法

在这类路由算法中，节点仅根据自己搜到的有关信息作出路由选择的决定，与其它节点不交换路由选择信息，虽然不能正确确定距离本节点较远的路由选择，但还是能较好地适应网络流量和拓扑结构的变化。一种简单的独立路由选择算法是Baran在1964年提出的热土豆（Hot Potato）算法。当一个分组到来时，节点必须尽快脱手，将其放入输出列最短的方向上排队，而不管该方向通向何方；

e.集中路由选择算法

集中路由选择也象固定路由选择一样，在每个节点上存储一张路由表。不同的是，固定路由选择算法中的节点路由表由手工制作，而在集中路由选择算法中的节点路由表由路由控制中心RCC（Routing Control Center）定时根据网络状态计算、生成并分送各相应节点。由于RCC利用了整个网络的信息，所以得到的路由选择是完美的，同时也减轻了各节点计算路由选择的负担；

f.分布路由选择算法

采用分布路由选择算法的网络，所有节点定期地与其每个相邻节点交换路由选择信息。每个节点均存储一张以网络中其它每个节点为索引的路由选择表，网络中每个节点占用表中一项，每一项又分为两个部分，即所希望使用的到目的节点的输出线路和估计到目的节点所需要的延迟或距离。度量标准可以是毫秒或链路段数、等待的分组数、剩余的线路和容量等。对于延迟，节点可以直接发送一个特殊的称作“回声”（echo）的分组，接收该分组的节点将其加上时间标记后尽快送回，这样便可测出延迟；有了以上信息，节点可由此确定路由选择。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：无线自组网中的每个通信节点在分配的时间单元内发送发现信号，其他通信节点接收并检测发现信号来确定自己的邻节点；

步骤二：无线自组网中所有通信节点根据获得的邻节点建立并维护自己的邻节点路由表，并通过广播的方式将邻节点路由表发送出去，网络中每个通信节点通过直接或多跳传输方式获得其他通信节点的邻节点路由表，从而获知自己与其他通信节点之间的传输路径；

步骤三：对于无线自组网中的任意一对通信节点，分别计算业务数据分别经过发送节点和接收节点之间所有传输路径的总耗时，按照业务类型的优先级顺序、并根据所要传输业务类型对应的时延要求选择总耗时最小的传输路径作为业务的传输路径；

所述邻节点路由表包含邻节点ID、通信节点之间的传输链路的信道质量指示等级和传输总耗时三部分信息；

在网络中存在业务数据通过传输路径进行传输、计算发送节点和接收节点之间的所有传输路径的总耗时时，包括以下两种情况：

（1）、发送节点和接收节点之间可以直接通信或仅存在一条多跳传输路径

根据直接通信链路或多跳传输链路的信道质量指示和该业务类型对应的误码率要求，计算直接通信链路传输总耗时或多跳传输路径的总耗时；在直接通信链路传输总耗时或多跳传输路径的总耗时小于当前业务的时延要求时，能够在满足时延要求和误码率要求的状态下进行业务传输；

（2）、发送节点和接收节点之间存在多条多跳传输路径

针对每条多跳传输路径，根据多跳传输路径中传输能力最弱一跳的信道质量指示、业务类型对应的误码率要求以及预设的不同数据包大小对应的仿真结果计算该业务类型的业务数据经过每条传输路径的总耗时；

①在所有多跳传输路径的总耗时都大于该业务类型对应的时延要求时，则时延要求和误码率要求都不满足，无法进行业务传输；

②在仅有一条多跳传输路径的总耗时不大于该业务类型对应的时延要求时，则选择该传输路径作为业务的传输路径；

③在有超过一条的多跳传输路径的总耗时不大于该业务类型对应的时延要求时，则选择总耗时最小的传输路径作为业务的传输路径。

2.如权利要求1所述的一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，其特征在于，若网络中同时存在多种业务类型通过不同的传输路径进行传输，且不同传输路径同时包含一个或多个相同的通信节点，对于其中一个需要同时中继转发不同的业务类型的通信节点，则按照业务类型的优先级顺序进行中继转发。

3.如权利要求2所述的一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法，其特征在于，对于情况（2）中所述的第③种情况，所有满足业务时延要求的链路根据当前业务优先级、传输链路中中继节点的复用情况，更新所有多跳链路的总时延，并重新选择总时延最小的传输路径作为当前业务的传输路径。

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