CN110972206B - 一种实现5g物联网网络路由路径的多跳路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现5G物联网网络路由路径的多跳路由方法，本发明基于二维平面网格，通过进一步研究路由负载平衡问题，提出新的网络拓扑模型，这种模型使得边界节点也能够参与路由，从而降低网络内部节点的负载，达到负载平衡的目的。本发明提出的类环网络拓扑结构和基于类环结构的负载均衡路由算法能够较好地兼顾路由开销和负载均衡。与传统二维网格相比，本发明不仅缩短了消息传播的路由长度，且显著提高载体的负载平衡性，从而提升网络性能。

Description

一种实现5G物联网网络路由路径的多跳路由方法

技术领域

本发明涉及一种实现5G物联网网络路由路径的多跳路由方法。

背景技术

5G技术的应用预示着万物互联时代的到来。物联网网 络中的路由是指将消息从源节点经过一些中继转发节点传送到目的节点的过程。路由规则的好坏直接决定着网络通信的性能。环状网(Torus网络)是通信拓扑结构中负载最均衡，路由路径最短的拓扑结构，但结构要求苛刻。传统二维网格由于路由大都要经过内部节点，使得内部节点的负载大于边界节点，这导致负载不均衡从而造成网络拥堵，使得网络的生命周期下降。

[1]Suresh Chalasani and RajendraV.Boppana.Fault-tolerant wormholerouting algorithms for mesh networks.IEEETrans.Comput.,44(7):848–864,1995.

[2]Yi Yang.Applications of graph theory in telecommunication networksand wireless sensor networks.PhD Thesis,2009.

[3]The Need for Adaptive Routing in the Chaotic and UnbalancedTraffic Environment IEEE Trans.Communications,29(4):481–490,1981.munications,29(4):481–490,1981.

[4]K.Romer and F.Mattern.The design space of wireless sensornetworks. 11(6):54-61,Dec.2004

[5]LIN Pei,YANG Yi,CHEN Yipiao.Adaptive Fault-tolerant Routing-tableAlgorithm Based on Cracky Fault Block.《Computer Engineering》-2013

发明内容

发明目的：本发明针对5G时代的到来，万物互联将产生海量的数据。如何让物联网络的消息传播高效，让每个传播消息的载体负载均衡，需要一个可行的网络拓扑结构和基于此拓扑结构的路由算法实现。二维网格拓扑结构简单，基于二维网格的路由算法应用广泛，本发明克服了传统二维网格模型下的路由弊病，提出类环二维网格拓扑结构和基于拓扑此结构下的路由方法。

本发明公开了一种实现5G物联网中网络路由路径短且负载均衡的多跳路由方法，包括：

步骤1，对物联网网 络进行设定；

步骤2，通过多跳路由方法，实现任意源节点到目标节点的路由路径最短且网络整体负载均衡。

步骤1包括：

将物联网 网络里的每个载体都抽象成一个无线传感器节点，所述无线传感器节点在他们的通信半径里能够相互通信，且他们的通信半径r是有限的；

传感器节点周围分布着5G基站，5G基站的通信半径R远远大于无线传感器节点的通信半径r(一般5G基站的通信半径百倍于无线传感器节点的通信半径时，认为是远远大于)；

节点与节点、节点与基站或基站与基站之间可能够直接相互通信，但它们必须都在对方的通信半径里；

如果一个节点或基站能够和另一个节点或基站直接通信，则称他们是邻居节点；

设定无线传感器节点和基站分布满足二维网格分布，消息发送或接收只能沿着邻居节点传播路由；

任意发送消息的节点或基站称之为源节点；任意接收消息的节点或基站，称之为目标节点，二维网格里的节点既能够是源节点，也能够是目标节点。

步骤1还包括：选取二维网格四周角落边界站点为5G基站，二维网格四周角落边界站点的坐标分别为(0,0)，(m,0)，(0,n)，(m,n)，分别记为基站WN，EN，WS，ES，其余为无线传感器节点，二维网格规模为m*n，m和n分别表示二维网格的长和宽。

步骤1中，定义5G基站和无线传感器节点的通信半径Rc＝r∩R。

步骤1还包括：设定消息必须沿着邻居节点进行路由。

步骤1还包括：基站能够给通信半径内所有节点发送消息，但接收来自无线传感器节点的消息必须是基站的邻居节点。

步骤2包括：

步骤2-1，物联网网 络里的节点和基站发送广播消息完成组网，所述广播消息包含节点的位置信息和节点的状态信息；

步骤2-2，建立迭代规则；

步骤2-3，当消息从源节点S发送到目标节点D时，计算源节点和目标节点的跳数，即距离，当SDX>m/2且SDY>n/2时，执行步骤2-4；当SDX>m/2且SDY<＝n/2 时，执行步骤2-5；当SDX<＝m/2且SDY>n/2，执行步骤2-6；当SDX<＝m/2且SDY<＝n/2，执行步骤2-7，其中，SDX表示水平跳数，SDY表示垂直跳数，计算公式如下：

SDX＝S.x-D.x，

SDY＝S.y-D.y，

S.x,S.y分别表示源节点S在二维网格的横坐标和纵坐标；D.x，D.y分别表示目标节点DS在二维网格的横坐标和纵坐标；

步骤2-4，此时两个节点源节点S和目标节点D位于二维网格的对角线位置，消息从源节点S路由到最近基站WS(或ES或WN或EN)，通过边界基站传播消息到目标节点D的最近基站EN(或WN，ES，WS)，再根据贪婪算法和迭代规则路由到目标节点D；

步骤2-5，此时两个节点源节点S和目标节点D位于二维网格的东西两侧，消息从源节点S向最近基站WS(或ES或WN或EN)路由，通过边界基站传播消息到目标节点D的最近对应基站ES(或WS，EN，WN)，再根据贪婪算法和迭代规则路由到目标节点D；

步骤2-6，此时两个节点源节点S和目标节点D位于二维网格的南北两侧，消息从源节点S路由到最近基站WS(或ES或WN或EN)，通过边界基站传播消息到目标节点D的最近对应基站WN(或EN，WS，ES)，再根据贪婪算法和迭代规则路由到目标节点D；

步骤2-7，此时源节点消息不通过5G基站路由，消息从源节点S按照贪婪算法和迭代规则直接路由到目标节点。

步骤2-3包括：

根据数学图论知识，类环形拓扑网格Quasi_torus(m,n)是一个G＝{V,E}的连通带权图，m，n表示类环形拓扑结构的网络规模，二维网格里任何两个邻居节点的权值相等， V＝{1，2，3，…，mn-1，mn}，|E|＝(n-1)*m+(m-1)*n+4＝2m*n-m-n+4。设A＝[a_SD]_m*n是图的权矩阵，其中a_SD是图上连接源节点S和目标节点D的边的权，如果两顶点不是邻居节点，则a_SD＝∞，设初始矩阵D⁽⁰⁾＝A，迭代规则如下：

a⁽¹⁾ _SD＝min{a⁽⁰⁾ _SD，a⁽⁰⁾ _S1+a⁽⁰⁾ _1D}，S≠D；其中a⁽⁰⁾ _SD，a⁽⁰⁾ _S1，a⁽⁰⁾ _1D是初始权矩阵A的元素；

上式表示a⁽⁰⁾ _SD在a⁽⁰⁾ _SD以及从源节点S经过顶点v₁到目标节点D的权之和a⁽⁰⁾ _S1+ a⁽⁰⁾ _1D中选择最短长度，依此规则迭代：

a⁽²⁾ _SD＝min{a⁽¹⁾ _SD，a⁽¹⁾ _S2+a⁽¹⁾ _2D}，S≠D；

上式表示a⁽²⁾ _SD在a⁽¹⁾ _SD以及从源节点S经过顶点v₂到目标节点D的权之和a⁽¹⁾ _S2+ a⁽¹⁾ _2D中选择最短长度，以此类推：

a^(m) _SD＝min{a^(m-1) _SD，a^(m-1) _Sm+a^(m-1) _mD}，S≠D；

上式表示a^(m) _SD在a^(m-1) _SD以及从源节点S经过顶点v_m到目标节点D的权之和 a^(m-1) _Sm+a^(m-1) _mD中选择最短长度，直到m＝n。算法复杂度为O(m²*n²)。

在具体算法实现的时候，可以根据源节点与目标节点的相对位置，通过增加判断条件比较源节点与目标节点的坐标位置与坐标(m/2，n/2)的位置关系，可以简化迭代计算。

步骤2中，消息根据源节点和目标节点的位置自动选择路由路径，使路由路径短且内部节点负载均衡。

如果二维网格上的节点是邻居节点的，用带箭头的实线连接，箭头方向表示消息路由方向。本发明基于二维平面网格，通过进一步研究路由负载平衡问题，提出新的网络拓扑模型，这种模型使得边界节点也能够参与路由，从而降低网络内部节点的负载，达到负载平衡的目的。

有益效果：针对即将到来的5G物联网时代，海量信息的传递对网络的可靠性要求更高，其中减少消息传播路径长度，平衡网络负载是提高网络可靠性，减少网络拥堵的重要途径，本发明提出的类环网络拓扑结构和基于类环结构的负载均衡路由算法能够较好地兼顾路由开销和负载均衡。与传统二维网格相比，本发明不仅缩短了消息传播的路由长度，且显著提高载体的负载平衡性，从而提升网络性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明方法流程图。

图2为三种网络拓扑结构总路由跳数对比图。

图3为类环型结构网络负载。

图4为环型拓扑结构网络节点负载。

图5为二维网格拓扑结构节点负载。

图6是类环形拓扑结构。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种实现5G物联网网络路由路径短且负载均衡的路由方法，包括：

步骤1，物联网网 络里的节点和基站发送广播消息完成组网，广播消息包含节点的位置信息，节点的状态信息等；

步骤2，当消息从源节点S发送到目标节点D时，计算源节点和目标节点的距离 (跳数)，当SDX>m/2且SDY>n/2时，执行步骤3；当SDX>m/2且SDY<＝n/2时，执行步骤4；当SDX<＝m/2且SDY>n/2，执行步骤5；当当SDX<＝m/2且SDY<＝n/2，执行步骤6；

步骤3，(1)如果S.x>m/2，S.y>n/2，消息通过基站ES—EN—WN或者ES—WS—WN 到达目标节点；(2)如果S.x>m/2，S.y<＝n/2消息通过基站EN—ES—WS或者 EN—WN—WS到达目标节点；(3)如果S.x<＝m/2，S.y>n/2，消息通过基站WS—WN—EN 或者WS—ES—EN到达目标节点；(4)如果S.x<＝m/2，S.y<＝n/2消息通过基站 WN—WS—ES或者WN—EN—ES到达目标节点；

步骤4，(1)如果S.x>m/2，S.y>n/2，消息通过基站ES—WS到达目标节点；(2)如果S.x>m/2，S.y<＝n/2，消息通过基站EN—WN到达目标节点；(3)如果S.x<＝m/2，S.y>n/2，消息通过基站WS—ES到达目标节点；(4)如果S.x<＝m/2，S.y<＝n/2消息通过基站 WN—EN到达目标节点；

步骤5，(1)如果S.x>m/2，S.y>n/2，消息通过基站ES—EN到达目标节点；(2)如果S.x>m/2，S.y<＝n/2，消息通过基站EN—ES到达目标节点；(3)如果S.x<＝m/2，S.y>n/2，消息通过基站WS—WN到达目标节点；(4)如果S.x<＝m/2，S.y<＝n/2消息通过基站 WN—WS到达目标节点；

步骤6，源节点消息按照最短路径策略(贪婪算法)路由到目标节点。

实施例

让计算机随机生成1000对源节点和目的节点，在不同大小的类环二维网格里运行Algorithm 1，得到4组实验结果，见表1。

表1

总路由次数是1000次，因此对于同一规模的网络总的负载量是几乎相同的(这里用几乎是因为这是统计意义上的一样，每个网络的1000次路由都是不一样的)。从表1 可以得到随着网格规模的增大，路由跳数增大，且成一定比例，网络规模增大一倍， 1000对节点总路由跳数也增大一倍。基站节点的平均负载最大，边界节点和基站节点平均负载与网络规模无关，只与产生消息的源节点和目标节点数量有关。内部节点的平均负载随着网络规模的增大而减小，这是因为网络规模增大一倍，节点数量增大到原来的4倍，而路由总跳数只增长1倍(统计意义上的)，因此内部节点平均承担的负载减少1倍(统计意义上的)。

类环型拓扑结构和算法与传统结构算法进行对比仿真与分析：

表2是不同类型结构的路由算法与类环型拓扑结构的路由算法比较，从表2可以得到，类环型拓扑结无论路由长度还是平均负载，均优于传统的二维网格，劣于Torus 环型拓扑结构。图6是类环形拓扑结构，图5为二维网格拓扑结构节点负载。图2是类环形拓扑结构与二维网格和环型拓扑结构的总路由跳数比较图，从图2可以直观比较三种拓扑结构的总路由跳数。类环型拓扑结构所有边界节点都变成基站的时候，此时类环型结构变成Torus环型结构，这种拓扑结构要求苛刻，建网成本大，且基站的覆盖半径远大于节点的覆盖半径，建造这么密集的基站造价高不说，更是资源的浪费，因此相比Torus结构，类环型拓扑结构更符合应用实际。

表2

表3是三种网络拓扑结构总路由跳数节约比例汇总表，基于25*25，50*50，100*100， 200*200四种规模的网络，类环形拓扑结构比二维网格节约14％以上，且随着网络规模的增大节约的比例先增大后减少。环形拓扑结构比二维网格结构节约29％以上，同样节约百分比随着网络规模的增大而减小。设想当网络规模无穷大时，这三种结构不再有边界差异，此时三种结构趋于同一种拓扑结构，他们的总路由跳数增长百分比应该趋于0。

表3

将随机产生的1000对节点的路由经过每个点的情况记录下来，得到网格里每个节点的负载，通过MATLAB软件生成三维图形(不同网络规模的分布情况类似，本发明以25*25网格规模举例)，如下所示：

从图1可以看出，类环型拓扑结构边界节点负载较大，但内部节点负载整体均衡；环型拓扑结构的负载分布见图3；图4是传统二维网格路由算法的负载平衡分布。

对比图4能够直观看到，传统二维网格的负载主要集中在内部节点上，靠近边界的节点负载小，尤其是角落节点，负载几乎为0。

最后简略分析类环型拓扑结构及算法的局限性。

第一，从图中可以看到，类环型拓扑结构让边界节点的负载增大，虽然内部节点负载平衡性好，但是从整体看边界节点的负载显著大于内部节点。在相同消息发送量下，不论多大规模的网络结构，边界节点的平均负载不变。要解决边界节点的负载平衡性问题，还可以进一步完善类环型拓扑结构及路由算法，比如设置阈值T，当边界节点阈值T超过一定程度时，不再从边界路由。

第二，没考虑信道的质量问题，本发明假设所有节点只要在其通信半径下就能够确保通信，事实上在无线环境下，电磁干扰会降低通信信道质量，当信道质量降低到一定程度时，即便在通信半径下也未必能够相互通信。要解决此类问题，可以通过发送广播消息时，根据节点收到消息的时延判断信道的质量，通过设置阈值τ，当时延超过τ时，将该节点设为虚拟故障点，网络里形成虚拟故障块，运用虚拟故障块路由表算法路由^[5]。

本发明提出类环型结构，并实现类环形结构实现通信开销小且负载平衡的算法，包括：步骤1，物联网网 络里的每个载体可以抽象成一个个无线传感器节点，这些载体节点在他们的通信半径里能够相互通信，且他们的通信半径(r)是有限的；步骤2，传感器节点周围分布着5G基站，5G基站的通信半径(R)远远大于传感器节点的通信半径 (R>>r)；步骤3，节点与节点、节点与基站或基站与基站之间可以直接相互通信，但它们必须都在对方的通信半径里。步骤4，如果一个节点或基站可以和另一个节点或基站直接通信，称他们是邻居节点；步骤5，消息发送或接收只能沿着邻居节点传播路由；步骤6，任意发送消息的节点或基站称之为源节点，任意接收消息的节点或基站，称之为目标节点，网格里的节点既可以是源节点，也可以是目标节点；步骤7，构造边界四个角落的节点为5G基站，其余为无线传感器节点的物联网网 络m*n，坐标为(0,0)，(m,0)， (0,n)，(m,n)的基站命名为WS，ES，WN，EN；步骤8，类环形拓扑结构下任意源节点到目标节点的路由路径最短且网络整体负载均衡的算法实现：定义物联网网 络规模为 m*n，m和n分别表示物联网网 络横纵坐标上的节点数量；定义水平跳数SDX和垂直跳数SDY。它们的详细定义如下：

SDX＝S.x-D.x；

SDY＝S.y-D.y；

S是源节点，D表示目的节点。S.x,S.y分别表示源节点S在二维网格的横坐标和纵坐标；同样D.x，D.y分别表示目标节点D在二维网格的位置。

如果SDX>m/2时，这意味着通过图1所示结构的基站路由消息比经过内部网络路由更好，因为它有两个好处。第一，该条件下的路由路径最短，第二，路由不通过中心节点，缓解中心节点的负载。如果SDX≤m/2时，通过中心节点的路由比通过边界基站的路由水平距离更短，传统路由方案更优。同理，对SDY>n/2以及SDY≤n/ 2的分析是相同的，路由选择也一样。

网络节点的通信好的路由模型和基于此模型下的路由策略非常重要，万物互联的网络负载平衡重要性十分突出，防止一些节点负载过大，导致阻塞，有些节点过于清闲，浪费闲置。

本发明提供了一种实现5G物联网网络路由路径的多跳路由方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种实现5G物联网网络路由路径的多跳路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对物联网网 络进行设定；

步骤2，通过多跳路由方法，实现任意源节点到目标节点的路由路径最短且网络整体负载均衡；

步骤1包括：

将物联网网络里的每个载体都抽象成一个无线传感器节点，所述无线传感器节点在通信半径里能够相互通信，且通信半径r是有限的；

传感器节点周围分布着5G基站，5G基站的通信半径R大于无线传感器节点的通信半径r；

节点与节点、节点与基站或基站与基站之间可能够直接相互通信，但必须都在对方的通信半径里；

如果一个节点或基站能够和另一个节点或基站直接通信，则称是邻居节点；

设定无线传感器节点和基站分布满足二维网格分布，消息发送或接收只能沿着邻居节点传播路由；

任意发送消息的节点或基站称之为源节点；任意接收消息的节点或基站，称之为目标节点，二维网格里的节点既能够是源节点，也能够是目标节点；

步骤1还包括：选取二维网格四周角落边界站点为5G基站，二维网格四周角落边界站点的坐标分别为(0,0)，(m,0)，(0,n)，(m,n)，分别记为基站WN，EN，WS，ES，其余为无线传感器节点，二维网格规模为m*n，m和n分别表示二维网格的长和宽；

步骤1中，定义5G基站和无线传感器节点的通信半径Rc＝r∩R；

步骤1还包括：设定消息必须沿着邻居节点进行路由；

步骤1还包括：基站能够给通信半径内所有节点发送消息，但接收来自无线传感器节点的消息必须是基站的邻居节点；

步骤2包括：

步骤2-1，物联网网 络里的节点和基站发送广播消息完成组网，所述广播消息包含节点的位置信息和节点的状态信息；

步骤2-2，建立迭代规则；

步骤2-3，当消息从源节点S发送到目标节点D时，计算源节点和目标节点的跳数，即距离，当SDX>m/2且SDY>n/2时，执行步骤2-4；当SDX>m/2且SDY<＝n/2时，执行步骤2-5；当SDX<＝m/2且SDY>n/2，执行步骤2-6；当SDX<＝m/2且SDY<＝n/2，执行步骤2-7，其中，SDX表示水平跳数，SDY表示垂直跳数，计算公式如下：

SDX＝S.x-D.x，

SDY＝S.y-D.y，

S.x,S.y分别表示源节点S在二维网格的横坐标和纵坐标；D.x，D.y分别表示目标节点DS在二维网格的横坐标和纵坐标；

步骤2-4，此时源节点S和目标节点D位于二维网格的对角线位置，消息从源节点S路由到最近基站WS，通过边界基站传播消息到目标节点D的最近基站EN，再根据贪婪算法和迭代规则路由到目标节点D；

步骤2-5，此时源节点S和目标节点D位于二维网格的东西两侧，消息从源节点S向最近基站WS路由，通过边界基站传播消息到目标节点D的最近对应基站ES，再根据贪婪算法和迭代规则路由到目标节点D；

步骤2-6，此时源节点S和目标节点D位于二维网格的南北两侧，消息从源节点S路由到最近基站WS，通过边界基站传播消息到目标节点D的最近对应基站WN，再根据贪婪算法和迭代规则路由到目标节点D；

步骤2-7，此时源节点消息不通过5G基站路由，消息从源节点S按照贪婪算法和迭代规则直接路由到目标节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2-2包括：

类环形拓扑网格Quasi_torus(m,n)是一个G＝{V,E}的连通带权图，V表示类环形拓扑网络的顶点集，E表示全体边的集合，二维网格里任何两个邻居节点的权值相等，V＝{1，2，3，…，mn-1，mn}，|E|＝(n-1)*m+(m-1)*n+4＝2m*n-m-n+4；

设A＝[a_SD]_m*n是图的权矩阵，其中a_SD是图上连接源节点S和目标节点D的边的权，如果两顶点不是邻居节点，则a_SD＝∞，设初始矩阵D⁽⁰⁾＝A，迭代规则如下：

a⁽¹⁾ _SD＝min{a⁽⁰⁾ _SD，a⁽⁰⁾ _S1+a⁽⁰⁾ _1D}，S≠D；其中a⁽⁰⁾ _SD，a⁽⁰⁾ _S1，a⁽⁰⁾ _1D是初始权矩阵A的元素；

上式表示a⁽⁰⁾ _SD在a⁽⁰⁾ _SD以及从源节点S经过顶点v₁到目标节点D的权之和a⁽⁰⁾ _S1+ a⁽⁰⁾ _1D中选择最短长度，依此规则迭代：

a⁽²⁾ _SD＝min{a⁽¹⁾ _SD，a⁽¹⁾ _S2+a⁽¹⁾ _2D}，S≠D；

上式表示a⁽²⁾ _SD在a⁽¹⁾ _SD以及从源节点S经过顶点v₂到目标节点D的权之和a⁽¹⁾ _S2+a⁽¹⁾ _2D中选择最短长度，以此类推：

a^(m) _SD＝min{a^(m-1) _SD，a^(m-1) _Sm+a^(m-1) _mD}，S≠D；

上式表示a^(m) _SD在a^(m-1) _SD以及从源节点S经过顶点v_m到目标节点D的权之和a^(m-1) _Sm+a^{(m -1)} _mD中选择最短长度，直到m＝n。

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