CN114585044A - 路径选择的方法和路由器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路径选择的方法和路由器。该路径选择的方法，包括：获取源节点的待传输数据包，其中，所述待传输数据包需传输至目的节点；建立传输时延模型，其中，所述传输时延模型针对所述待传输数据包的传输时延衍生至少一个路由约束条件；利用分支定界算法对所述传输时延模型求解，输出最小传输时延所对应的传输路径。

Description

路径选择的方法和路由器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种路径选择的方法和路由器。

背景技术

由于更低的成本、灵活的配置以及增强的网络覆盖和网络容量，使得无线Mesh网络(WMN：WirelessMeshNetwork)技术应用越来越广泛，其优异的性能受到学术界和产业界的青睐，已经成为下一代无线网络中涌现出来的一种非常具有应用前景的新型无线组网技术。无线Mesh网络主要由Mesh终端和Mesh路由器组成。其中，各个Mesh路由器构成了无线网络的网络架构基础和骨干网络，并与有线网络进行互联组网，一起为Mesh终端提供多跳无线互联网络连接。

在无线Mesh自组网系统中，网络层最重要的任务是将数据从源节点传送到目的节点，这一过程很大程度上依赖于路由选择，它决定了数据包从源节点到目的阶段所流经的传输路径。源节点和目的节点间可能存在多条传输路径，中间节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，即路由选择，确定路由选择的策略称为路由算法。不同的路由算法对网络的吞吐量、时延和丢包率等产生的影响不同，进而决定整个Mesh系统的性能。

选择不同的传输路径对应着不同的传输时延代价，如何根据实际需求在众多备选传输路径中选取最优传输路径，是Mesh自组网终端路由算法的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路径选择的方法和路由器，至少能够实现无线Mesh网络基于最小时延的数据传输，至少能够实现在最小跳数约束下获取时延最小的传输路径。

根据本发明的一方面，至少一个实施例提供了一种路径选择的方法，包括：获取源节点的待传输数据包，其中，所述待传输数据包需传输至目的节点；建立传输时延模型，其中，所述传输时延模型针对所述待传输数据包的传输时延衍生至少一个路由约束条件；利用分支定界算法对所述传输时延模型求解，输出最小传输时延所对应的传输路径。

根据本发明的另一方面，至少一个实施例提供了一种路由器，包括：处理器，适于实现各指令；以及存储器，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述路径选择的方法。

根据本发明的另一方面，至少一个实施例提供了一种计算机可读的非易失性存储介质，存储计算机程序指令，当所述计算机执行所述程序指令时，执行上述路径选择的方法。

通过上述方式，通过目标函数(如最小传输时延)和约束条件(如最小跳数)对要研究的优化问题进行建模，并将该优化问题转化为0-1整数规划问题，采用经典的分支定界算法进行求解，获取最小传输时延情况下的最优路径，从而满足Mesh网络数据传输低时延传输的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的典型mesh网络示意图；

图2是根据本发明实施例的路由器示意图；

图3是根据本发明实施例的路径选择的方法的流程图；

图4是根据本发明实施例的节点示意图；

图5是根据本发明实施例的测试结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

无线网状网络(WMN，WirelessMeshNetwork)作为一种解决无线接入“最后一公里”瓶颈问题的关键技术受到了越来越广泛的关注。无线Mesh网络融合了无线局域网(WLAN，WirelessLocalAreaNetwork)和Adhoc网络的优势，通过移动用户之间的自组织通信扩展了传统无线局域网的覆盖范围，同时，通过部署的Mesh骨干网改善了Adhoc网络的服务质量。Adhoc网络也被称为多跳无线网、自组织网络或无固定设施的网络。无线Mesh网络最初是作为移动Adhoc网络(MANET)的一种商业形态出现，从本质上属于移动Adhoc网络。

与Adhoc网络不同的是，无线Mesh网络具有一定的基础架构。这个基础架构即无线Mesh骨干网(MB，MeshBackbone)由一些基本静止的无线Mesh路由器(MR，MeshRouter)组成，用来提供比Adhoc网络更好的服务质量(QoS，QualityofService)支持。无线Mesh网络具有可靠性高，多跳路由，自形成、自愈和自组织功能，支持与其它无线网络兼容和互操作等优点。如图1所示，典型的Mesh组网的一般架构由三类不同的无线网元组成网关路由器(具有网关/网桥功能的路由器)，Mesh路由器(接入点)和Mesh客户端(移动端或其他)。其中，Mesh客户端通过无线连接的方式接入到无线Mesh路由器，无线Mesh路由器以多跳互连的形式，形成相对稳定的转发网络。在Mesh网络架构中，任意Mesh路由器都可以作为其他Mesh路由器的数据转发中继，并且部分Mesh路由器还具备因特网网关的附加能力。

在如图1所示的应用环境中，本发明的至少一个实施例提供了一种Mesh路由器(或其他计算设备)。如图2所示，该Mesh路由器(或其他计算设备)包括：处理器202；以及存储器204，配置为存储计算机程序指令，计算机程序指令适于由处理器加载并执行本发明所研发的路径选择的方法(后续将进行详细介绍)。可选的，本发明的至少一个实施例还提供了一种计算机可读的非易失性存储介质，存储计算机程序指令，当计算机执行程序指令时，执行本发明所研发的路径选择的方法(后续将进行详细介绍)。

该处理器202可以为各种适用的处理器，例如实现为中央处理器、微处理器、嵌入处理器等形式，可以采用X86、ARM等架构。该存储器204可以为各种适用的存储装置，例如非易失性存储装置，包括但不限于磁存储装置、半导体存储装置、光存储装置等，并且可以布置为单个存储装置、存储装置阵列或分布式存储装置，本发明的实施例对这些不作限制。

本领域普通技术人员可以理解，上述Mesh路由器的结构仅为示意，其并不对Mesh路由器的结构造成限定。例如，Mesh路由器还可包括比图2中所示更多或者更少的组件(如传输装置)。上述的传输装置用于经由一个网络接收或者发送数据。在一个实例中，传输装置为射频(RadioFrequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

在上述运行环境下，本发明至少一个实施例提出了一种路径选择的方法，适用于处理器202加载并执行，至少用于提供低传输时延的传输路径。如图3所示的路径选择的方法流程图，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，该方法可以包括如下步骤：

步骤S301，获取源节点的待传输数据包，其中，待传输数据包需传输至目的节点；

步骤S303，建立传输时延模型，其中，传输时延模型针对待传输数据包的传输时延衍生至少一个路由约束条件；

步骤S305，利用分支定界算法对传输时延模型求解，输出最小传输时延所对应的传输路径。

可以看出，本发明为了解决无线Mesh自组网系统中将数据从源节点传送到目的节点这一过程中从多条传输路径中选择最优传输路径的问题，提出了一种基于最小传输时延的最优路径选择方法。该基于最小传输时延的最优路径选择方法，通过目标函数(如最小传输时延)和约束条件(如最少跳数)对要研究的优化问题进行建模，并将该优化问题转化为0-1整数规划问题，采用经典的分支定界算法进行求解，获取最小传输时延情况下的最优路径，从而满足Mesh网络数据传输低时延传输的需求。

在步骤S301中，获取Mesh网络中源节点的待传输数据包，该待传输数据包需传输至Mesh网络中的目的节点。需要说明的是，该Mesh网络中有多个节点，数据包从源节点到目的节点有多条路径可供选择。

在步骤S303中，建立传输时延模型。可选的，建立传输时延模型包括：建立目标函数，其中，目标函数为

源节点为1，目的节点为N，t_i，j为待传输数据包从i节点传输至j节点对应的传输时延，x_i，j为通信链路建立因子；针对上述目标函数，衍生至少一个路由约束条件，其中，至少一个路由约束条件包括：

约束条件Y1：

其中，待传输数据包大小为L，r_i，j为数据从节点i传输到节点j的传输速率，约束条件Y1用于表示所选择的通信链路传输时延；

约束条件Y2：i，j，k∈{1，2，…N}，其中，约束条件Y2用于表示节点i，j，k是节点集合{1，2，…N}中的任意节点；

约束条件Y3：x_i，j∈{0，1}，其中，x_i，j＝1表示数据从节点i传输到节点j的通信链路建立，x_i，j＝0表示节点i到节点j的通信链路不成立；

约束条件Y4：

其中，约束条件Y4限制了节点j作为接收节点时，至多只能收到来自一个发射节点发送的信号；

约束条件Y5：

其中，约束条件Y5表示节点j作为发射节点时，至多只能向一个接收节点发送信号；

约束条件Y6：

其中，m表示最大跳数值，约束条件Y6限制了从节点1传播到目的节点N可建立链路的最大跳数；

约束条件Y7：

其中，

表示节点j作为接收节点时可建立的所有通信链路之和，

表示节点j作为发射节点时可建立的所有链路之和，约束条件Y7限制了数据从源节点1传输到目的节点N的方向性传播。

也就是说，本发明针对待传输数据包的最小传输时延衍生了至少一个路由约束条件。这里，可以通过查询传输速率表获取r_i，j，其中，建立传输速率表可以包括：设置M档分档传输速率，其中，M＝Q-1，Q为总节点数量；基于节点之间跳数增加的方向依次分配递减的分档传输速率。即根据节点间传输距离的不同，所对应的传输速率可分为不同的档，传输距离短所对应的传输速率就大，反之传输距离大所对应的传输速率小。

例如，如图4所示，假设Mesh网络中一共有Q个节点形成一条主链。在主链中，根据节点间不同的位置，节点间有M档不同的传输速率，即，M表示网络中最大传输速率档数。如果Q＝8，则对应的传输速率分为6挡，即M＝6，由此设置节点之间一跳对应传输速率为54，两跳对应32，三跳对应16，四跳对应8，五跳对应4，六跳对应2。因此，r_i，j的数值可通过j与i的差值查表获取。

表1 r_i，j传输速率值

j-i＝a	a＝1	a＝2	a＝3	a＝4	a＝5	a＝6
							r<sub>i，j</sub>	54	32	16	8	4	2

对于目标函数

以数据传输所用的传输时延最小为目标。如果待传输数据包(大小为L)，需要在主链上从源节点1传输到目的节点N，则其代价函数为t_i，j，

为了使得在最小跳数约束下，最小化从源节点1传输到目的节点N的传输时延，则优化目标是数据经过所有的节点传输时延最小，即

考虑到信号传输的方向性，只有当1≤j-i≤M的情况下，r_i，j存在；其他情况，节点i和节点j之间不能建立链路r_i，j＝0。

对于约束条件，包含了最小跳数约束，一个接收节点一次至多能和一个发射节点进行通信的约束，以及节点之间单向传输的方向性传播。需要说明的是，当j＝1时，节点1只作为发射节点向外发射信号，不存在信号接收的情况，因此该情况下输入信号的链路数减去输出信号的链路数之差为-1；当j＝N时，对于目的节点N，只有输入信号，不存在输出信号，所以输入信号的链路数减去输出信号的链路数之差为1；具体的，考虑到对于除了源节点1和目的节点N以外的其他所有节点，作为信号转发的中继节点，如果该节点存在输入信号，那么必定存在其对应的输出信号，因此，该情况下，输入信号的链路数减去输出信号的链路数之差为0。

在步骤S305中，利用分支定界算法对传输时延模型求解，输出最小传输时延所对应的传输路径。也就是本发明的优化问题是一个0-1整数规划问题，该问题可用经典的分支定界(branchandbound)算法求解。分支定界法是一种求解整数规划问题的最常用算法、是一种搜索与迭代的方法，选择不同的分支变量和子问题进行分支。

可选的，利用分支定界算法对传输时延模型求解可以包括：找到与至少一个路由约束条件相对应的至少一个松弛问题；利用至少一个松弛问题输出最小传输时延所对应的传输路径，其中，至少一个松弛问题的最优解是Z*，如果Z*是整数解，则Z*对应的第一传输路径即为最小传输时延所对应的传输路径。

如果Z*不是整数解，则在Z*中选择不符合整数约束条件的第一约束条件Y；将至少一个松弛问题进行分支形成第一分支和第二分支，第一分支新增约束条件Y≤[Y]，第二分支新增约束条件Y≥[Y]+1，其中，[Y]表示小于Y的最大整数；对第一分支和第二分支进行求解，获取第一分支和第二分支的整数解和最优解。如果第一分支和第二分支不存在整数解，则继续在Z*中选择不符合整数约束条件的第二约束条件YY；将至少一个松弛问题进行分支形成第三分支和第四分支，第三分支新增约束条件YY≤[YY]，第二分支新增约束条件YY≥[YY]+1，其中，[YY]表示小于YY的最大整数；对第三分支和第四分支进行求解，获取第三分支和第四分支的整数解和最优解，由此依次找出所有整数解。可选的，最终找出存在整数解Z对应的分支中最优解最小的分支，并将最小的最优解设置为Z**，如果Z**≥Z，则Z中最小的Z^’对应的第二传输路径即为最小传输时延所对应的传输路径。

也就是说，本发明求原问题的最小化，可以先通过先不考虑原优化问题内的整数变量，找到与原问题相对应的松弛问题B，其中松弛问题B为线性规划问题，用图解法或单纯形法对求得松弛问题B的最优解Z*。若松弛问题B的最优解Z*刚好满足原优化问题的整数解，则该整数解就是原整数规划问题的最优解，否则对原问题进行分枝寻求整数最优解。

分支定界思路如下。首先，分支：在最优解Z*中任意选择一个不符合整数约束条件的Y_i，分别在松弛问题B约束条件中加上约束条件Y_i≤[Y_i]和Y_i≥[Y_i]+1形成两个新的子问题，因为[Y_i]与[Y_i]+1之间无整数，故这两个子集内的整数解必定与原可行解集合整数解一致。对各分支进行求解，判断各分支是否存在整数解，如果存在整数解则可以走向后续流程“定界”，否则继续进行“分支”。其次，定界：找出所有存在整数解所有分支中最优解最小的分支，设其最优解为Z**作为上界，则Z**≥Z。再次，剪枝：若在分支过程中，某个分支的最优解满足整数解要求，但是其最优解大于Z**，则不需要继续分支。最后，重复上述分支、定界、剪枝过程，直到没有新的分支出现，找到最优解Z’，算法结束。

在实操中，还可以向Mesh路由器(或其他计算设备)直接输入源节点、目的节点、最小跳数以及不同档位所对应的传输速率，然后基于本发明的路径选择方法进行求解，通过仿真获取最小传输时延和其对应的最优传输路径。例如，Matlab仿真如下，设目的节点N＝8，数据包大小为L＝1，最大跳数m＝4(即可允许的最多节点个数为5)，最大传输时延T＝1ms。该情况下传输速率表格和其对应的传输时延表格分别建立如下：

表2传输速率表格

注释：节点间能传输数据包的正常计算其对应的传输速率，不能传输的其传输速率设为0。

表3传输时延表格

注释：表3中inf是一个无穷大的数值，仿真时，inf可用一个较大的数据代替，这里设为100。

通过Matlab仿真实验，如图5所示，获取从源节点1传输到目的节点8的最小时延对应的路径为“节点1→节点2→节点4→节点6→节点8”，其对应的最小传输时延为0.1123，最大平均传输速率8.9072。可以看出，通过本发明上述方式，能够实现无线Mesh网络基于最小时延的数据传输，能够实现在最小跳数约束下获取时延最小的传输路径。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.路径选择的方法，其特征在于，包括：

获取源节点的待传输数据包，其中，所述待传输数据包需传输至目的节点；

建立传输时延模型，其中，所述传输时延模型针对所述待传输数据包的传输时延衍生至少一个路由约束条件；

利用分支定界算法对所述传输时延模型求解，输出最小传输时延所对应的传输路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用分支定界算法对所述传输时延模型求解包括：

找到与至少一个路由约束条件相对应的至少一个松弛问题；

利用所述至少一个松弛问题输出最小传输时延所对应的传输路径，其中，所述至少一个松弛问题的最优解是Z*，如果所述Z*是整数解，则所述Z*对应的第一传输路径即为最小传输时延所对应的传输路径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用所述至少一个松弛问题输出最小传输时延所对应的传输路径还包括：

如果所述Z*不是整数解，则在所述Z*中选择不符合整数约束条件的第一约束条件Y；

将所述至少一个松弛问题进行分支形成第一分支和第二分支，所述第一分支新增约束条件Y≤[Y]，所述第二分支新增约束条件Y≥[Y]+1，其中，所述[Y]表示小于Y的最大整数；

对所述第一分支和所述第二分支进行求解，获取所述第一分支和所述第二分支的整数解和最优解。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述第一分支和所述第二分支进行求解还包括：

如果所述第一分支和所述第二分支不存在整数解，则继续在所述Z*中选择不符合整数约束条件的第二约束条件YY；

将所述至少一个松弛问题进行分支形成第三分支和第四分支，所述第三分支新增约束条件YY≤[YY]，所述第二分支新增约束条件YY≥[YY]+1，其中，所述[YY]表示小于YY的最大整数；

对所述第三分支和所述第四分支进行求解，获取所述第三分支和所述第四分支的整数解和最优解。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，找出存在整数解Z对应的分支中最优解最小的分支，并将所述最小的最优解设置为Z**，其特征在于，利用所述至少一个松弛问题输出最小传输时延所对应的传输路径包括：

利用Z**≥Z，则Z对应的第二传输路径即为最小传输时延所对应的传输路径。

6.根据权利要求1所述的方法，建立传输时延模型包括：

建立目标函数，其中，所述目标函数为

所述源节点为1，所述目的节点为N，所述t_i,j为待传输数据包从i节点传输至j节点对应的传输时延，所述x_i,j为通信链路建立因子；

衍生至少一个路由约束条件，其中，所述至少一个路由约束条件包括：

约束条件Y1：

其中，所述待传输数据包大小为L，r_i,j为数据从节点i传输到节点j的传输速率，所述约束条件Y1用于表示所选择的通信链路传输时延；

约束条件Y2：i,j,k∈{1,2,…N}，其中，约束条件Y2用于表示节点i,j,k是节点集合{1,2,…N}中的任意节点；

约束条件Y3：x_i,j∈{0,1}，其中，x_i,j＝1表示数据从节点i传输到节点j的通信链路建立，x_i,j＝0表示节点i到节点j的通信链路不成立；

约束条件Y4：

其中，所述约束条件Y4限制了节点j作为接收节点时，至多只能收到来自一个发射节点发送的信号；

约束条件Y5：

其中，所述约束条件Y5表示节点j作为发射节点时，至多只能向一个接收节点发送信号；

约束条件Y6：

其中，m表示最大跳数值，所述约束条件Y6限制了从源节点1传播到目的节点N可建立链路的最大跳数；

约束条件Y7：

其中，

表示节点j作为接收节点时可建立的所有通信链路之和，

表示节点j作为发射节点时可建立的所有链路之和，所述约束条件Y7限制了数据从源节点1传输到目的节点N的方向性传播。

7.根据权利要求6所述的方法，通过查询传输速率表获取所述r_i,j，其特征在于，建立所述传输速率表：

设置M档分档传输速率，其中，M＝Q-1，所述Q为总节点数量；

基于节点之间跳数增加的方向依次分配递减的分档传输速率。

8.根据权利要求1所述的方法，获取源节点的待传输数据包包括：

获取Mesh网络中源节点的待传输数据包。

9.一种路由器，其特征在于，包括：

处理器，适于实现各指令；以及存储器，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：如权利要求1-8任一所述的路径选择的方法。

10.一种计算机可读的非易失性存储介质，存储计算机程序指令，当所述计算机执行所述程序指令时，执行如权利要求1-8任一所述的路径选择的方法。

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