CN1645863A - 可支持多速率传输的Ad Hoc网络功能层结构及路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可支持多速率传输的移动AdHoc网络功能层结构及路由方法。主要解决现有技术不能有效支持多速率传输或协议开销过大的问题。该方法是通过在节点的网络层和数据链路层之间增设的本地路由子层功能单元，对网络层计算出的路由进行优化，把该路由中包含的每一条低速率的长距离链路分割成多个高速率的短链路，使用这些短链路组成新的路由进行数据发送，以支持多速率传输；同时本地路由子层还要对其内部的本地链路状态表和邻节点状态表进行实时更新，为下一次路由优化提供信息参数。本发明可根据发送数据的长度选择不同路由，既适用于保证链路双向性的Ad Hoc网络，又适用于存在单向链路的Ad Hoc网络。

Description

可支持多速率传输的Ad Hoc网络功能层结构及路由方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别是一种可支持多速率传输的移动Ad Hoc网络功能层结构及路由方法。Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳、临时性自治系统，可用于救灾，野外考察，临时会议等特殊场合。

背景技术

随着信息技术的不断发展，人们对移动通信的需求越来越强。近年来，移动通信技术得到了飞速的发展和普及，蜂窝移动通信系统、无线局域网、蓝牙技术等移动通信技术纷纷涌现。这些技术的出现，极大的方便了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展。

无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类无线网络是需要网络基础设施支持的。典型的例子有基于接入点和有线骨干网模式工作的无线局域网。但是这类的网络部署比较困难。对于某些特殊场合，如军事行动，救灾，野外考察，临时会议等，人们需要一种能够快速部署并自动组网的通信网络，这就是自组织的无线网络。成立于1991年的IEEE802.11标准委员会采用“Ad Hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络。IETF将其称为MANET，即移动Ad Hoc网络。

Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的临时性，任意拓扑结构的自治系统，该移动终端被简称为网络节点或节点。在Ad Hoc网络中，节点的发射功率受到限制，一般不会覆盖到全部范围。当要与其直接通信范围外的节点通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。与普通的网络不同的是，转发数据的任务是由Ad Hoc网络中的每个普通节点完成的，而不需要专用的路由器。即每个网络节点都具有路由器功能，需要运行相应的路由协议，参与数据的转发和路由维护的工作。

根据Ad Hoc的网络特征，参照OSI的经典7层协议栈模型，可以将传统的Ad Hoc网络节点的功能单元划分用图1描述。其中高层代表了从传输层以上的所有功能层，这些功能通常因为节点的用途不同而由所取舍，而下3层的功能是每给节点都要具备的。其中物理层的主要功能包括信道的区分和选择，无线信号的检测、调制/解调、接收/发送等，用于完成这些功能的常用的物理层协议主要有802.11b、802.11a等。链路层的主要功能是，控制移动节点对共享无线信道的访问，常用的链路层协议主要有802.11DCF和PCF等。网络层的功能主要包括拓扑发现、路由选择，数据转发等。目前广泛使用的主流MANET路由协议，如AODV、DSR、DSDV等，都是使用最小跳数作为选择路由的尺度。在传统的单速率工作的网络中，最小跳数路由意味着数据转发过程中的信道占用时间的总和最小，从而在信道利用率和平均数据端到端传输时延等性能方面达到最优。

近年来新提出的很多无线网络标准都有支持多速率的能力，例如802.11a、802.11b、802.11g和HiperLAN2等。它们的物理层都可以使用了不同的编码、调制方式工作，来提供不同的通信速率。通常质量好的信道可以支持使用高速率的调制方式，信道质量下降时则应该使用低速率进行通信。由于AdHoc的应用环境特点，决定了不同网络节点对之间的信道质量不同，而且会随着节点的移动或环境的变化而变化。因此根据信道质量来动态的调整节点的通信速率可以提高传输的成功率和对无线信道的利用效率。

在有基础设施的无线网络即WLAN中，所有的通信都发生在一跳以内。在节点的物理层具备多速率通信能力的条件下，仅仅在数据链路层MAC增加速率切换功能就可以支持多速率通信进行。这样的自动速率MAC协议有：A.Kamerman等人于1997年发表的“A high-performancewireless LAN for unlicensed band”一文中提出的ARF；Gavin Holland等人于2001年发表的“ARate-adaptive MAC Protocol for wireless Networks”一文中提出的RBAR；B.Sadeghi等人于2002年发表的“Opportunistic media access for multirate ad hoc networks”一文中提出的OAR等，它们的特点采用合理的门限，根据当前实际的信道特性，如接收信号强度，误码，误帧记录等，选择合适的速率进行通信。

而在Ad Hoc网络中应用多速率通信时，会给路由选择带来很大的困难。这是由于通信信道的物理特性，无线通信的速率与有效通信距离和以及信号质量之间存在一个内在的折衷关系。长距离的通信必须使用较低的速率，而高速率的通信则只能在短距离内发生。例如：由长距离的链路组成的路由可以用更少的跳数到达目的节点，但是其成员链路必须工作于低速率。而短的链路可以使用高速率进行通信，但由它们组成的路由需要更多跳才能到达目的节点。因此在选择路由时必须综合考虑速率与跳数等因素。

现有的主流Ad Hoc路由协议，如DSR、AODV、DSDV等，并不能有效支持多速率通信，主要是因为它们是基于最小跳数原则来选择路由。使用这些标准时，路由中的每个节点都倾向于选择在最大传输范围内尽可能远的节点作为下一跳转发节点，最终生成的路由中主要包含速率较低的长距离链路。在这个路由上发送数据的节点将没有机会使用高速率进行通信，从而无法发挥多速率传输能力。

近年以来有一些的支持多速率传输的路由协议被提出，如：Xiao-Hui Lin等人于2003年发表的“On Channel-Adaptive Routing in IEEE 802.11b Based Ad Hoc Wireless Network”文章中提出的RICA；和Shiann-Tsong Sheu等人于2002年发表的“MR/sup 2/RP：the multi-rate and multi-rangerouting protocol for ad hoc wireless networks”文章中提出的MR2RP等。它们的基本思想是根据链路质量和可达到的传输速率，给每一条链路安排一个于速率成反比的链路权值尺度，然后再根据最小链路权值和的原则来选择路径。其中，RICA协议使用按需的方式工作，依靠发送路由探测和路由应答消息来探测路由，但是这种方法不能保证探测到的是最小代价路由。由于路由探测消息使用泛洪方式发送，以及重复接收检测机制的存在，每个节点只转发探测消息一次，而丢弃后续的探测消息，很多的路由探测过程因此被终止，其中有可能包含实际的最优路由。另外，在协议的执行过程中还需要周期性地向全网广播CSI-Checking消息，造成网络开销增加。MR²RP协议中，需要获得全网络的链路状态矩阵，以及每个节点的数据到达率和节点内等待传输的数据帧数量等信息。而在实际应用中获取这些信息需要交换大量的网络开销，非常难于在分布式网络中实现。

另外，RICA、MR²RP两种协议还有一个共同的缺点是：给链路安排链路权值时没有考虑物理层固定的开销时间，也没有考虑需要传送的数据大小的影响，使用这样的尺度选择路由并不合理。实际上，在大多数的物理层帧传输过程中，存在前导码和低速率物理帧头的传输时间；在数据链路层MAC还有可能存在退避时间和握手过程的开销时间等，因此仅仅考虑信道速率作为设置链路权值依据的方法并不合理。使用这样的反比链路权值安排，在选择链路时会出现偏差，例如，认为10跳11Mbps链路组成的路由优于单个1Mbps链路，这不符合事实。使用这样的路由传输数据时，会恶化总的传输时延和信道利用效率。

发明的内容

本发明的目的是提供一种易于实现、扩展性强，且可支持多速率传输的Ad Hoc网络功能层结构及路由方法，以解决现有技术不能有效支持多速率传输和协议开销过大的问题。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的技术原理是：根据无线信道的传输特性，当发送节点的发送功率不变时，接收节点接收到的功率与两者之间的距离的n次方(n＞2，典型值为4)成反比。而在现有的多传输速率的调制方案中，接收机正常工作所需要的信噪比近似地是随着传输速率地增加而线性增长。以Lucent ORiNOCO PC卡的性能说明为例，数据传输速率为11Mbps时，接收机正常工作所需的接收门限比1Mbps时的接收门限高16倍。因此把一条长距离链路分割成多跳的短距离链路时，可能获取总体传输速率上的提升。例如，当传播损耗指数为4时，在一条长度为d的1Mbps链路中央设置一个额外的中继节点，把它变为2个d/2长度的短链路，则每条短链路的传输速率可以提高11倍。如果不考虑传输过程中的开销时间，那么与使用长链路直接传送数据的方案相比，沿着这两条短链路组成的路由传送数据，总的传输速率能提高11/2＝5.5倍。

根据上述原理，本发明对传统的Ad hoc网络功能层划分进行改进，即在网络层和数据链路层之间增设本地路由子层；该本地路由子层中设置有本地链路状态表和邻节点状态表，用于记录小范围内的网络拓扑信息；该本地路由子层中还固化有本地路由子层的路由软件，用于完成本地网络拓扑信息的更新、本地路由计算、以及数据转发工作。

本发明所提出的Ad Hoc网络路由方法是：通过在节点的网络层和数据链路层之间增设的本地路由子层功能单元，对网络层根据最小跳数原则计算出的路由进行优化，把该路由中包含的每一条低速率的长距离链路分割成多个高速率的短链路，使用这些短链路组成新的路由，进行数据传输。在进行数据发送工作时，本地路由子层以优化后的路由为参数，组成源路由方式的本地路由子层帧头，把该帧头加入到数据帧的网络层帧头和链路层帧头之间，然后将数据帧以及下一跳本地中继节点的地址交给链路层和物理层进行发送。此外，本地路由子层还要负责对其内部的本地链路状态表和邻节点状态表进行实时更新，为下一次路由优化提供新的信息参数。

上述方法中对网络层计算出的路由进行优化的过程是：首先，本地路由子层接到从网络层送来的网络层数据帧和下一跳网络层中继节点地址后，以数据长度和本地链路状态表中记录的链路速率信息为参数，为本地链路状态表中的每条链路设置一个媒体时间尺度MTM权值，同一链路传送不同长度的数据时，对应不同的链路权值；然后，本地路由子层使用所有的链路权值，构造一个加权的网络连接矩阵，并使用最短路径算法，计算出一条由多个短距离成员链路组成的本地路由。

上述方法中，本地路由子层对其内部的本地链路状态表进行实时更新的方式有两种：一是根据节点通过监听网络中的数据发送活动获取的链路状态信息，修改链路状态表的内容，该监听过程是由本地路由子层和物理层配合完成；二是根据网络节点之间通过交换本地路由层专用拓扑维护消息获取的链路状态信息，对本地链路状态表进行更新操作，该专用拓扑维护消息包括：本地路由更新通知消息LRUN、本地链路失败通知消息LLEN。

上述方法中，本地路由子层设置邻节点状态表的目的是为了检测某个邻节点与本节点之间的链路是否为单向链路。对该表进行实时更新的方式为：当节点首次监听到某个邻节点进行数据发送时，本地路由子层在邻节点状态表中增加一条记录，此时默认本节点与该邻节点之间的链路是双向链路；当本节点与某个邻节点之间的链路进行单播通信时，如果连续失败超过一定次数后，便判定本节点与该邻节点之间的链路是单向链路，本地路由子层将修改该邻节点在邻节点状态表中对应的记录；当节点与原来被判断为单向状态邻节点之间成功进行了一次单播通信，或检测到来自该邻节点信号质量发生明显改善时，便判定本节点与该邻节点之间的链路已经恢复了双向通信的能力，本地路由子层在邻节点状态表中把该邻节点的状态恢复为双向状态。

本发明提出的Ad Hoc路由方法有以下优点：

1.与传统的最小跳数路由方法相比，由于本发明提出的Ad Hoc路由方法能够更有效的支持网络的多速率传输能力，因而能够提高网络吞吐量和减少平均数据端到端传输时延。

2.与本说明书中提到的其它支持多速率传输的路由方法相比，本发明提出的Ad Hoc路由方法在实施过程中所产生的开销数量很少，这是由于以下几个原因：首先，该方法是对最小跳数路由中的每一跳进行优化，节点仅需要获取小范围内的网络链路状态信息，便可以进行优化路由的计算；其次，在获取小范围内网络链路状态信息的过程中，充分的利用了节点的监听功能获取网信息，减少了发送专用网络拓扑维护消息的需求；第三，由于本地路由优化是以按需方式进行，本地路由维护消息的产生也是使用条件触发方式，因此网络节点不需要周期性的发送任何维护消息，当网络处于稳定状态，并且所有的本地路由已经被发现后，路由开销可以减少到零。

3.与本说明书中提到的其它支持多速率传输的路由方法相比，本发明提出的Ad Hoc路由方法在计算路由代价时考虑了数据长度的因素，能够根据发送数据的长度选择不同路由。

4.与本说明书中提到的其它支持多速率传输的路由方法相比，本发明提出的Ad Hoc路由方法由于使用了链路方向性检测机制，而适用于存在单向链路的网络中。

5.该路由方法还具有易于实现的优点，这是由于本方法中新增加的功能，如本地路由计算和本地网络拓扑更新，都是在本地路由子层中进行，没有对网络层和链路层做任何改动。

附图说明

图1是Ad Hoc网络传统功能层结构图

图2是本发明的Ad Hoc网络功能层结构图

图3是本发明节点发送数据帧格式图

图4是Ad Hoc网络的拓扑示意图

图5是本发明路由方法产生的路由图

图6是不同数据长度条件下本发明路由方法产生的平均路由跳数图

图7是不同数据长度条件下本发明路由方法产生的平均数据传输时延图

图8是不同业务量条件下本发明路由方法可达到的平均网络通过量图

图9是不同业务量条件下本发明路由方法产生的平均数据传输时延图

具体实施方式

一.本发明的路由方法概述

现有的主流Ad Hoc路由协议，如DSR、AODV、DSDV等，并不能有效支持多速率通信，主要是因为它们是基于最小跳数原则来选择路由。最终生成的路由中主要包含速率较低的长距离链路。在这个路由上发送数据的节点将没有机会使用高速率进行通信，从而无法发挥多速率传输能力。

本发明提出的方法是，对最小跳数路由的的每一条成员链路进行优化，将长距离低速率的链路分割成由多条短距离高速率链路组成的链路集合。当数据沿着由这些短链路组成路由传送时，等效的总传输速率比在相应的长距离链路上直接进行数据传输所能达到的传输速率更高。

为了能够实现上述方案，同时又不对传统的网络层做太大改动，本发明对传统的Ad hoc网络功能层划分进行了改动，在网络层和数据链路层之间增设本地路由子层，如图2所示。该本地路由子层中设置有本地链路状态表和邻节点状态表，并固化有本地路由子层的路由软件。其中本地链路状态表和邻节点状态表用于记录小范围内的网络拓扑信息，为计算本地路由提供必要的信息参数；本地路由子层的路由软件执行本地网络拓扑信息的更新、本地路由计算、以及数据转发工作。

本地网络子层与网络层配合工作，网络层功能与传统功能层划分方式中的网络层相同，即在全网范围内，收集并维护网络拓扑信息，为被发送的数据计算出一条从信源节点到信宿节点的路由，并沿着计算出的路由转发数据。网络节点可以通过运行现有的基于最小跳数准则的MANET路由协议，例如AODV、DSR、DSDV等，来实现这一功能。为了描述方便，在本文中，将网络层计算出的路由称为广域路由，把广域路由中包含的中继节点称为广域中继节点。

本发明的路由方法，增加了本地路由优化的功能。即在数据从信源节点到信宿节点的传送过程中，对网络层以最小跳数准则计算出的广域路由进行逐段优化，具体说就是：在信源节点和每个广域中继节点处，这些节点的本地路由子层负责计算出一条由多个高速率的短距离链路组成的优化路由，用来代替本节点到下一跳广域中继节点之间的低速率直接链路进行数据发送，以减少在相邻广域中继节点之间发送数据时总的时间消耗。为描述方便，本文中把本地路由子层计算出的路由称为本地路由，把本地路由中包含的中继节点称为本地中继节点。

二.本地路由子层功能的具体实现

本地路由子层的主要功能包括三部分：本地路由计算、拓扑信息更新、数据转发，分别介绍如下：

(一)本地路由计算

为了选择一条本地路由替代一对广域中继节点之间的直接链路进行数据传输，必须有一个判断路由优劣的标准。通常的做法是根据一定的规则为每条链路安排一个合适的权值，也可以称为代价，然后根据所有链路权值总和最小的原则选择路由。

一些支持多速率传输的路由协议完全根据传输速率为链路安排权值。例如RICA和MR²RP中，设置链路权值时只考虑了信道速率，认为信道的占用时间与信道的速率完全成反比。而实际上，这种方法并不合理。以802.11b的帧交换过程为例，开销时间主要由包括：控制帧的传输时间，随机退避时间。一个数据发送过程典型情况下要经过4个MAC帧交换，即RTS、CTS、DATA、ACK。其中很多时间内都是采用1Mbps速率进行帧发送的，例如：RTS和CTS通常使用基本速率1Mbps传送。另外DATA和ACK的物理层帧头以及帧前导码也同样使用1M速率传输。因而这部分的传输时间消耗为常数，与实际的链路速率无关，媒体占用时间不会简单地与信道速率成反比关系。

从上面的分析中可以看出，由于存在约为固定长度的开销时间，在发送不同长度的数据时，采用更高速率发送所能取得的性能收益是不同的。因此，给各条链路安排权值安排中应该考虑数据大小的影响，即同一条链路在传送不同大小的数据时应该动态的安排不同的链路权值。为此，本发明采用媒体占用时间MTM为尺度来选择路由，为每个链路安排的权值是发送数据过程中信道占用时间的期望值，这是一种考虑了数据大小因素的动态设置方法。一条路由的总代价是该路径中的所有链路权值之和。选择总代价最小的路由，便能够保证沿着该路由发送数据时，总的信道占用时间最小化，从而提高网络的吞吐量，和减少数据传输的端到端时延。本文提出的路由方法，原理上可以应用于不同的支持多速率的低层协议。本发明为了解释协议运行过程和编写仿真程序的方便，规定网络中的节点使用802.11b协议进行通信。计算链路MTM权值所需的重要物理层、链路层参数见表1：

                         表1  物理层、链路层参数设置

        物理层帧头前导码及物理帧头传输时间T_PHY             192us

        RTS帧的传输时间T_RTS                                352us

        CTS帧的传输时间T_CTS                                304us

        ACK帧的长度L_ACK                                    112bit

        DATA帧的MAC帧头长度L_MAC                            272bit

        Sifs帧间隙的长度T_sifs                              10us

        Difs帧间隙的长度T_difs                              50us

        Backoff平均时长T_backoff                             310us

链路的信道速率为R_link，传输长度为L_data的高层数据时，按照公式：

T_MTM＝T_RTS+T_CTS+T_DATA+T_ACK+3*T_sifs+T_difs+T_backoff计算出相应的链路权值，式中T_DATA与T_ACK，分别是数据帧和应答帧的传输时间，它们的值与实际传输速率有关。按照上述公式计算出一次数据发送过程中总的的媒体占用时间为：T_MTM＝1430+(484+L_data)/R_link             (1)

本地路由子层选择的本地路由的工作原理为：在所有网络节点都要维护局部范围内的网络拓扑信息。在每个节点内都有一个本地链路状态表，记录着本节点即传输范围内的邻节点间的链路速率信息。当需要计算本地路由时，首先根据发送数据的大小和链路的通信速率，按照公式(1)为每一条链路设置合适的权值，然后通过使用最短路径算法，例如Dijkstra算法，为一对相邻的广域节点计算出一条最小代价的路由，即所有成员链路的权值之和为最小的路由。数据在此路由上可以使用高速率发送，与在广域中继节点对之间直接交换数据的方案相比，能获得更好时延特性和信道利用率。

(二)拓扑信息更新

1.本地链路状态表的结构和更新方式

为了记录局部范围内的网络拓扑信息，每个节点的本地路由子层要建立一个本地链路状态表，简称为LLST。该表是用于记录本地路由子层探测到的本节点周围局部网络范围内的网络拓扑信息，它为本地路由计算提供必要的信息参数。表中的每一条记录对应与网络中一条实际的链路，该记录包括链路始节点地址、链路终节点地址、链路速率、建立时间等4个信息域。其中“链路速率”是指该链路双向可用的最大通信速率，“建立时间”是指最后一次更新本条记录的时刻。

本地链路状态表的更新过程主要有以下几个方面：

1)通过监听发现新的链路时，将在自己的本地链路状态表中增加相应的链路的记录。如果该链路在链路状态表中已经有了记录，则根据本次监听获取的链路信息修改表中的相应的信息域。

2)节点之间通过交换本地路由子层专用的拓扑维护消息，也可以获取链路状态信息，并根据这些信息对本地链路状态表进行增加、修改或删除记录等操作。这些消息有：本地路由更新通知消息LRUN；本地链路失败通知消息LLEN。

3)本地链路状态表中的每条记录都有生存时间限制，网络节点会周期性的检查自己的链路状态表中每条记录的建立时间，如果发现某条链路的记录长时间没有得到刷新而导致超时，则删除该记录。

在本地链路状态表的更新过程中，通过监听获取的链路状态信息的工作可以由下面两个协议层来负责进行：

1)本地路由子层。本发明的路由方法在传送的数据帧中加入携带链路状态信息的本地路由子层帧头，其它节点在监听到该数据后，它们的本地路由子层负责解析帧头，获取链路状态信息；

2)物理层。当节点监听到某个邻节点进行过发送，便认为本节点和发送节点之间存在一条新的通信链路，通过判断接收信号质量，如信噪比、信号强度、误比特率、误符号率或误帧率等，可以估计出该链路所能够提供的最大通信速率。在一个包含非对称链路的无线网络中，使用物理层的监听功能获取的链路信息实际上只是单向的，因此使用这种方法存在链路认知的单向性。为了消除这些不利影响，本发明提出的路由方法中使用了链路双向性检测技术。

在本地链路状态表的更新过程中，本地路由子层利用了数据帧的本地路由子层帧头和两个专用的拓扑维护消息来获取网络拓扑信息，它们的结构和功能如下：

1)本地路由子层帧头结构

本地路由子层在发送数据时，会在该数据帧的链路层的帧头和网络层帧头之间新增加一个本地路由子层帧头。它由消息类型，帧头长度，本地路由的总代价、本地源节点地址、本地目的节点地址、各个本地中继节点地址、各条成员链路的速率等信息域组成。其格式如图3所示。

本地路由子层帧头采用这种结构，其目的是提供一种通过监听而获取网络拓扑的手段。即在数据沿着本地路由发送的过程中，在这条路由附近的一些邻节点会监听到该数据，通过分析数据的本地路由子层帧头，监听节点可以获取这条本地路由中的所有成员链路的速率信息，并据比对本节点的本地链路状态表进行更新。

2)本地路由更新通知消息LRUN

该消息携带了一条从本地路由源节点到本地路由目的节点的路由信息，它由消息类型，帧头长度，本地路由的总代价、本地源节点地址、本地目的节点地址、各个本地中继节点地址、各条成员链路的速率等信息域组成。结构与本地路由子层帧头相似，但是消息的产生方式和接收节点对消息的处理方式不同。

在数据从本地路由起始节点向本地路由终止节点传送的过程中，该本地路由附近的一些邻节点会监听到该数据帧。监听节点通过分析数据的本地路由子层帧头，可以获取这条本地路由的起始节点地址和终止节点地址，该本地路由的总代价，以及正在进行传送的数据长度等信息。如果某个监听节点，根据自身的本地链路状态表中的信息，能够计算出另外一条从上述的本地路由起始节点到终止节点的最小代价路由，且该路由满足以下条件：

a..新路由的总代价，即新路由中的成员链路的权值之和小于目前正在被使用的本地路由的代价；

b.监听节点本身是该新路由中的一个中继节点，则该监听节点将启动一个随机延时的定时器，在定时器超时之后，该监听节点向本地路由的起始节点发送一个本地路由更新通知消息LRUN，通告这条新发现的路由。源节点以及所有能够监听到该消息的节点，在收到该消息后，将这条消息中包含的所有成员链路信息加入自己的本地链路表LLST中，用于以后的路由计算。这里加入随机延时的目的是，防止多个邻节点被发送LRUN消息，造成网络拥塞。

将LRUN发送给本地路由起始节点时，按照新计算的本地路由的反方向进行发送。保证该信息能够安全传送到源节点是非常重要的，否则源节点将继续使用原来的路由发送数据，从而导致邻节点被连续触发进行LRUN发送，造成带宽浪费。因此，该消息使用有应答机制的逐段转发的方式发送，应答机制可以由数据链路层来提供。

3)本地链路错误通知消息LLEN

由于物理信道的变化和节点的移动等因素，导致通信链路质量不断变化，进而导致现有的本地路由不可用，或不再是最佳路由。LLEN消息用于及时发现网络中的这些变化。

某个本地中继节点在转发数据数据或LRUN消息的过程中，如果发现到达下一跳本地中继节点的链路不能工作，或实际的链路速率达不到本地路由子层帧头或LRUN消息中所指示的该链路的速率，则本节点发送一个LLEN消息给引起问题的数据帧的本地路由起始节点或LRUN消息的发起节点。LLEN消息中携带了出现错误的中继链路及其实际速率等信息。该消息的接收节点和所有能够监听到该消息的邻节点，会修改或删除自己的链路状态表中出错的链路所对应的记录项。

2.邻节点状态表的结构和更新方式

每个网络节点中，本地路由子层还建立有一个邻节点状态表，简称为NST，表中存放本节点与邻节点之间的链路方向性信息。表中的每一条记录对应了一个邻节点，该邻节点是由本节点通过物理层监听而发现的。每一条记录都包括邻节点、链路速率估计值、链路方向性、建立时间等4个信息域组成。其中，链路速率估计值是根据本节点接收到的来自该邻节点信号的质量而计算出的链路最大可用速率。该表用于检测本节点与邻节点之间的链路的双向性。

传统的路由协议通常认为底层的通信信道是双向的，但在实际的网络中，由于发射功率和地理位置等因素的影响，可能存在单向信道。而现有的主流Ad Hoc链路层通信协议如802.11等，由于采用了链路层应答机制，需要在双向链路上才能进行通信。如果在路由计算过程中选择了单向链路，将会造成链路层的应答机制无法正常工作。

为了消除这些不利影响，本发明的路由方法中使用了链路双向性检测机制，具体方法是，在邻节点状态表中记录本节点与所有邻节点之间的链路方向性信息，如果发现某条链路为单向链路，则在本地链路状态表中删除该链路的记录，以消除计算出的本地路由中包含有该单向链路的可能性。

本地路由子层对邻节点状态表的更新方式为：

当本节点首次监听到邻节点发送数据，即自己的邻节点状态表NST中还没有该节点的记录，则在该表中为该邻节点增加一条记录此时默认本节点与该邻节点之间的链路是双向对称；并在本地链路状态表中LLST中为该链路创建一条记录，表示进行路由计算时可以使用该链路。

当本节点与某个邻节点进行单播通信，连续失败超过一定次数后，本地路由子层修改该邻节点在邻节点状态表NST中的对应的记录，将它的“链路方向性”设置单向状态，表示本节点与该邻节点间无法进行双向通信；同时在本地链路状态表LLST中删除该链路对应的记录项，以消除本地路由计算时选中该链路的可能性。

如果在邻节点状态表NST中已经有了某个邻节点的记录，则当本节点再次监听到来自该邻节点的信号时，需要根据接收信号质量重新估计该邻节点到本节点的链路可以达到的最大传输速率。本地路由子层将其与邻节点状态表NST中，该邻节点对应的信道速率记录进行比较，如果当前估计的链路新速率不同于记录中前一次的链路速率估计值，则表示信道质量可能发生了重大变化，此时进行以下判断操作：

a.如果邻节点状态表NST中，该邻节点对应记录中的“链路方向性”信息域的值是双向，则本地路由子层将对应记录项的“链路速率估计值”域的值改为新的速率估计值；同时修改LLST表中对应的链路记录，将链路速率设置也为新速率值；

b.如果邻节点状态表NST中，该邻节点对应记录中的“链路方向性”信息域的值是单向，则近一步判断新链路速率估计值是否比旧值高。如果是，则表明信道质量获得改善，信道有可能恢复了双向通信的能力，本地路由子层修改NST表中该邻节点对应的“链路速率估计值”为新速率值，并将“链路方向性”的值修改为双向；同时在LLST表中新增加一条本节点到该邻节点的链路记录项。

当本节点与原来被判断为单向状态的邻节点之间成功进行了一次单播通信，便判定本节点与该邻节点之间的链路已经恢复了双向通信的能力，本地路由子层在NST表中把该邻节点对应记录中的“链路方向性”域值恢复为双向；并在LLST表中增加一条链路记录。

以上的每一种事件都修改NST表中的相应记录的“建立时间”域，NST表中的每条记录都有生存时间限制，本地路由子层周期性的检查每条记录的建立时间，如果发现某条链路的记录长时间没有得到刷新而导致超时，则删除该记录。

使用上述的方法，可以及时发现处于单向状态的链路，并禁止单向链路参与路由计算过程。具体的说，由于在本地链路状态表中已经清除所有单向链路对应的记录；本地路由计算是以本地链路状态表提供的链路信息为基础进行的，因此可以保证计算出的本地路由都由双向链路组成。

3.本发明的拓扑信息更新方式的优点

如1中所述，本发明的路由方法在计算本地路由时需要以本地链路状态表中记录的的链路速率为参数。本地路由子层进行拓扑信息更新的目的就是获取这些链路速率信息。

使用传统的链路状态路由方法，显然是可以达到上述目的。但传统的链路状态路由方法中，每个节点需要获取全网络范围内所有链路的状态信息。而在全网范围内交换链路信息会导致交换的数据量非常多，路由开销占用的网络带宽资源巨大，并且随着网络节点数目N的增加，需要维护的链路数目以与N平方成正比的趋势增加，导致链路状态路由协议无法应用于大规模的网络。

本发明提出的路由方法，可以将网络拓扑的维护工作问题简化。这是因为对广域路由的优化是逐段进行的。节点在进行本地路由计算时，仅需要以本节点邻近范围内的链路速率为参数，而不必理会此范围之外的网络拓扑信息。即本发明中，网络拓扑信息更新过程是局部化的，这会大大减少用于拓扑交换的路由开销所占用的网络带宽资源。我们以图4来说明这个问题，图中节点S和节点D是广域路由中两个相邻的广域中继节点，两个虚线圆分别表示这两个节点使用最低传输速率时可以达到的最大传输范围。如果在这两个节点之间加入新的中继节点，且保证节点S和节点D通过使用这个节点进行数据转发，能够达到更高的数据传输速率，则必定要求该中继节点的与S节点以及与D节点之间的链路传输速率都大于节点S和节点D之间的直接链路的传输速率，即本地中继节点与S、D节点间的距离小于两节点的直接距离。在本例中，两个圆相交区域内的节点才有可能作为本地中继节点，只要能够获取节点S、D、A、B、C之间链路信息，就可以计算出S、D之间本地路由，而维护此范围之外的其它链路的信息是没有必要的。

网络拓扑信息更新过程的局部化带来的另一个好处是，节点可以更有效的利用监听功能来获取本节点周围的局部范围内的链路状态信息。从图4中可见，与本地路由计算有关的节点都在相互的监听范围内，节点可以通过监听邻节点的通信过程获得足够的网络拓扑信息，而极大地减少由于发送专用的本地路由子层拓扑维护消息所带来的开销。

(三).数据转发过程

传统的路由方法中，在获取信源和信宿节点之间的广域路由后，数据的发送会沿着该路由进行，只有广域中继节点会参与数据的转发工作。而在本发明的路由方法中，数据转发工作需要网络层和本地路由子层共同参与来完成，数据的发送是沿着由多段本地路由组成的优化路由进行的，除了广域中继节点外，本地中继节点也参与数据转发过程。具体的数据转发过程及各个中继节点内的处理过程如下：

信源节点在进行数据发送时，需要网络层和本地路由子层共同参与，即源节点的高层产生数据后，首先将数据递交网络层处理；网络层按照最小跳数原则为该数据计算出一条广域路由，并把高层数据组装成特定结构的网络层数据帧，然后将该其以及下一跳广域中继节点的地址递交给本地路由子层；信源节点的本地路由子层，计算出从本节点到达该广域中继节点的一条本地路由，并以计算出来的本地路由为参数，构造一个源路由方式的本地路由子层的帧头，增加到数据帧的网络层帧头之前，组成本地路由子层数据帧；然后将该数据帧其以及下一个本地中继节点的地址递交给链路层和物理层，发往指定的该本地中继节点。

当数据传送到某个本地中继节点处，该节点的网络层不参与转发数据的处理过程。并且由于数据在本地路由上发送时采用了源路由的方式，本节点的本地路由子层不再为该数据帧计算本地路由，而只需要从接收到的数据帧的本地网络子层帧头中读取下一跳本地中继节点地址，再将数据帧以及该本地中继节点的地址递交给本节点的链路层和物理层，进行发送。

当数据传送到某个广域中继节点处，路由选择过程也需要网络层和本地路由子层共同参与，这与信源节点中的处理过程类似；即首先由网络层为该数据指定下一跳广域中继节点的地址，再由本地路由子层计算出从本节点到达该广域中继节点的一条本地路由，并构造一个源路由方式的本地路由子层的帧头，增加到数据帧的网络层帧头之前，组成本地路由层数据帧结构；然后将该其以及下一个本地中继节点的地址递交给链路层和物理层，将数据发往本地路由子层指定的下一个本地中继节点。

以上过程可依照图5来说明，图中的SRC和DST节点分别为数据源节点和接收节点，黑色节点代表使用网络层计算出的路由中的转发节点，即广域中继节点，它周围的虚线圆代表该节点的最大传输范围。相邻广域中继节点之间的直接链路是广域路由的一条成员链路，通常只能支持低速率通信，图中使用黑实线表示。如果仅使用广域路由进行数据传输，转发过程为SRC-WR1-WR2-DST。而经过本地路由子层对广域路由进行逐段优化后，在节点SRC、WR1、WR2处，会进行路由优化的工作，即这些节点的的本地路由子层计算出一条本地路由来代替本节点到下一跳广域中继节点之间的直接链路，进行数据发送。其中节点SRC计算出的本地路由为SRC-LR1-LR2-WR1，节点WR1计算出的本地路由为WR1-LR3-WR2，节点WR2计算出的本地路由为WR2-LR4-DST，信源节点SRC向信宿节点DST发送数据时，实际的数据转发过程变为SRC-LR1-LR2-WR1-LR3-WR2-LR4-DST，即沿着虚线所示的路径进行。

三.本发明的实际效果：

为了评估本发明的效果，我们使用NS-2仿真工具进行了两个场景的仿真。附图6-9中给出了仿真结果。

(一)节点模型简介

本发明的路由方法理论上可以支持任意多的可变速率集，为了方便说明和仿真程序的编写，这里设链路层采用RABR变速率机制，物理层采用的是802.11b，它可以提供四种可用速率1M、2M、5.5M、11M。有关发射机和接收机的性能参数，我们引用的Lucent ORiNOCO PC卡的性能说明。发射机的发射功率为15dbm假设系统的损耗为12db，使用这些参数以及双线传播模型计算出来的最大传输距离见表2：

                          表2  物理层参数设置

                速率               接收门限           传输距离

                11Mbps             -82dbm             200m

                5.5Mbps            -87dbm             265m

                2Mbps              -91dbm             335m

                1Mbps              -94dbm             400m

另外，由于本发明的路由方法中，本地路由子层需要与网络层配合工作，我们选定DSR作为其中网络层的路由方法。

(二).仿真说明

1.仿真场景一：

50个节点被放置在1500*300m的平整地域内，第0号节和第49号节被分别被放置在(0，150)和(1500，150)坐标处，其余节点则随机放置。每次仿真时间持续480秒，在仿真过程中所有节点不运动。节点0以1数据包/秒的频率发送不同长度的数据给节点49，仿真结果取10次仿真过程的平均值。我们统计的性能尺度为：1)数据到达目的前的平均转发次数；2)平均端到端时延；3)不同速率的链路被使用的比例。

图6中和图7为仿真结果，每个图中有两条曲线，分别对应于两种路由方法，第一种是传统的DSR路由方法，第二种是本发明的路由方法。

图6是不同数据长度条件下本发明路由方法产生的平均路由跳数图，其中横坐标为发送数据的长度，纵坐标为数据从信源节点到信宿节点的传输过程中被转发的总次数，即路由的总跳数。从图6中可以看到，本发明的路由方法确实可以针对不同的数据长度选择不同的路由。在发送长数据时，本发明的路由方法倾向于选择由传输距离短并且传输速率高的链路组成的路由，因此数据需要经过更多次的链路转发才能到达目的节点。而在发送短数据时，本发明的路由方法倾向于选择由传输距离长、传输速率低高的链路组成的路由，因此数据经过较少次数转发，便能到达目的节点。当数据长度小于512比特时，我们看到本发明的路由方法与传统DSR路由方法所选择的路由完全相同。

图7是不同数据长度条件下本发明路由方法产生的平均数据传输时延图，其中横坐标为发送数据的长度，纵坐标为数据从信源节点到信宿节点的传输过程中的平均时延。从图7我们可以看到，在任何数据长度的条件下，本发明的路由方法进行数据传输时，得到的数据端到端传输时延性能都优于或等于使用DSR路由协议所能达到的性能。时延减少的的比例同样与数据长度有关，在数据长度为16384比特时，时延大约减少为使用传统DSR路由方法时的一半；而在数据长度为512比特以下时，两者性能完全相同。

以上的仿真结果反映了本发明的路由方法的优点，即可以针对不同的数据长度选择不同的路由，并且保证所选择的路由在时延特性上一定会比传统的最小跳数路由更好。这是由于，本地路由子层在计算本地路由的时候，使用的是媒体占用时间MTM尺度，能自动适应传输数据的长度，保证计算出的本地路由是总传输时间最小的路由。

本仿真中还统计了使用本发明的路由方法所得到的路由中包含各种速率链路的比例，其结果见于表3中。作为对比，首先给出使用传统DSR路由方法所得到的路由中，各种速率链路所占的比例，分别为：1M链路所占比例为59％，2M链路所占比例为27.2％，5.5M链路所占比例为8.3％，11M链路所占比例为5.5％，这些值不随数据长度而变化。

       表3  本发明的路由方法得到的路由中各种速率链路的比例

        数据长度  1M链路所  2M链路所  5.5M链路    11M链路

        (比特)    占比例    占比例    所占比例    所占比例

        256       59％      27.2％    8.3％       5.5％

        512       59％      27.2％    8.3％       5.5％

        1024      50.6％    23.6％    14.2％      11.6％

        2048      33.3％    22％      18.5％      26.2％

        4094      14％      19.8％    30.1％      36.1％

        8192      0         11.3％    43.2％      45.5％

        16384     0         7.1％     44.5％      48.4％

从表3中可以看到，与传统的DSR路由方法相比，本发明的路由方法在传送长度较大的数据时，能够有效地利用节点的高速率通信能力，到达降低数据平均传输时延的目的。

2.仿真场景二：

网络范围与第一个场景相同。但所有节点的初始位置都随机放置，选用20个节点作为发送节点，向随机选定的目的节点发送1024字节长度的数据，节点的发送速率作为仿真参数。我们对比DSR路由和本发明的路由方法的性能。统计的性能尺度为：1)网络通过量；2)平均端到端时延。

图8和图9显示了仿真结果，每个图中有两条曲线，分别对应于两种路由方法，第一种是传统的DSR路由方法，第二种是本发明的路由方法。

图8是不同业务量条件下本发明路由方法可达到的平均网络通过量图，其中横坐标为网络中承载的业务量，纵坐标为网络可以达到的通过量。图8中显示，使用传统DSR路由的方法时，业务量为每80数据/秒时网络达到饱和状态，此时的网络的通过量为77.8数据/秒。而使用本发明的路由方法时，业务量为每120数据/秒时网络才达到饱和状态，此时的网络的通过量为106.85数据/秒，比使用DSR路由方法时高出37.3％。

图9是不同业务量条件下本发明路由方法产生的平均数据传输时延图，中横坐标为网络中承载的业务量，纵坐标为数据传输的平均时延。图9中显示，与传统DSR路由的方法相比，在相同的业务量条件下，本发明的路由方法能够降低平均数据端到端时延。

Claims (10)

1.一种可支持多速率传输的Ad Hoc网络功能层结构，包括高层、网络层、本地路由子层、数据链路层、物理层，其特征在于在网络层和数据链路层之间增设本地路由子层；

该本地路由子层中设置有本地链路状态表和邻节点状态表，用于记录小范围内的网络拓扑信息；

该本地路由子层中还固化有本地路由子层的路由软件，用于完成本地网络拓扑信息的更新、本地路由计算、以及数据转发工作。

2.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络功能层结构，其中本地链路子层设置的本地链路状态表中包含多条记录，每条记录包括：链路始节点地址、链路终节点地址、链路速率、建立时间4个信息域，且每条记录对应一条链路。

3.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络功能层结构，其中本地链路子层设置的邻节点状态表中，记录有本节点与邻节点之间的链路方向性信息，每条记录包括：邻节点地址、链路速率估计值、链路方向性、记录建立时间四个信息域。

4.一种可支持多速率传输的移动Ad Hoc网络路由方法，是通过在节点的网络层和数据链路层之间增设的本地路由子层功能单元，对网络层计算出的路由进行优化，把该路由中包含的每一条低速率的长距离链路分割成多个高速率的短链路，使用这些短链路组成新的路由，进行数据发送；同时本地路由子层还要对其内部的本地链路状态表和邻节点状态表进行实时更新，为下一次路由优化提供信息参数。

5.根据权利要求4所述的移动Ad Hoc网络路由方法，其中对网络层计算出的路由进行优化的过程如下：

(1)本地路由层接到从网络层送来的网络层数据帧和下一跳网络层中继节点地址后，以数据长度和本地链路状态表中记录的链路速率信息为参数，为本地链路状态表中的每条链路设置一个媒体时间尺度MTM权值，同一链路传送不同长度的数据时，对应不同的权值；

(2)用所有的链路权值，构造一个加权的网络连接矩阵，并使用最短路径算法，计算出一条由多个短距离成员链路组成的本地路由。

6.根据权利要求4所述的移动Ad Hoc网络路由方法，本地链路子层使用由短链路组成的新路由，进行数据发送的过程是：本地路由子层以新计算出的本地路由为参数，组成源路由方式的本地路由子层帧头，把该帧头加入到数据帧的网络层帧头和链路层帧头之间；然后将数据帧以及下一跳本地中继节点的地址交给链路层和物理层进行发送。

7.根据权利要求4所述的移动Ad Hoc网络路由方法，其中本地路由子层对其内部的本地链路状态表进行实时更新的方式有两种：

1)本地路由子层根据节点通过监听网络中的数据发送活动获取的链路状态信息，修改链路状态表的内容，该监听过程是由本地路由子层和物理层配合完成；

2)本地路由子层根据网络节点之间通过交换本地路由子层专用拓扑维护消息获取的链路状态信息，对本地链路状态表进行更新操作，该专用拓扑维护消息包括：本地路由更新通知消息LRUN、本地链路失败通知消息LLEN。

8.根据权利要求4所述的移动Ad Hoc网络路由方法，其中本地路由子层对其内部的邻节点状态表进行实时更新的方式为：

当节点首次监听到某个邻节点进行数据发送时，本地路由子层在邻节点状态表中增加一条记录，此时默认本节点与该邻节点之间的链路是双向链路；

当本节点与某个邻节点之间的链路进行单播通信时，如果连续失败超过一定次数后，便判定本节点与该邻节点之间的链路是单向链路，本地路由子层将修改该邻节点在邻节点状态表中对应的记录；

当节点与原来被判断为单向状态的邻节点之间成功进行了一次单播通信，或检测到来自该邻节点信号质量发生明显改善时，便判定本节点与该邻节点之间的链路已经恢复了双向通信的能力，本地路由子层在邻节点状态表中把该邻节点的状态恢复为双向状态。

9.根据权利要求5所述的移动Ad Hoc网络路由方法，其中媒体时间尺度MTM权值为数据传输时间与开销时间之和，该开销时间包括物理层帧头传输时间、链路层握手过程的开销时间和竞争接入过程中的退避时间。

10.根据权利要求6所述的移动Ad Hoc网络路由方法，其中本地路由子层帧头包含消息类型、帧头长度、本地路由的总代价、本地源节点地址、本地目的节点地址、各个本地中继节点的地址、各条成员链路的速率等信息域。

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