CN1738292A - 基于跨层设计的自组网定向路由方法 - Google Patents

Abstract

基于跨层设计的自组网定向路由方法，属于无线自组网技术领域。本发明由跨层设计的路由查找和路由维护两个步骤构成。跨层设计方法包括“节点－方向”表的建立和使用；网络层、介质访问控制子层和物理层的跨层交互协同；对分组发送方向的按需控制。采用按需原则进行路由查找和路由维护；并根据控制分组的广播/单播要求，在广播中采用全向发送，在单播中采用定向发送。本发明能够减少隐藏终端引起的分组碰撞和暴露终端引起的不必要等待，有利于提高信道带宽利用率，提升网络性能；跨层交互协同主要在MAC层和物理层之间进行，影响的层面少，实现起来简单可靠；采用按需路由协议有利于节省开销，提高效率。本发明适用于无线自组网、传感器网络、无线局域网、无线接入等应用场合。

Description

基于跨层设计的自组网定向路由方法

技术领域

本发明属于使用自组网技术的领域，如无线自组网络、传感器网络、无线局域网、无线接入等，特别是涉及到无线自组织互联网的路由技术。

背景技术

自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络中的终端节点在网络中可任意移动，网络拓扑结构变化频繁。每个用户节点都兼有路由器和终端两种功能。便携式移动节点通常依靠电池提供能量，发射功率有限，有时需要多跳转发实现通信。在同频共享无线信道上工作时，多跳转发引起的隐藏终端和暴露终端等问题，会降低分组传送成功率，浪费可用带宽。自组网的节点需要运行各种面向用户的应用程序和相应的路由协议，并根据路由策略和路由表完成数据分组的转发和路由维护工作，故要求节点采用合适的路由协议。自组网路由协议的设计和优化需要考虑网络的移动性、能量受限、带宽有限和较高的误比特率等特征，在处理网络的快速变化带来的影响的同时提高网络性能，满足用户业务对网络传输的要求。

传统的自组网路由协议的设计和优化方法，多是在网络层内对协议的运行机制、路由参数的选取上进行考虑，有些方法在选择具体的路由机制和参数时也考虑了用户业务的不同要求，但由于这些设计和优化方法仅对路由协议进行层内优化，没有考虑下面MAC层(介质访问控制子层)和物理层的情况，因而在性能表现上受到了局限。因为MAC层的信道接入状况和物理层的信号收发状况直接影响到上层路由协议的性能，例如端到端时延、吞吐率等指标，如果MAC层和物理层的支持有限，无论路由协议如何完善，它们都有可能达不到要求。因此，保持路由协议的基本机制不变，既考虑上层用户业务的具体要求，又结合下面MAC层和物理层的实际情况的跨层设计方法被提出。

跨层设计的基本思想是：在传统的网络分层架构中，不同层之间操作的屏蔽影响了层内操作的优化，降低了严格按照分层思想来设计的软件的效率；因此，在协议的设计中，维持层间分离的同时，放松对分层结构的严格要求，允许不同层的协议共享网络的状态信息，并在操作中互相协同，便成为一条可行的思路。网络状态信息的跨层共享和操作的跨层协同，有利于层内和层间操作的优化，会为网络的整体性能，如运行效率、安全协作和能量管理等，带来巨大促进。

现有的基于跨层设计的自组网路由方法有：

(1)DCR DCR(Dynamic codeword routing，动态码字路由)基于无线自组网中存在的这样一种事实：由于无线信道的广播特性和MAC层接入算法中广泛使用的4次握手机制，任何距离小于3跳的路由都会发生相互影响，DCR参考信号编码理论中的“调制信号的星座距离越远，可得到的信噪比越大”规律，类推得到“如果网络中的路由相距足够远，跨层干扰的影响可以被克服”的观点，并据此建立了“码字”(codeword)路由模型以减少路由之间潜在的跨层干扰。这种路由可以减少路由之间可能发生的跨层干扰，但对于MAC层和物理层之间的跨层信息共享和协同操作没有涉及，也没有考虑同频共享无线信道上的隐藏终端和暴露终端问题。参见文献Dynamic codeword routing(DCR)：a cross-layer approach for performanceenhancement of general multi-hop wireless routing Yue Fang；McDonald，A.B.；Sensorand Ad Hoc Communications and Networks，2004.IEEE SECON 2004.2004 FirstAnnual IEEE Communications Society Conference on 4-7Oct.2004Page(s)：255-263所述。

(2)DRP DRP(Directional RoutingProtocol，定向路由协议)是一个应用于无线自组网的按需定向路由协议，它在路由和MAC层之间采用了跨层协同操作。DRP以DSR为基础，在物理层采用了定向天线，信号既能全向发射，也能定向发射；它的主要组成部分包括：有效的路由发现机制、定向路由和路由表的建立和维护、新的路由修复机制。在性能上DRP较DSR有了提升。但由于DRP借鉴了DSR的许多机制，而且在定向广播和跟踪节点位置方面加入了一些算法，因此在具体操作上较复杂，而且可扩展性方面也因为源路由的原因受到了一定影响，参见文献A cross-layerapproach for designing directional routing protocol in MANETs Gossain，H.；Joshi，T.；Cordeiro，C；Agrawal，D.P.；Wireless Communications and Networking Conference，2005 IEEE Volume 4，13-17 March 2005 Page(s)：1976-1981所述。

(3)CORB CORB(Cross-layer Optimized Routing for Bluetooth personal area network，蓝牙个域网跨层优化路由)是为蓝牙个域网设计的跨层优化路由协议，因为无线自组网与蓝牙个域网同属多跳无线网，所以它在无线自组网中也可应用。CORB以无线自组网中的AODV路由协议为基础，为满足QoS保障的要求和适应蓝牙MAC层的具体情况而对路由选择机制进行了扩展：用新的负载机制(Load Metric，LM)取代了传统的跳数机制，并根据无线信道的情况动态地调整LM和一些MAC参数的值。由于只在路由的选择机制上做改进，而没对下面的MAC层和物理层进行优化，如隐藏终端和暴露终端问题等并未涉及，因此优化的效果会因下层支撑的瓶颈效应而受影响。参见文献Cross-layer optimized routing for Bluetooth personal area networkLeping Huang；Hongyuan Chen；Sivakumar，T.V.L.N.；Sezaki，K.；13th InternationalConference on Computer Communications and Networks，2004.ICCCN 2004.Proceedings.2004 Page(s)：155-160所述。

现有的基于跨层设计的路由方法存在计算和实现较复杂的问题，对于MAC层和物理层之间的跨层信息共享和协同操作涉及不多，对无线同频共享信道中存在的隐藏/暴露终端问题没有有效的解决方法，而且在路由建立和维护过程中将带来附加通信开销，对节点的能量保护考虑得也比较少。为此，我们将提出一种基于跨层设计的实用新型自组网定向路由方法，以解决现有算法的上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于跨层设计的实用新型自组网定向路由方法，降低自组网中基于跨层设计路由方法的计算和实现的复杂程度，改善无线同频共享信道中存在的隐藏/暴露终端问题，减少路由建立和维护过程中的附加通信开销，提高自组网路由协议的效率，提高端到端时延、吞吐率等网络性能。

本发明中采用定向通信机制改善无线同频共享信道隐藏/暴露终端问题的原理：

(1)定向通信对隐藏终端问题的改善

如图1所示，假设：网络节点A、B、C的通信半径相同，均为R，0＜|AB|＜R，0＜|BC|＜R，|AC|＞R；A向B发送的同时C向D发送；以C为极坐标原点，水平向右为极坐标轴方向，建立极坐标系；设BC与极坐标轴的夹角为β，0≤β＜2π；C全向发送时，它的发送角度覆盖范围为α＝[0，2π]；C定向发送时，它的发送角度覆盖范围为γ＝[a，b]，a、b∈R⁺，0≤a＜b＜2π。于是有：

A→B发送且C全向发送时，在B发生分组碰撞的概率为P_o＝P{β∈α}。

∵0≤β＜2π，α＝[0，2π]，∴P{β∈α}＝1，P_o＝1。

又：A→B发送且C定向发送时，在B发生分组碰撞的概率为P_D＝P{β∈γ}。

∵0≤β＜2π，γ＝[a，b]，∴ $P\{\mathrm{\β}\∈\mathrm{\γ}\}=\frac{(a-b)}{2\mathrm{\π}};$

∵0≤a＜b＜2π，∴0＜(a-b)＜2π， $0<\frac{(a-b)}{2\mathrm{\&pi;}}<1\&DoubleRightArrow;P_D=P\{\mathrm{\&beta;}\&Element;\mathrm{\&gamma;}\}<1.$

∴P_D＜P_o，说明分组碰撞在C定向发送时的概率小于C全向发送时的概率。

特例：(1)若A→B发送时C→B发送，或者CD与CB同向，则有β∈γ，P{β∈γ}＝1，P_D＝P_o，说明都往B发时始终都会碰撞，无法改善。(2)另一种极端情况，若a＝b，即定向区域缩小为一直线，如无线光收发，则有γ＝0，P_D＝P{β∈γ}＝0，P_D＜P_o，始终都不会碰撞。

上述内容证明了定向通信机制能改善隐藏终端引起的分组碰撞问题

(2)定向通信对暴露终端问题的改善

如图2所示，假设：网络节点A、B、C、D的通信半径相同，均为R，0＜|AB|＜R，0＜|BC|＜R；B向A发送信息时，C欲向D发送信息；以B为极坐标原点，水平向右为极坐标轴方向，建立极坐标系；设CB与极坐标轴的夹角为β，0≤β＜2π；B全向发送时，它的发送角度覆盖范围为α＝[0，2π]；B定向发送时，它的发送角度覆盖范围为γ＝[a，b]，a、b∈R⁺，0≤a＜b＜2π。于是有：

B→A全向发送时，C不能发送的概率为P_o＝P{β∈α}。

∵0≤β＜2π，α＝[0，2π]，∴P{β∈α}＝1，P_o＝1。

又：B→A定向发送时，C不能发送的概率为P_D＝P{β∈γ}。

∵0≤β＜2π，γ＝[a，b]，∴ $P\{\mathrm{\&beta;}\&Element;\mathrm{\&gamma;}\}=\frac{(a-b)}{2\mathrm{\&pi;}};$

∵0≤a＜b＜2π，∴0＜(a-b)＜2π， $0<\frac{(a-b)}{2\mathrm{\&pi;}}<1\&DoubleRightArrow;P_D=P\{\mathrm{\&beta;}\&Element;\mathrm{\&gamma;}\}<1.$

∴P_D＜P_o，说明C不能发送的概率在B定向发送的时候小于B全向发送的时候。

特例：(1)若B→A发送时BC与BA同向，则有β∈γ，P{β∈γ}＝1，P_D＝P_o，说明BC、BA同向时，暴露终端问题无法改善。(2)另一种极端情况，若a＝b，即定向区域缩小为一直线，如无线光收发，则有γ＝0，P_D＝P{β∈γ}＝0，P_D＜P_o，始终都不会出现暴露终端问题。

上述内容证明了定向通信机制能改善暴露终端引起的信道资源浪费问题。

基于跨层设计的自组网定向路由方法，其特征是，它由路由发现和路由维护两个阶段步骤构成，所述路由发现阶段步骤负责为数据分组寻找路由，主要包括源节点及中间节点向全网全向广播路由请求分组过程、目的节点及中间节点收到路由请求分组后向源节点及中间节点定向单播路由答复分组过程和建立路由表项过程；所述路由维护阶段步骤负责转发数据分组并在路由中断时修复路由，主要包括数据传输过程和路由中断时的路由修复过程；所述路由发现阶段步骤和路由维护阶段步骤均使用了跨层设计的方法。

所述路由发现阶段步骤和路由维护阶段步骤使用的跨层设计方法包括“节点-方向”表的建立和使用；网络层、介质访问控制子层和物理层的跨层交互协同；对分组发送方向的按需控制。

所述“节点-方向”表包括节点地址、节点方向和有效期三个字段，节点地址由介质访问控制子层从帧头中获取，节点方向值从物理层跨层获得，有效期值从网络层跨层获得，介质访问控制子层在发送单播帧之前先在“节点-方向”表中查找方向值，查到就定向发送，否则全向发送；

所述网络层、介质访问控制子层和物理层的跨层交互协同包括物理层的智能天线获取信息发送节点方向值后共享给介质访问控制子层，介质访问控制子层根据分组的单播或广播形式控制物理层的智能天线采用定向或者全向方式发送分组，网络层将路由表中的有效期字段值共享给介质访问控制子层作为“节点-方向”表的有效期字段值；

所述对分组发送方向的按需控制包括介质访问控制子层控制物理层的智能天线使用定向方式发送查到了方向值的单播分组，使用全向方式发送广播分组或未查到方向值的单播分组。

一、路由发现

当源节点s有数据分组要发送而又没有到目的节点d的路由时，源节点起动路由发现阶段步骤。路由发现阶段步骤负责为数据分组寻找路由，主要包括源节点及中间节点向全网全向广播路由请求分组、目的节点及中间节点收到路由请求分组后向源节点定向单播路由答复分组和建立路由表项三个步骤。

1)、全向广播路由请求分组：源节点采用全向发送的方式向邻居节点广播一个路由请求分组以寻找目的节点；邻居节点收到该路由请求分组后，继续用全向发送的方式广播该路由请求分组直至目的节点；

2)、定向单播路由答复分组：目的节点(或保存有通往目的节点路由的中间节点)收到该路由请求分组后，生成路由答复分组，并采用定向发送的方式，向最先发给它路由请求分组的邻居节点单播路由答复分组；收到路由答复分组的中间节点，继续采用定向发送的方式，向最先发给它路由请求分组的邻居节点单播路由答复分组，直至源节点收到该路由答复分组；

3)、建立路由表项：在收发路由请求分组和路由答复分组的过程中，源节点、中间节点和目的节点都会根据已知的信息建立相应的路由表项，从而意味着路由发现步骤的完成。

二、路由维护

路由维护阶段步骤的主要包括数据传输过程和路由中断时的路由修复过程。具体步骤如下：

1.数据传输过程

1)、通过路由发现阶段步骤找到所需路由后，源节点根据找到的路由，向通往目的节点的下一跳节点定向单播数据分组；

2)、中间节点收到数据分组后，查路由表找到去往目的节点的再下一跳节点，向该节点定向单播数据分组；

3)、目的节点收到该数据分组，确认自己是目的地后，不再转发，而是把分组中数据内容提取出来，转交节点的上层；

2.路由中断时的路由修复过程

1)、使用路由的过程中，如果某个中间节点(以下简称修复节点)发现与下一跳的链路中断时，由它启动路由修复过程；

2)、修复节点发起一个路由发现过程以寻找目的节点，具体方式与路由发现阶段的操作相似；

3)、若成功找到目的节点，则沿路各节点重新建立通往目的节点的路由；

4)、若未找到目的节点，修复节点则采用定向发送的方式，采用定向发送方式，向源节点单播一个路由错误分组；

5)、源节点收到该路由错误分组后，得知原路由已中断，便在重新寻找路由和不作处理中选择一种方式进行操作。

本发明的创新之处在于

在现有的自组网路由方法的路由发现阶段步骤中，无论是广播路由请求分组还是单播路由答复分组，都是采用的全向发送的方式，在同频共享的无线信道中，全向发送方式容易产生隐藏终端和暴露终端问题，导致分组碰撞和节点不必要的等待，造成带宽浪费；而且全向发送方式消耗较多的能量，不利于节点的能量保护。而本发明改变单一的全向发送方式，代之以按需定向发送方式，根据实际情况的不同，在广播中采用全向发送方式，而在单播中采用定向发送方式。这样，既能保证网络传输的效果，又能减少分组碰撞和节点不必要的等待，提高带宽利用率，改善隐藏终端和暴露终端问题；同时，因为定向发射需要的功率小于全向发送，所以还能促进节点的能量保护。其实质是在路由发现阶段步骤中，根据控制分组的广播/单播要求，采用按需定向发送的方式，既保证了通信效果，又改善了隐藏终端和暴露终端问题，提高了带宽利用率，还起到了节约节点能量的作用。

在路由维护阶段的数据传输过程中，数据转发全部采用定向单播的发送方式；在路由修复过程中，控制分组的发送采用按需定向的方式，广播分组全向发送，单播分组定向发送。

对信号方向的处理步骤如下：

本发明对信号方向的处理体现了跨层信息共享和协同设计的思想，以信号方向为内容，成功地实现了MAC层与物理层的跨层交互协同。无论在哪个阶段，网络中的节点在接收其它节点发来的无线信号时，都要使用智能天线以确定信号来波的方向，并把此参数上传给MAC层，MAC层根据该参数和收到的MAC帧中的源节点的MAC地址，建立一张“节点-方向”表，表中的MAC地址与方向参数一一对应，并另有一表项记录有效期，有效期的设置通过跨层信息共享的方式从网络层获得，超过有效期的表项会被删除。当节点需要定向发送数据时，便在MAC层查“节点-方向”表，获得方向参数并交给物理层作为定向发送的方向。如果没查到方向，则采用全向方式发送。

本发明与其他自组网路由方法相比，具有以下优点：

1.采用定向方式发送单播分组，既能成功地实现分组传输，又能减少隐藏终端引起的分组碰撞和暴露终端引起的不必要等待，提高信道带宽利用率，提升网络性能。

2.采用定向方式发送单播分组，节点发射时可以使用更小的功率，能够节约能量，有利于节点的能量保护。

3.采用全向方式发送广播分组，操作简单，有利于实现广播的功能。

4.按需定向发送方式具有很大的灵活性，适合在动态变化的网络环境中采用。

5.跨层交互协同主要在MAC层和物理层之间进行，影响的层面少，实现起来简单可靠。

6.采用按需路由协议，没有周期性的控制分组全网广播，只在需要时才发起路由发现过程，有利于节省开销，提高效率。

附图说明

图1为定向通信对隐藏终端问题的改善示意图。

图2为定向通信对暴露终端问题的改善示意图。

图3为基于跨层设计的自组网定向路由方法的步骤示意图。

图4为基于跨层设计的自组网定向路由方法的路由发现过程的步骤示意图。

图5为基于跨层设计的自组网定向路由方法的路由维护过程的步骤示意图。

Claims (5)

1、基于跨层设计的自组网定向路由方法，其特征是，它由路由发现和路由维护两个阶段步骤构成，所述路由发现阶段步骤负责为数据分组寻找路由，主要包括源节点及中间节点向全网全向广播路由请求分组过程、目的节点及中间节点收到路由请求分组后向源节点及中间节点定向单播路由答复分组过程和建立路由表项过程；所述路由维护阶段步骤负责转发数据分组并在路由中断时修复路由，主要包括数据传输过程和路由中断时的路由修复过程；所述路由发现阶段步骤和路由维护阶段步骤均使用了跨层设计的方法。

2、根据权利要求1所述的基于跨层设计的自组网定向路由方法，其特征是，所述路由发现阶段步骤和路由维护阶段步骤使用的跨层设计方法包括“节点-方向”表的建立和使用；网络层、介质访问控制子层和物理层的跨层交互协同；对分组发送方向的按需控制。

3、根据权利要求2所述的基于跨层设计的自组网定向路由方法，其特征是，所述“节点-方向”表包括节点地址、节点方向和有效期三个字段，节点地址由介质访问控制子层从帧头中获取，节点方向值从物理层跨层获得，有效期值从网络层跨层获得，介质访问控制子层在发送单播帧之前先在“节点-方向”表中查找方向值，查到就定向发送，否则全向发送；

所述网络层、介质访问控制子层和物理层的跨层交互协同包括物理层的智能天线获取信息发送节点方向值后共享给介质访问控制子层，介质访问控制子层根据分组的单播或广播形式控制物理层的智能天线采用定向或者全向方式发送分组，网络层将路由表中的有效期字段值共享给介质访问控制子层作为“节点-方向”表的有效期字段值；

所述对分组发送方向的按需控制包括介质访问控制子层控制物理层的智能天线使用定向方式发送查到了方向值的单播分组，使用全向方式发送广播分组或未查到方向值的单播分组。

4、根据权利要求1或2所述的基于跨层设计的自组网定向路由方法，其特征是，所述路由发现阶段步骤主要包括以下三个步骤：

1)、全向广播路由请求分组：源节点采用全向发送的方式向邻居节点广播一个路由请求分组以寻找目的节点；邻居节点收到该路由请求分组后，继续用全向发送的方式广播该路由请求分组直至目的节点；

2)、定向单播路由答复分组：目的节点收到该路由请求分组后，生成路由答复分组，并采用定向发送的方式，向最先发给它路由请求分组的邻居节点单播路由答复分组；收到路由答复分组的中间节点，继续采用定向发送的方式，向最先发给它路由请求分组的邻居节点单播路由答复分组，直至源节点收到该路由答复分组；

3)、建立路由表项：在收发路由请求分组和路由答复分组的过程中，源节点、中间节点和目的节点都会根据已知的信息建立相应的路由表项，从而意味着路由发现步骤的完成。

5、根据权利要求1或2所述的基于跨层设计的自组网定向路由方法，其特征是，所述路由维护阶段步骤的主要包括数据传输过程和路由中断时的路由修复过程；

所述数据传输过程包括以下步骤：

1)、通过路由发现阶段步骤找到所需路由后，源节点根据找到的路由，向通往目的节点的下一跳节点定向单播数据分组；

2)、中间节点收到数据分组后，查路由表找到去往目的节点的再下一跳节点，向该节点定向单播数据分组；

3)、目的节点收到该数据分组，确认自己是目的地后，不再转发，而是把分组中数据内容提取出来，转交节点的上层；

所述路由中断时的路由修复过程包括以下步骤：

1)、使用路由的过程中，如果某个中间节点(以下简称修复节点)发现与下一跳的链路中断时，由它启动路由修复过程；

2)、修复节点发起一个路由发现过程以寻找目的节点，具体方式与路由发现阶段的操作相似；

3)、若成功找到目的节点，则沿路各节点重新建立通往目的节点的路由；

4)、若未找到目的节点，修复节点则采用定向发送的方式，向源节点单播一个路由错误分组；

5)、源节点收到该路由错误分组后，得知原路由已中断，便在重新寻找路由和不作处理中选择一种方式进行操作。

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