CN1878134A - 一种Ad hoc网络的时延约束多路路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ad hoc网络的时延约束多路路由方法，本发明首先建立一种适用于Ad hoc网络的时延受限多路路由网络模型，然后提供了一种Ad hoc的时延约束多路路由方法(ADMRSC)，最后提供了一种业务量的分配方法。本发明充分利用已有的链路信息构造多条链路不相关的满足时延约束的多路路由，从中选取相对稳定的多条路径合理分配带宽，并发业务量。本发明给出了ADMRSC的描述分析，并通过离散事件仿真工具OMNET++仿真结果验证了该方法的可用性和有效性。

Description

一种Ad hoc网络的时延约束多路路由方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地讲是一种Ad hoc网络的时延约束多路路由方法。

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发展和普及。蜂窝移动通信系统、无线局域网、蓝牙技术、家庭无线网等移动通信新技术也纷纷涌现。信息技术推动着军事领域的变革，出现了信息战等新的作战理论和新的作战方式，未来的战争将是信息的战争，未来的战场将是数字化的战场。未来的数字化战场将包括武器和武器平台、指挥和控制系统、传感器以及后勤支援系统四个部分。而这四个部分最终要通过数字化通信网络连接起来，所以有效的通信网络将成为克敌制胜的重要基础。所有部队，无论是大型战略部队还是小型的步兵分队，无论是前方作战部队还是后勤支援部队都必须装备合适、有效的通信网络设备。Ad hoc是数字化战场的支撑，部队更加依赖信息联接而不是地理或物理上的连接。Ad hoc网络是基于TCP/IP协议，采用无线路由器互联的自动化通信网络，可在整个作战区域横向和纵向传输数据，可以利用移动子网连接上下梯队。Ad hoc网不同于一般军用网络，也不同于民用互联网，它支持多种业务服务，具有很高的灵活性，同时具备抗毁性、安全性、移动性等特点。

Ad hoc的特点及这些特殊应用需求(抢险救灾等)已成为当前无线网络应用的热点之一。由于Ad hoc网络自身的移动性，传输处理资源有限以及难以实施有效管理等特性，其对路由算法提出了更高的要求。高效的路由协议不仅应该对网络拓扑结构的快速变化做出反应，而且能够保持少量的控制消息以节约系统的资源(带宽，能量等)。当前在Internet上的业务类型已经很丰富了，从传送数据到传送语音、视频信息等。当Ad hoc网络出现时，人们也很自然地有了在Ad hoc网络上传送不同类型业务的需求，并且希望Ad hoc网络能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障。然而，与固定的有线网络不同，在Ad hoc网络中，无线链路的带宽相对较低，移动节点的内存、能源等资源都相对受限。因此，如何合理地、有效地利用无线网络的资源，以得到更好的数据传输性能，进而为多媒体业务的服务质量提供保障，就成了一个十分突出的问题。

与单跳、蜂窝模型不同，Ad hoc网络中无线节点之间需要多跳的无线连接。所以在Ad hoc网络中，不仅要考虑单跳情况下的QoS保证，还要保证整个无线多跳路径上的QoS。以前有关分组无线网的研究努力没有完全解决这个问题。另外，由于Ad hoc网络本身的一些特点，已有的一些固定网络中的QoS支持的方法也不能照搬过来，必须加以适当的改造才能应用。

Ad hoc网络QoS支持的第一个难点在于网络资源是受限的。Ad hoc网络的一个特点是一般采用无线信道，信道带宽较窄，并且无线信道质量不稳定，容易受到干扰。后者可以通过使用更强的编码方法、提高信号发射功率、或选择其他路径等方法解决。然而，信道质量问题的解决通常会造成网络中的进一步拥塞。更强的编码会导致带宽减少；选择其他路径会增加其他节点的负载；增大功率会增加分组碰撞的概率。这些情况都会造成网络进一步拥塞。

Ad hoc网络QoS支持的第二个难点在于信道访问存在竞争。因为无线信道是广播共享形式，多数自组网的无线信道访问机制都是随机访问的，而且Ad hoc网络无法避免存在隐藏终端、暴露终端等问题。因此，引入大量控制分组的解决方案不能被Ad hoc网络所接受，因为这样会带来碰撞的增加，获得信道访问机会的概率变小，结果会降低系统的整体效率。Ad hoc网络拓扑结构的动态变化也给QoS支持带来了很大困难。要消除或减轻网络拓扑结构变化对服务质量的影响需要MAC层的相应支持以及路由协议能够快速生成新的路径。

在Ad hoc网络中由于拓扑的变化以及带宽的限制，因此对路由算法的要求比较高，像AODV及DSR等Ad hoc协议由于其路由成本低而获得很大的认同，但这类按需路由都是在单路径的基础上提出的。由于移动Ad hoc快速变化以及资源的有限。如何在尽量短的时间内准确地路由就显得非常重要，而多路径算法在解决这个问题上显得非常有效，所谓多路径路由是指通过一定的约束规则，在网络中找出到目的节点的多条路径，然后运用一定的策略进行路由在Ad hoc网络中。当前的多路径路由的策略主要分为两类：第一类是对单路径路由的补充，它的主要思想是多路径作为当前路径的备选路径，当前路径断裂后，从多路径中选出一条最佳路径继续进行路由，优点是不需要重新进行路由发现。第二类是真正意义上的多路径路由。负载在选出的多条路径之间合理地分配，从而达到快速路由的目的。在Ad hoc网络中多路径路由是很有效的。首先Ad hoc网络中的带宽有限。通过多路径可以减少在带宽方面的限制，其次由于网络拓扑的动态变化，采用多路径能快速传输数据，防止路径的断裂。

以下为多路径算法与单路径算法的比较：

1、能加快传输速度，减少延时在多条路径之间分配资源进行传输其传输性能明显优于单路径。

2、防止断裂，增加稳定度。单路径中如果路径断裂，传输将失败，必须重新进行路由发现。多路径算法中当有路径断裂时，其它路径可以照常传输！可以将资源进行重新分配给稳定的路径继续传输而不用重新进行路由发现。

3、有利于负载平衡，单路径的缺点是很容易造成一条路径的使用过密。过于拥塞而多路径算法却可以有效地解决这一问题。能使负载平衡分布。

4、减少对带宽的要求″资源在多条路径之间分配，能有效地减少对带宽的限制。

发明内容

本发明的目的是为了在Ad hoc网络中尽可能的找到多条满足时延受限的多路路由，更好的满足在Ad hoc网络中多媒体业务对时延的需求，而提供一种Ad hoc网络的时延约束多路路由方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方案是：首先建立一种适用于Ad hoc网络的时延受限多路路由网络模型，这种时延受限多路路由网络模型很好的描述了Ad hoc网络在采取多路路由时的模型状态。

对于路径P＝s→i→j→...→k→t，有如下定义：

1)路径最大频宽bandwidth(P)＝min{b_si，…，b_kt}

2)时延约束：D_p(s，t)≤D.

3)链路稳定参数： $\mathrm{LLP}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{rx}-\left|\mathrm{XY}\right|}+\frac{1}{\mathrm{ry}-\left|\mathrm{XY}\right|}}\×\mathrm{\β},$

然后提出了一种Ad hoc的时延约束多路路由方法(ADMRSC)，这种方法基于经典AODV协议，增加了时延受限的QoS参数，同时很好的充分利用了最稳的无线链路中的带宽。通过方法选择出多条满足时延需要的多条路由，极大的提高了路由的可行性与稳定性。

最后提出了一种业务量的分配方法，其方法是：当有带宽需求的请求包到达某个节点i，节点i根据这种分配策略 $B=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i$ 来分散带宽，以满

足链路上的带宽需要。

本发明这种Ad hoc的时延约束多路路由方法(ADMRSC)，充分利用已有的链路信息构造多条链路不相关的满足时延约束的多路路由，从中选取相对稳定的多条路径合理分配带宽，并发业务量。本发明给出了ADMRSC的描述分析，并通过离散事件仿真工具OMNET++仿真结果验证了该方法的可用性和有效性。

附图说明

附图为本发明路由发现过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明首先提供一种适用于Ad hoc网络的时延受限多路路由网络模型：

Ad hoc网络表示为带权图G(V，E)，其中，V为Ad hoc网的移动节点集，E为节点间能互相通信的双向链路集。在Ad hoc网络中E是动态变化的。

对于link(i，j)∈E，链路link(i，j)的状态信息包括：可用带宽(既剩余带宽)bij和路径的延时累积t₁.....t_n；最大时延约束为D；对于任意给定的路径P(s，t)，再假设有一条路径P＝s→i→j→...→k→t，则定义：

1)路径最大频宽：bandwidth(P)＝min{b_si，…，b_kt}

2)时延约束：D_p(s，t)≤D.

3)链路稳定参数：

$\mathrm{LLP}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{rx}-\left|\mathrm{XY}\right|}+\frac{1}{\mathrm{ry}-\left|\mathrm{XY}\right|}}\×\mathrm{\β}---\left(1\right)$

其中rx，ry分别是x，y节点的功率发送距离，|XY|是x，y两节点的路离，β是加权系数。LLP越大，链路越稳定。本发明采用GPS定位，各个节点获得各自的位置，速度信息。各个邻居节点根据本发明提出的上述公式来计算稳定参数LLP。

假设每一个节点都具有邻点发现协议，每一个节点会周期性地传送HELLO包，来确定它有那些邻点，本发明令V中某一节点i的邻点所形成的集合为V_i。再假设每一个节点都有介质存取控制(MAC)协议，负责在无线网中控制传输媒介的使用和支持资源保留，而且对于其服务范围内之广播信息，它会将不是传送给它的包丢弃，而将传送给它的包接收下来。

本发明在引入了这种Adhoc网络的时延受限的多路路由网络模型之后，本发明基于经典AODV协议提出了一种Ad hoc的时延约束多路路由方法(ADMRSC)，目的为了尽可能的找到多条满足时延受限的多路路由。

当源节点需要一条通向目标节点的路径时，它就启动多路路由发现过程。整个多路路由获取的按照以下步骤，见附图。

A、各个节点开始初始化，在HELLO_INTERVAL时间内发送HELLO包给邻居节点。其中HELLO包中传输了邻居节点经公式(1)计算出的链路稳定值LLP。

B、源节点初始化路由请求信息(RREQ)。初始化用来记录经过的路径列表(Rlist)，用收集该路由中的链路最长生存期(LLP)，用来携带业务的这里考虑的是时延请求(Relay_Request)。

C、源节点发送广播路由请求信息RREQ给相邻节点。

D、接收到的节点是中间节点而不是信宿节点，否则转G，当中间节点第一次收到一个RREQ，否则转F。中间节点从RREQ中读取时延值请求(Relay_Request)，与自身的报文处理时限node_delay做比较，若node_delay值大于RREQ中(Relay_Request)，结点将丢弃该RREQ报文，否则转E。

E、将RREQ报文的Relay_Request减去node_delay值设为remain_delay，把remain_delay存入节点的反向路由表，同时把remain_delay赋值给Relay_Request做为下一个节点的请求，还要将自己的地址记录到该RREQ分组中的路径列表(RList)，将该节点与上个节点链路间的LLP记录到该RREQ分组中的LLP中，继续转发更新后的RREQ分组。

F、如果中间节点再次收到来自同一源点的别的节点转发的RREQ分组，按E计算出remain_delay后。如果这次的remain_delay大于或等于上次的remain_delay(从反向路由表中读出)的话，就更新这次RREQ中相应的Relay_Request、LLP、Rlist，再转发该RREQ分组。

G、接收节点是信宿节点，如果是第一个到达信宿的RREQ分组，否则转H。信宿节点将RREQ中的整条路径的记录Rlist，记录在自己的反向路由表条目中，将RREQ中的LLP项记录到RREP中，同时RREP中增加了一项延时累积时间(Relay_Count)，指的是报文到达中间结点或到达发出RREQ报文的源结点时累加的传输时间。把RREP按反向路由路径转发给源结点。

H、信宿节点接收是后面到来的RREQ分组。将该RREQ分组中所记录累积路径与信宿节点中的反向路由表已有的条目相比较，选出链路不相关(也就是在多路路由中没有一条链路共用)的路径记录在反向路由表中。相对于这个RREQ分组，按G构造相应的RREP分组，把这个RREP分组按反向路由表回复给源结点。

I、当源结点收到多个RREP之后(RECEIVE_TIME时间之内)，这样便建立起了对信宿的链路不相关的多路路由。

本发明这样建立好的多路由路由已经满足了时延需求的QoS需要，在源结点发送数据时，本发明采用业务量分配策略来优化带宽分配。因为ADMRSC可能同时找到多条路由，如果利用这多条路由来同时分配业务量必然会极大提升无线带宽的利用率，因此本发明提出一个业务量分配的方法如下：

A、根据所收到的的各RREP中LLP_i，其中l＝＜i＜＝n，n是信宿点返回共n条链路。收集成一个链路稳定参数{LLP₁，LLP₂，...，LLP_n}，LLP的值越大说明是较稳定的路由。

B、返回的各个RREP中还带有各个路径的延时累积t₁.....t_n，各条路径的延时累积值反映了各个路径上的负荷情况。因此使用延时累积做为权值来进行带宽分配是有依据的，负荷小的链路分配多些数据，负荷大的分配小些。

C、本发明定义e_i＝LLP_i/t_i，e_i是权值，代表的是路径生命周期LLP_i与路径延迟累积的t_i比值，通过这个值，本发明从中挑出路径生存时间较大并路径延迟累积较小的链接由此分配各业务量，也就是权值大的路由分配多的业务量。先对e_i作排序，排序之后会得到一个递减的频宽对成本比例数列L_e＝{e₁，e₂，...，e_n}，其中e₁≥e₂≥...≥e_n，令 $B=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i.$

D、源节点带宽分配方法如下：b₁所对应的路径分配的带宽为B_w×e₁/B，类似b₂所对应的路径分配的带宽为B_w×e2/B，其他类推。其中B_w是源节点发送业务量数据包总量，路由b_i所对应的权值为e_i。

对于业务包在目的节点顺序重组的问题可以采用很多文献中提及分集编码(Diversity coding)的方法给予解决。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1、一种Ad hoc网络的时延约束多路路由方法，首先建立一种适用于Ad hoc网络的时延受限多路路由网络模型，然后提供一种Ad hoc的时延约束多路路由方法(ADMRSC)，最后提出了一种业务量的分配方法，其特征在于：Ad hoc网络的时延受限多路路由网络模型是：Ad hoc网络表示为带权图G(V，E)，其中，V为Ad hoc网的移动节点集，E为节点间能互相通信的双向链路集，在Ad hoc网络中E是动态变化的。对于link(i，j)∈E，链路link(i，j)的状态信息包括：可用带宽bij和路径的延时累积t₁.....t_n；最大时延约束为D；对于任意给定的路径P(s，t)，当有一条路径P＝s→i→j→...→k→t，则定义：

1)路径最大频宽：bandwidth(P)＝min{b_si，...，b_kt}

2)时延约束：D_p(s，t)≤D。

3)链路稳定参数：

$\mathrm{LLP}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{rx}-\left|\mathrm{XY}\right|}+\frac{1}{\mathrm{ry}-\left|\mathrm{XY}\right|}}\×\mathrm{\β}---\left(1\right)$

其中rx，ry分别x，y节点的功率发送距离，|XY|是x，y两节点的路离，β是加权系数，LLP越大，链路越稳定。

2、如权利要求1所述的Ad hoc网络的时延约束多路路由方法，其特征在于：Ad hoc的时延约束多路路由方法具体步骤是：当源节点需要一条通向目标节点的路径时，它就启动多路路由发现过程：

A、各个节点开始初始化，在HELLO_INTERVAL时间内发送HELLO包给邻居节点，其中HELLO包中传输了邻居节点经网络模型计算出的链路稳定值LLP；

B、源节点初始化路由请求信息(RREQ)。初始化用来记录经过的路径列表（Rlist)，用收集该路由中的链路最长生存期(LLP)，用来携带业务的这里考虑的是时延请求(Relay_Request)；

C、源节点发送广播路由请求信息RREQ给相邻节点；

D、接收到的节点是中间节点而不是信宿节点，否则转G，当中间节点第一次收到一个RREQ，否则转F，中间节点从RREQ中读取时延值请求(Relay_Request)，与自身的报文处理时限node_delay做比较，若node_delay值大于RREQ中(Relay_Request)，结点将丢弃该RREQ报文，否则转E；

E、将RREQ报文的Relay_Request减去node_delay值设为remain_delay，把remain_delay存入节点的反向路由表，同时把remain_delay赋值给Relay_Request做为下一个节点的请求，还要将自己的地址记录到该RREQ分组中的路径列表(RList)，将该节点与上个节点链路间的LLP记录到该RREQ分组中的LLP中，继续转发更新后的RREQ分组；

F、如果中间节点再次收到来自同一源点的别的节点转发的RREQ分组，按E计算出remain_delay后，如果这次的remain_delay大于或等于上次的remain_delay(从反向路由表中读出)的话，就更新这次RREQ中相应的Relay_Request、LLP、Rlist，再转发该RREQ分组；

G、接收节点是信宿节点，如果是第一个到达信宿的RREQ分组，否则转H，信宿节点将RREQ中的整条路径的记录Rlist，记录在自己的反向路由表条目中，将RREQ中的LLP项记录到RREP中，同时RREP中增加了一项延时累积时间(Relay_Count)，把RREP按反向路由路径转发给源结点；

H、信宿节点接收是后面到来的RREQ分组，将该RREQ分组中所记录累积路径与信宿节点中的反向路由表已有的条目相比较，选出链路不相关的路径记录在反向路由表中，相对于这个RREQ分组，按G构造相应的RREP分组，把这个RREP分组按反向路由表回复给源结点；

I、当源结点收到多个RREP之后，这样便建立起了对信宿的链路不相关的多路路由。

3、如权利要求1所述的Ad hoc网络的时延约束多路路由方法，其特征在于：业务量分配的方法具体步骤是：

A、根据所收到的的各RREP中LLP_i，其中1＝＜i＜＝n，n是信宿点返回共n条链路，收集成一个链路稳定参数{LLP₁，LLP₂，...，LLP_n}，LLP的值越大说明是较稳定的路由；

B、返回的各个RREP中还带有各个路径的延时累积t₁.....t_n，各条路径的延时累积值反映了各个路径上的负荷情况，使用延时累积做为权值来进行带宽分配是有依据的，负荷小的链路分配多些数据，负荷大的分配小些；

C、定义e_i＝LLP_i/t_i，e_i是权值，代表的是路径生命周期LLP_i与路径延迟累积的t_i比值，通过这个值，从中挑出路径生存时间较大并路径延迟累积较小的链接由此分配各业务量，也就是权值大的路由分配多的业务量，先对e_i排序，排序之后会得到一个递减的频宽对成本比例数列

L_g＝{e₁，e₂，...，e_n}，其中e₁≥e₂≥...≥e_n，令 $B=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i;$

D、源节点带宽分配方法如下：b₁所对应的路径分配的带宽为B_w×e₁/B，类似b₂所对应的路径分配的带宽为B_w×e2/B，其他类推，其中B_w是源节点发送业务量数据包总量，路由b_i所对应的权值为e_i。

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