WO2019169874A1 - 一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，属于无线通讯技术领域，网络中各节点周期性地交互信息，以获取网络的实时状态。当节点需要转发业务数据时，首先根据地理位置信息定向地选取转发候选节点范围。再根据网络状态与服务质量需求，选取出合适的候选下一跳节点集，并为候选下一跳节点进行优先级排序，优先级越高越有可能成为下一跳。如果未有候选节点成功成为下一跳，则将数据暂时缓存，并重新发出路由请求。本发明结合网络链路的实时状态，在选取候选下一跳节点转发数据过程中，充分考虑服务质量要求，并对候选下一跳节点做优先级排序，保证了数据转发的可靠性，从而在提高网络实时利用效率的基础上，有效保证数据转发的服务质量需求。
Description
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法。
传统的无线局域网(Wireless LAN)中，每个用户可以通过无线链路连接到固定接入点(AP：Access Point)方式访问网络，属于单跳网络结构。这种方式虽然较之有线连接方式，给用户带来更多的便捷性。然而，由于固定AP与用户间无线通信的范围有限，且障碍物对于两点间通信有较大影响，传统的无线局域网很难达到理想的覆盖性与扩展性。
无线mesh网络(WMN：Wireless Mesh Networks)是一种典型的无线多跳网络，它以自组织性、组网灵活、与多种接入方式兼容等优势，被认为是自组织无线网中最具发展潜力的组网技术之一，目前在紧急通信、军事应用等方面贡献巨大，有着广阔的应用前景。与传统无线局域网相比，无线mesh网络中各节点既可以作为接入点，也可以作为路由器，都可以与一个或多个其它对等节点进行通信，形成多跳网络结构。因为这种多跳网络结构，无线mesh网络具有支持非视距传输的特性，此特性让网络传输数据时，可以有效地避开障碍物，扫除单跳网络环境中的通信盲点。此外，无线mesh网络的多跳传输结构，可以通过选取一系列中继节点，完成远距离数据传输，其覆盖性与扩展性与传统无线局域网方式相比有较大提升。
无线多跳网络同时也会给路由设计带来挑战。虽然在组网方式上，无线mesh网络与ad-hoc网络有一定的相似之处，但传统ad-hoc网络组网方式更注重通信的可行性。对于无线mesh网络，为了进一步注重数据传输的服务质量需求，应用于无线多跳网络中的传统路由协议已不能满足需求，需要设计新的路由算法来满足数据传输的服务质量要求。
机会路由(OP：Opportunity Routing)是由麻省理工大学的研究者提出的一种路由策略，适用于无线多跳网络。与传统的路由策略不同，机会路由在转发数据时并没有形成一条固定的传输路径，而是利用无线网络的广播传输特性，将数据广播给多个邻居节点，并根据一定的路由度量，选出其中最优的邻居节点作为下一跳继续转发数据。这种路由策略可以很好地适应无线网络的复杂环境，根据实时网络状态，选择最佳下一跳传输，很大程度地提高了无线多跳网络的路由性能，在可靠性与冗余性上具有一定优势。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，在机会路由思想的基础上，结合网络实时状态与数据传输所需服务质量需求，有效提高网络资源的利用率与路由的可靠性。
为了达到以上目的，一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，包括如下步骤：
S1、无线mesh网络中各节点周期性交互信息，维护更新邻居表，获取下一跳邻居节点的状态信息；
S2、需要转发数据的节点广播路由请求，收到路由请求的邻居节点计算出与目的节点之间的距离，并向需要转发数据的节点回复路由应答；
S3、需要转发数据的节点根据接收到的路由应答，将回复路由应答的邻居节点组成可用邻居节点集，根据自身和目的节点距离与邻居节点和目的节点距离的差值，选取适合作为可用下一跳节点的邻居节点，组成可用下一跳节点集；
S4、需要转发数据的节点根据数据所需服务质量需求及与可用下一跳节点之间信道容量的估算值，将信道容量与信息交互延迟的比值设置为度量值以选取候选下一跳节点集，候选下一跳节点集中根据度量值对节点进行优先级排序，并根据优先级顺序转发数据；
S5、收到转发数据的各邻居节点，根据优先级设置返回确认字符的计时器， 以确定开始转发数据的时间；
S6、需要转发数据的节点收到任一候选下一跳节点的返回确认字符，则结束当前路由进程；
S7、循环上述步骤，直至路由到达目的节点。
本发明的优选方案是：步骤S1中无线mesh网络中各节点周期性交互Hel lo报文信息，以实时获取邻居节点的状态信息，状态信息包括交互信息延迟和信道容量的估算值。
更优选地，信道容量的估算值的计算公式为：
其中，i为需要转发数据的节点，j为相邻节点，γ为路径损耗因子，h
ij表示需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的信道增益，B为可用带宽，P为节点发射信号功率，n
0/2为白噪声的功率谱密度，Dist(i，j)为需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的距离。
优选地，步骤S2中，需要转发数据的节点首先判断邻居节点是否有目的节点，若有，则直接转发，否则广播路由请求。
优选地，步骤S3中，需要转发数据的节点和目的节点距离与邻居节点和目的节点距离的差值的公式为：
D
ij＝Dist(i,d)-Dist(j,d) (2)
其中，Dist(i,d)为需要转发数据的节点i和目的节点d之间距离，Dist(j,d)为邻居节点j和目的节点d之间的距离，D
ij为距离跨度值；当距离跨度值D
ij小于0，则邻居节点j更远离目的节点d，不适合作为可用下一跳选节点；当距离跨度值D
ij大于0，则邻居节点j更接近目的节点d，适合作为可用下一跳节点，并组建可用下一跳节点集。
优选地，步骤S4中，
若可用下一跳节点集中没有候选下一跳节点，则从可用邻居节点集中选出规定数量的节点组成候选下一跳节点集；
若可用下一跳节点集中节点数小于或等于规定的候选节点数上限，则直接选取成为候选下一跳节点集；
若可用下一跳节点集中节点数大于规定的候选节点数上限，则通过启发算法，在可用下一跳节点集中根据链路质量和服务质量需求选出候选下一跳节点集。
更优选地，服务质量包括成功转发概率与延迟，成功转发概率首先通过公式(1)获取信道容量估算值c
i,j，当信道容量估算值c
i,j大于业务所需传输率R时，邻居节点j才能成功转发，则成功转发概率p
i,j为p
i,j＝P(c
ij≥R)；
由公式(1)可得，c
ij≥R等价于：
在服从瑞丽衰落的信道中，需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的信道增益h
ij彼此相互独立，且|h
ij|
2服从参数为σ
ij
-2的指数分布；
令：
则节点i由节点j成功转发的概率为：
节点i通过邻居节点j转发数据的单跳总延迟t
K为：
t
K＝T
C+T
H+T
DATA+K(T
SIFS+T
ACK) (6)
其中,T
C为需要转发数据的节点i竞争信道媒介的时间，T
H为交互信息延迟，T
DATA为数据传输的时间，T
SIFS为短帧间间隔，T
ACK为发送ACK响应时间；
当选定候选下一跳节点集合F(i)中有n个候选节点时，需要转发数据的节点 i转发数据的单跳平均总延迟E(T(i))，单跳平均信道容量E(C(i))公式为：
其中，p
i,K表示需要转发数据的节点i到优先级为K的节点数据转发成功的概率，c
i,K表示需要转发数据的节点i与优先级为K的节点之间的信道容量；当需要转发数据的节点i分析确定业务延迟要求为L，对数据传输速率要求为R,节点间的通信距离为r
c时，选取候选下一跳节点集F(i)转化为：
根据信道容量估算值c
i,j与交互信息延迟T
H的比值大小确定转发数据优先级，比值越大的节点优先级越高。
优选地，步骤S5中，根据优先级K，设置返回确认字符的计时器K(T
SIFS+T
ACK)，T
SIFS为短帧间间隔，T
ACK为发送确认字符的响应时间；
若优先级为K的节点计时器到时，也没收到优先级更高的节点返回转发数据的确认字符确认，则自身作为下一跳节点广播确认字符，重复步骤S2-S5转发数据；
若优先级为K的节点在计时器到时之前，收到了其它节点广播的确认字符，则删除转发数据并结束路由进程。
优选地，步骤S6中，若需要转发数据的节点没有收到任何节点返回确认字 符的确认信息，则将利用缓存资源，暂时缓存嘘转发的数据，重复步骤S2-S6继续转发进程，等待网络状态恢复后，找到合适候选下一跳节点继续转发数据。
本发明有益效果为：该算法结合网络链路的实时状态，在选取候选下一跳节点转发数据过程中，充分考虑服务质量要求，并对候选下一跳节点做优先级排序，保证了数据转发的可靠性，从而在提高网络实时利用效率的基础上，有效保证数据转发的服务质量需求。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的算法流程图；
图2为本发明实施例的候选下一跳节点选取图。
实施例一
请参阅图1，本实施例提供一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，包括如下步骤：
S1、无线mesh网络中各节点周期性交互信息，维护更新邻居表，获取下一跳邻居节点的状态信息；
S2、需要转发数据的节点广播路由请求，收到路由请求的邻居节点计算出与目的节点之间的距离，并向需要转发数据的节点回复路由应答；
S3、需要转发数据的节点根据接收到的路由应答，将回复路由应答的邻居节点组成可用邻居节点集，根据自身和目的节点距离与邻居节点和目的节点距离的差值，选取适合作为可用下一跳节点的邻居节点，组成可用下一跳节点集；
S4、需要转发数据的节点根据数据所需服务质量需求及与可用下一跳节点之间信道容量的估算值，将信道容量与信息交互延迟的比值设置为度量值以选取候选下一跳节点集，候选下一跳节点集中根据度量值对节点进行优先级排序，并根据优先级顺序转发数据；
S5、收到转发数据的各邻居节点，根据优先级设置返回确认字符的计时器，以确定开始转发数据的时间；
S6、需要转发数据的节点收到任一候选下一跳节点的返回确认字符，则结束当前路由进程；
S7、循环上述步骤，直至路由到达目的节点。
步骤S1中无线mesh网络中各节点周期性交互Hel lo报文信息，以实时获取邻居节点的状态信息，状态信息包括交互信息延迟和信道容量的估算值。
信道容量的估算值的计算公式为：
其中，i为需要转发数据的节点，j为相邻节点，γ为路径损耗因子，h
ij表示需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的信道增益，B为可用带宽，P为节点发射信号功率，n
0/2为白噪声的功率谱密度，Dist(i，j)为需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的距离。
步骤S2中，需要转发数据的节点首先判断邻居节点是否有目的节点，若有，则直接转发，否则广播路由请求。
步骤S3中，需要转发数据的节点和目的节点距离与邻居节点和目的节点距离的差值的公式为：
D
ij＝Dist(i,d)-Dist(j,d) (2)
其中，Dist(i,d)为需要转发数据的节点i和目的节点d之间距离，Dist(j,d)为邻居节点j和目的节点d之间的距离，D
ij为距离跨度值；当距离跨度值D
ij小于0，则邻居节点j更远离目的节点d，不适合作为可用下一跳选节点；当距离跨度值D
ij大于0，则邻居节点j更接近目的节点d，适合作为可用下一跳节点，并组建可用下一跳节点集。
步骤S4中，若可用下一跳节点集中没有候选下一跳节点，则从可用邻居节 点集中选出规定数量的节点组成候选下一跳节点集；
若可用下一跳节点集中节点数小于或等于规定的候选节点数上限，则直接选取成为候选下一跳节点集；
若可用下一跳节点集中节点数大于规定的候选节点数上限，则通过启发算法，在可用下一跳节点集中根据链路质量和服务质量需求选出候选下一跳节点集。
服务质量包括成功转发概率与延迟，成功转发概率首先通过公式(1)获取信道容量估算值c
i,j，当信道容量估算值c
i,j大于业务所需传输率R时，邻居节点j才能成功转发，则成功转发概率p
i,j为p
i,j＝P(c
ij≥R)；
由公式(1)可得，c
ij≥R等价于：
在服从瑞丽衰落的信道中，需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的信道增益h
ij彼此相互独立，且|h
ij|
2服从参数为σ
ij
-2的指数分布；
令：
则节点i由节点j成功转发的概率为：
节点i通过邻居节点j转发数据的单跳总延迟t
K为：
t
K＝T
C+T
H+T
DATA+K(T
SIFS+T
ACK) (6)
其中,T
C为需要转发数据的节点i竞争信道媒介的时间，T
H为交互信息延迟，T
DATA为数据传输的时间，T
SIFS为短帧间间隔，T
ACK为发送ACK响应时间；
当选定候选下一跳节点集合F(i)中有n个候选节点时，需要转发数据的节点 i转发数据的单跳平均总延迟E(T(i))，单跳平均信道容量E(C(i))公式为：
其中，p
i,K表示需要转发数据的节点i到优先级为K的节点数据转发成功的概率，c
i,K表示需要转发数据的节点i与优先级为K的节点之间的信道容量；当需要转发数据的节点i分析确定业务延迟要求为L，对数据传输速率要求为R,节点间的通信距离为r
c时，选取候选下一跳节点集F(i)转化为：
根据信道容量估算值c
i,j与交互信息延迟T
H的比值大小确定转发数据优先级，比值越大的节点优先级越高。
步骤S5中，根据优先级K，设置返回确认字符的计时器K(T
SIFS+T
ACK)，T
SIFS为短帧间间隔，T
ACK为发送确认字符的响应时间；
若优先级为K的节点计时器到时，也没收到优先级更高的节点返回转发数据的确认字符确认，则自身作为下一跳节点广播确认字符，重复步骤S2-S5转发数据；
若优先级为K的节点在计时器到时之前，收到了其它节点广播的确认字符，则删除转发数据并结束路由进程。
步骤S6中，若需要转发数据的节点没有收到任何节点返回确认字符的确认 信息，则将利用缓存资源，暂时缓存嘘转发的数据，重复步骤S2-S6继续转发进程，等待网络状态恢复后，找到合适候选下一跳节点继续转发数据。
本实施例如图2所示，有节点：i、h、j、k、l、u、v、d，其中，节点i为正在转发数据的节点，d为转发数据的目的节点。假设网络中各节点的通信距离为r
c。通过周期性地交互Hello报文信息，节点i获得并更新一跳邻居节点的状态信息，包括交互信息延迟T
H、可用信道容量估算值c，并把这些信息维护在邻居表中。如图2中的①所示，节点h、j、k、l均为节点i的一跳邻居节点。
从节点i的邻居节点中选取候选下一跳节点过程如下：
(1)节点i首先判断邻居节点中是否有目的节点d，而本实例中目的节点d并不是节点i的邻居节点，则节点i会广播路由请求(RREQ)。收到路由请求的邻居节点j会根据地理位置信息，计算出与目的节点之间的距离Dist(j,d)，并给节点i回复路由应答(RREP)信息，路由应答信息中包含与目的节点之间的距离信息Dist(j,d)。
(2)节点i通过收到的路由应答(RREP)提取出邻居与目的节点之间的距离信息，并通过计算与目的节点距离Dist(i,d)，定义距离跨度值D
ij，即节点i和目的节点d之间距离与邻居节点和目的节点d之间距离的差值。如图2中的②所示，节点i与节点j的距离跨度定义为Dist(i,d)与Dist(j,d)的差值。因为节点i与节点j、k、l的值大于0，节点j、k、l则成为节点i的可用下一跳节点，组成节点i的可用下一跳节点集V(i)，节点h则不会被考虑为下一跳，如图2中的③所示。
(3)节点i处理并分析业务数据，确定业务相对应的QoS需求，结合实时网络状态信息估算可用信道质量，通过启发式算法，在可用下一跳节点集V(i) 中选出候选下一跳节点集F(i)。首先确定候选下一跳节点集F(i)中的节点个数n，本实例中将n值设为2，则节点k与节点j、节点k与节点l、节点j与节点l都有可能成为F(i)的一种组合。在节点j、k、l都能满足数据转发服务质量需求的情况下，由于节点k与节点l互不为邻居节点，即Dist(j,d)>r
c，不满足式(11)中的第三个约束条，从而不能收到彼此的ACK报文，不适合组成候选下一跳节点集F(i)；根据节点k与节点j、节点j与节点l的单跳平均总延迟E(T(i))与单跳平均信道容量E(C(i))的比值大小，选取出节点j与节点l组成候选下一跳节点集F(i)，如图2中的④所示。再对F(i)中节点按照一定度量值进行优先级排序，将数据与优先级转发给F(i)中的节点j与节点l。
(4)收到节点i转发数据的节点j与节点l，根据优先级，设置返回ACK的计时器。由于节点j的优先级更高，所以其计时器设为(T
SIFS+T
ACK)；而节点l的计时器设为2(T
SIFS+T
ACK)，以确定可以开始转发数据的时间；
1)如果节点l的计时器到时，也没收到优先级更高的节点j返回转发数据的ACK，则自己作为下一跳节点广播ACK，重复上述过程继续转发数据；
2)如果节点l在计时器到时之前，收到了节点j广播的ACK，则删除转发数据并结束路由进程；
(5)如果节点i收到某一个候选下一跳节点(节点j与节点l其中之一)返回的ACK确认信息，则结束当前路由进程；如果节点i没有收到任何节点返回ACK确认信息，则将利用存储资源，暂时存储需要转发的数据，重复上述过程继续转发进程，等待网络状态恢复后，找到合适邻居节点转发数据；
(6)按照上述路由发现过程直到路由到达目的节点d。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (9)
- 一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，包括如下步骤：S1、无线mesh网络中各节点周期性交互信息，维护更新邻居表，获取下一跳邻居节点的状态信息；S2、需要转发数据的节点广播路由请求，收到路由请求的邻居节点计算出与目的节点之间的距离，并向需要转发数据的节点回复路由应答；S3、需要转发数据的节点根据接收到的路由应答，将回复路由应答的邻居节点组成可用邻居节点集，根据自身和目的节点距离与邻居节点和目的节点距离的差值，选取适合作为可用下一跳节点的邻居节点，组成可用下一跳节点集；S4、需要转发数据的节点根据数据所需服务质量需求及与可用下一跳节点之间信道容量的估算值，将信道容量与信息交互延迟的比值设置为度量值以选取候选下一跳节点集，候选下一跳节点集中根据度量值对节点进行优先级排序，并根据优先级顺序转发数据；S5、收到转发数据的各邻居节点，根据优先级设置返回确认字符的计时器，以确定开始转发数据的时间；S6、需要转发数据的节点收到任一候选下一跳节点的返回确认字符，则结束当前路由进程；S7、循环上述步骤，直至路由到达目的节点。
- 根据权利要求1所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述步骤S1中无线mesh网络中各节点周期性交互Hel lo报文信息，以实时获取邻居节点的状态信息，状态信息包括交互信息延迟和信道容量的估算值。
- 根据权利要求1或2所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述信道容量的估算值的计算公式为：
其中，i为需要转发数据的节点，j为相邻节点，γ为路径损耗因子，h ij表示需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的信道增益，B为可用带宽，P为节点发射信号功率，n 0/2为白噪声的功率谱密度，Dist(i，j)为需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的距离。 - 根据权利要求1或2所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述步骤S2中，需要转发数据的节点首先判断邻居节点是否有目的节点，若有，则直接转发，否则广播路由请求。
- 根据权利要求1所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述步骤S3中，需要转发数据的节点和目的节点距离与邻居节点和目的节点距离的差值的公式为：D ij＝Dist(i,d)-Dist(j,d) (2)其中，Dist(i,d)为需要转发数据的节点i和目的节点d之间距离，Dist(j,d)为邻居节点j和目的节点d之间的距离，D ij为距离跨度值；当距离跨度值D ij小于0，则邻居节点j更远离目的节点d，不适合作为可用下一跳选节点；当距离跨度值D ij大于0，则邻居节点j更接近目的节点d，适合作为可用下一跳节点，并组建可用下一跳节点集。
- 根据权利要求1所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述步骤S4中，若可用下一跳节点集中没有候选下一跳节点，则从可用邻居节点集中选出规定数量的节点组成候选下一跳节点集；若可用下一跳节点集中节点数小于或等于规定的候选节点数上限，则直接选取成为候选下一跳节点集；若可用下一跳节点集中节点数大于规定的候选节点数上限，则通过启发算法，在可用下一跳节点集中根据链路质量和服务质量需求选出候选下一跳节点集。
- 根据权利要求1或6所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述服务质量包括成功转发概率与延迟，成功转发概率 首先通过公式(1)获取信道容量估算值c i,j，当信道容量估算值c i,j大于业务所需传输率R时，邻居节点j才能成功转发，则成功转发概率p i,j为p i,j＝P(c ij≥R)；由公式(1)可得，c ij≥R等价于：
在服从瑞丽衰落的信道中，需要转发数据的节点i与邻居节点j之间的信道增益h ij彼此相互独立，且|h ij| 2服从参数为的指数分布；
令：
则节点i由节点j成功转发的概率为：
节点i通过邻居节点j转发数据的单跳总延迟t K为：t K＝T C+T H+T DATA+K(T SIFS+T ACK) (6)其中,T C为需要转发数据的节点i竞争信道媒介的时间，T H为交互信息延迟，T DATA为数据传输的时间，T SIFS为短帧间间隔，T ACK为发送ACK响应时间；当选定候选下一跳节点集合F(i)中有n个候选节点时，需要转发数据的节点i转发数据的单跳平均总延迟E(T(i))，单跳平均信道容量E(C(i))公式为：
其中，p i,K表示需要转发数据的节点i到优先级为K的节点数据转发成功的概率，c i,K表示需要转发数据的节点i与优先级为K的节点之间的信道容量；当需要转发数据的节点i分析确定业务延迟要求为L，对数据传输速率要求为R,节点间 的通信距离为r c时，选取候选下一跳节点集F(i)转化为：
根据信道容量估算值c i,j与交互信息延迟T H的比值大小确定转发数据优先级，比值越大的节点优先级越高。 - 根据权利要求1所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述步骤S5中，根据优先级K，设置返回确认字符的计时器K(T SIFS+T ACK)，T SIFS为短帧间间隔，T ACK为发送确认字符的响应时间；若优先级为K的节点计时器到时，也没收到优先级更高的节点返回转发数据的确认字符确认，则自身作为下一跳节点广播确认字符，重复步骤S2-S5转发数据；若优先级为K的节点在计时器到时之前，收到了其它节点广播的确认字符，则删除转发数据并结束路由进程。
- 根据权利要求1所述的一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法，其特征在于，所述步骤S6中，若需要转发数据的节点没有收到任何节点返回确认字符的确认信息，则将利用缓存资源，暂时缓存嘘转发的数据，重复步骤S2-S6继续转发进程，等待网络状态恢复后，找到合适候选下一跳节点继续转发数据。
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| PCT/CN2018/111909 WO2019169874A1 (zh) | 2018-03-09 | 2018-10-25 | 一种基于服务质量保障的无线mesh网络机会路由算法 |
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