專利名稱：一種基于帶寬約束和最小負載的移動自組網(wǎng)路徑選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種移動網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地講是一種基于帶寬約束和最 小負載的移動自組網(wǎng)路徑選擇方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著多J 某體應(yīng)用日益普及和移動自組網(wǎng)的商業(yè)化，在移動 自組網(wǎng)中提供服務(wù)質(zhì)量已經(jīng)成為一個不可回避的問題，服務(wù)質(zhì)量保證也 已成為通信系統(tǒng)必須支持的一項重要功能，對于移動自組網(wǎng)也是一樣， 服務(wù)質(zhì)量是指發(fā)送和接收信息的用戶之間，以及用戶與傳輸信息的集成 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間關(guān)于信息傳輸?shù)馁|(zhì)量約定，是網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)流時需要滿足的一系列服務(wù)要求， 一般包括帶寬、時延、時延抖動、分組丟包率等。 服務(wù)質(zhì)量保證就是網(wǎng)絡(luò)要采取一 系列策略和措施來確保對用戶業(yè)務(wù)承諾 的服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)質(zhì)量保證是一個全局問題，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點、節(jié)點上 各個協(xié)議層次要相互協(xié)作，共同完成。為了保證服務(wù)質(zhì)量，要掌握盡量 準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，比如鏈路的可用帶寬、時延等，這樣才能根據(jù)業(yè) 務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求，選擇鏈路質(zhì)量好、具有足夠可用資源的路徑傳遞數(shù) 據(jù)。在移動自組網(wǎng)中，由于功率與帶寬受限，路由協(xié)議應(yīng)該在移動節(jié)點 之間公平地分配路由任務(wù)。而傳統(tǒng)的大多數(shù)自組網(wǎng)路由協(xié)議運行的結(jié)果 都是使產(chǎn)生的眾多路由經(jīng)過一小部分處于網(wǎng)絡(luò)中心位置的節(jié)點。大量數(shù) 據(jù)通過少量節(jié)點傳輸必然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)和瓶頸，使分組排隊等待時延和 分組丟失增加，網(wǎng)絡(luò)的連接性將隨之減弱，網(wǎng)絡(luò)的分裂最終導(dǎo)致呼叫失 敗，縮短了網(wǎng)絡(luò)的總體生存時間。因此，有必要在路由選擇時考慮網(wǎng)絡(luò) 中各節(jié)點的負載和擁塞情況，對網(wǎng)絡(luò)進行負載均衡，使網(wǎng)絡(luò)保持、高效、 穩(wěn)定的運行，網(wǎng)絡(luò)的綜合性能達到最優(yōu)。NS2是network simulator (網(wǎng)絡(luò)模擬器)的筒寫，它是一個離散事 件模擬器，由美國加州Berkeley大學(xué)LBL, Xerox PARC, UCB和USC/ISI 共同開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真集成環(huán)境，具有開放性好、擴展性強、適用于Windows 和Linux系統(tǒng)平臺的特點，是一個出色的研究網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)、分析網(wǎng)絡(luò) 傳輸?shù)姆抡婀ぞ?。NS2由0Tcl和0++兩種語言編寫而成。0++語言運行速 度比較快，容易實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型和精確的、復(fù)雜的算法，因此，適 合具體協(xié)議的詳細模擬和實現(xiàn)；0Tcl語言運行速度比較慢，但是可以很 方便地(并且交互的)修改，不需要編譯，也不容易出錯，因此它適合 用來做模擬配置。NS2可以完成的功能包括①構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓樸。NS2中 網(wǎng)絡(luò)拓樸是由node和link構(gòu)成，其中node大約可凈皮看作是對實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 底三層設(shè)備的一個模擬，link則可被視為是對物理傳輸鏈路的模擬。② 實現(xiàn)RTP協(xié)議的Agent。 NS2中，Agent是對某一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的才莫擬，NS2 預(yù)先實現(xiàn)了 UDP Agent和TCP Agent以及一些常用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議的Agent。 ③加載應(yīng)用數(shù)據(jù)流由Application/Traffic來實現(xiàn)。RTP Agent本身已實 現(xiàn)了產(chǎn)生數(shù)據(jù)流的工作；無須加載Application發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種在保證為業(yè)務(wù)提供傳輸所需要的帶寬的基 礎(chǔ)上選擇一條負載最小的路徑進行業(yè)務(wù)傳輸?shù)幕趲捈s束和最小負載 的移動自組網(wǎng)路徑選擇方法，從而保證了業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中快速、高效和穩(wěn) 定的傳輸，使網(wǎng)絡(luò)的綜合性能達到最優(yōu)，從而解決在移動自組網(wǎng)中，由 于拓樸結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，使帶寬資源難以確定；另一方面，對于負載分配 不均衡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中負載重的節(jié)點快速耗盡能源，使網(wǎng)絡(luò)的連接性快速
減弱而最終縮短了網(wǎng)絡(luò)總體的生存時間的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法是在移動自組網(wǎng)中作傳 輸業(yè)務(wù)時，按下述步驟完成第一步驟當(dāng)節(jié)點需要和另外一個節(jié)點傳輸業(yè)務(wù)時，節(jié)點廣播路由 請求分組，^各由請求分組包括以下內(nèi)容目的節(jié)點IP地址和序列號、源 節(jié)點的IP地址和序列號、業(yè)務(wù)需要的帶寬、業(yè)務(wù)的ID號、負載信息、 跳數(shù)；第二步驟中間節(jié)點收到路由請求報文時，比較本節(jié)點和目的節(jié)點 的地址；第三步驟當(dāng)目的節(jié)點收到從源節(jié)點來的路請求時，檢查當(dāng)前的時間是否小于在規(guī)定的時間內(nèi)接收路由請求的時間。本發(fā)明解決了移動自組網(wǎng)中由于拓樸結(jié)構(gòu)動態(tài)變化而使帶寬資源難以確定和由于負載分配不均衡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中負載重的節(jié)點快速耗盡能源，使網(wǎng)絡(luò)的連接性快速減弱而最終縮短了網(wǎng)絡(luò)總體生存時間的難題。并使用NS2仿真工具對本發(fā)明與現(xiàn)有的A0DV協(xié)議進行了比較，仿真結(jié)果表明，BLLM在分組投遞率、丟包率和吞吐量等方面都優(yōu)于A0DV。


圖1為5個節(jié)點的連通圖。圖2為由7個節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)。圖3為本發(fā)明的流程圖。圖4為本發(fā)明的分組投遞率圖。圖5為本發(fā)明的丟包率圖。 圖6為本發(fā)明的吞吐量圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。 移動自組網(wǎng)中節(jié)點之間共享傳輸媒介是無線網(wǎng)絡(luò)的顯著特點之一， 這一特性導(dǎo)致相鄰節(jié)點間的信號會相互干擾，從而影響信息的正常傳輸。 通過一個簡單的例子說明考慮帶寬因素確實有可能改善網(wǎng)絡(luò)的性能。圖1是5個節(jié)點的連通圖，圖中的點代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，圖中的邊代表節(jié)點 之間的無線鏈路，假設(shè)信道的容量為C。當(dāng)節(jié)點1和節(jié)點5要通信時，傳 統(tǒng)的基于最短路徑的路徑選擇方法會選擇路徑C-D-E。從圖中可以看出， 由于鏈路C同時收到鏈路A、 B、 D和E的干擾，它的有效帶寬只能達到 C/5。如果所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)流要求的帶寬超出C/5，通信的質(zhì)量將得不到保 證。若選擇路徑A-B-D-E,將獲得C/3的有效帶寬。所以考慮節(jié)點間的相 互干擾，把節(jié)點的帶寬資源作為路徑選擇的標(biāo)準(zhǔn)，會獲得更好的傳輸性 能。進一步從排隊論的角度考慮，在每個節(jié)點中都有數(shù)據(jù)包在隊列中等 待發(fā)送，若在進行路徑選擇時不考慮隊列中數(shù)據(jù)包的個數(shù)，會大大增加 數(shù)據(jù)包在隊列中的等待時延，從而增大了數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目的節(jié)點的 時延，同時，導(dǎo)致隊列中的數(shù)據(jù)包的個數(shù)超過緩沖區(qū)的限度而發(fā)生丟包 的現(xiàn)象。對任意的移動自組網(wǎng)可以表示為一有向圖G={V, E}, V、 E分別表示 節(jié)點集和鏈路集，若P是由鏈路L， 12,…，1^或由節(jié)點v2,…，Vn組成的 從節(jié)點S到節(jié)點D的一條路徑，其中鏈路h是節(jié)點Vi， V2之間的一條鏈路。 路徑P的可用帶寬用B(P)表示，路徑P的負載用L(P)表示。因此，在移 動自組網(wǎng)中，基于帶寬約束和最小負載的路徑選擇問題可以描述為在 給定的網(wǎng)絡(luò)G- (V， E)中，某源主機S向目的主機D發(fā)送業(yè)務(wù)流，業(yè)務(wù) 流所需求的帶寬是Bq，若存在n條S到D的路徑P,，P2，…，Pn。則滿足本
發(fā)明的路徑P應(yīng)滿足以下條件B(P) >BqL(P) -min(L(Pi) | i=l, 2，…，n) 在無線網(wǎng)絡(luò)中，計算節(jié)點的可用帶寬時，除了節(jié)點本身，還要考慮 其鄰節(jié)點的影響。圖2是由7個節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)，其中實線連接的 兩個節(jié)點可以直接通信，虛線表示節(jié)點之間正在發(fā)送業(yè)務(wù)流。如果節(jié)點A 要經(jīng)過D向E發(fā)送業(yè)務(wù)，在鏈路AD上就可能發(fā)生擁塞，然而此時這段鏈 路并沒有承載任何業(yè)務(wù)，這是因為在無線傳輸中，節(jié)點與它周圍一定范 圍內(nèi)的所有節(jié)點共享頻率資源，當(dāng)一定范圍內(nèi)的所有業(yè)務(wù)對帶寬的需求 超過網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力時，就會發(fā)生擁塞。因此，在度量一段鏈路的可用 帶寬時，不僅要考慮本節(jié)點的業(yè)務(wù)，還要考慮節(jié)點周圍的業(yè)務(wù)對資源的 使用情況。本發(fā)明定義任意節(jié)點D的"共享頻率集"為I(D), I(D)是由滿足下 面條件的節(jié)點N組成N處在節(jié)點D的直接通信范圍內(nèi)，也就是說，N可 以接收到D發(fā)送的數(shù)據(jù)或D可以接收到N發(fā)送的數(shù)據(jù)。在圖1中，節(jié)點A、 B、 C和E就處在D的"共享頻率集"中。以下是在帶寬計算中要用到的變量B(D):節(jié)點D的總帶寬。為了更接近現(xiàn)實，節(jié)點的總帶寬是隨機產(chǎn) 生的。Ball(D):節(jié)點D被占用的總帶寬。 BC(D):節(jié)點D的當(dāng)前可用帶寬。 B(j):數(shù)據(jù)流j的帶寬。 (1) B出(D)的計算計算當(dāng)前占用節(jié)點D的信帶寬需考慮以下二個部分 Bs(D):節(jié)點D本身被占用的帶寬，即節(jié)點D為其它業(yè)務(wù)流預(yù)留的總 帶寬。Bn (D):節(jié)點D的共享頻率集中的節(jié)點被占用的帶寬之和。 Bs(D)和Bn(D)可以從節(jié)點保存的信息中獲取。因此，節(jié)點D的剩余 帶寬可以用下面的式子得到Ball(D) = Bs(D)+ Bn(D) =Bs (D)+Bs (A)+Bs (B) +Bs(C)+Bs(E)(2) B。(D)的計算節(jié)點D的可用帶寬為節(jié)點D的總帶寬減去節(jié)點D被占用的總帶寬Bc(D) =B(D) - Ball (D) 當(dāng)一條業(yè)務(wù)流j要經(jīng)過節(jié)點D時，若計算得的D的可用帶寬Bc(D) 》B(j)時，則允許數(shù)據(jù)流的接入，否則拒絕接入。無線移動自組網(wǎng)中移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負載不但與經(jīng)過該節(jié)點的業(yè)務(wù)有 關(guān)，而且與經(jīng)過其鄰居節(jié)點的業(yè)務(wù)也有關(guān)，后者稱之為業(yè)務(wù)干擾。下面是負載計算時用到的變量L(D):節(jié)點D自身的業(yè)務(wù)負載。 LI(D):節(jié)點D的業(yè)務(wù)干擾負載。 TL(D):節(jié)點D總的業(yè)務(wù)負載。 (1) L(D)的計算假定鏈路容量為C，業(yè)務(wù)平均長度為L,節(jié)點接口隊列長度為q，則 任意一個節(jié)點D的負載L (D)為:L(D) =/ +式中，〃D=CD/ZD。 (2 ) LI (D)的計算 業(yè)務(wù)干擾LI (D)可以定義為節(jié)點D的共享頻率集I (D)中的節(jié)點的業(yè) 務(wù)負載之和<formula>formula see original document page 10</formula>(3) TL(D)的計算節(jié)點的業(yè)務(wù)負載TL (D)包括自身的業(yè)務(wù)量L (D)以及共享頻率集I (D) 中的節(jié)點的業(yè)務(wù)干擾LI (D)之和<formula>formula see original document page 10</formula>(4) 路徑上負載的計算從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑P的負載為路徑上所有中間節(jié)點I的業(yè) 務(wù)負載的總和<formula>formula see original document page 10</formula>本發(fā)明的具體步驟是(1)當(dāng)節(jié)點需要和另外一個節(jié)點傳輸業(yè)務(wù)時，節(jié)點廣播路由請求分 組，路由請求分組包括以下內(nèi)容目的節(jié)點IP地址和序列號、源節(jié)點的IP地址和序列號、業(yè)務(wù)需要 的帶寬、業(yè)務(wù)的ID號、負載信息、跳數(shù)；(2 )中間節(jié)點收到路由請求報文時，比較本節(jié)點和目的節(jié)點的地址；① 如果自己不是目的節(jié)點，判斷是否收到過該請求，如果收到過則 丟棄該請求，否則轉(zhuǎn)向步驟②；② 計算當(dāng)前剩余的帶寬并與業(yè)務(wù)要求的帶寬比較，若小于業(yè)務(wù)要求 的帶寬，則丟棄該請求，否則轉(zhuǎn)向步驟③；③ 計算本節(jié)點的總業(yè)務(wù)負載，更新路由請求分組中記錄的參數(shù)修 改路由請求分組中的負載信息，跳數(shù)加1。然后建立到源節(jié)點的反向路由， 并在路由條目中記錄業(yè)務(wù)的ID號。最后向鄰節(jié)點廣播該路由請求報文。
(3 )當(dāng)目的節(jié)點收到從源節(jié)點來的路請求時，檢查當(dāng)前的時間是否 小于在規(guī)定的時間內(nèi)接收路由請求的時間。① 如果是就繼續(xù)等待，否則轉(zhuǎn)向步驟②；② 從多個路由請求中選擇一條負載最小的，并沿著該請求建立的反 向路由進行路由回復(fù)，中間節(jié)點收到路由回復(fù)后進行資源預(yù)留，建立到 目的節(jié)點的正向^各由，并在路由條目中記錄業(yè)務(wù)的ID號。時間復(fù)雜度表示執(zhí)行一次協(xié)議操作所需要運行的步數(shù)。本發(fā)明在節(jié) 點每次通信時，需要發(fā)送路由請求進行帶寬預(yù)約，因此，源節(jié)點發(fā)出路 由請求分組，目的節(jié)點返回一個路由回復(fù)分組，來回穿越網(wǎng)絡(luò)兩次，時 間復(fù)雜度是2d數(shù)量級的，即0(2d),其中d為網(wǎng)絡(luò)的直徑。通信復(fù)雜度 是指執(zhí)行協(xié)議操作所需要傳送的信息數(shù)，在這里，節(jié)點進行一次路由請 求最壞的情況是路由的查詢是在各個節(jié)點分布式同時進行，則通信復(fù)雜 度為0(2N),其中N是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的個數(shù)。流程圖(圖3)中RREQ表示路由請求分組，RREP表示路由回復(fù)分組。T表示肯定，F(xiàn)表示否定。為了分析本發(fā)明的性能，進行了相應(yīng)的仿真實驗，實驗選擇AODV協(xié)議作為參照對象，比較了本發(fā)明與AODV的分組投遞率、吞吐量和丟包率這三項指標(biāo)。協(xié)議的模擬實現(xiàn)是基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2進行的。實驗中選擇一個包含有30個節(jié)點的場景，場景大小為800mx 1000m的矩形區(qū)域，每個節(jié)點隨機選擇自己的運動方向和運動速度，最大運動速度分別為10m/s, 20m/s, 35m/s， 60m/s， 100m/s，場景維持時間為500s。分組速率為2個/s,每個請求需要傳送包為1000B的數(shù)據(jù)包，各節(jié)點帶寬值采用范圍為(l-5)Mbps的隨機數(shù)產(chǎn)生。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明的性能都要優(yōu)于AODV,從圖4可以看出，本 發(fā)明和AODV在不同速度下的分組投遞率要高于AODV的分組投遞率，隨 著移動速度的增大，本發(fā)明的分組投遞率下降的緩慢而AODV的分組投遞 率下降的幅度很大。在圖5中，本發(fā)明的丟包率要低于A0DV，且隨著移 動速度的變化，本發(fā)明的丟包率處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)，而AODV則快速上 升。圖6是兩者吞吐量的比較，當(dāng)節(jié)點移動速度較慢時，本發(fā)明的吞吐 量略高于AODV,而當(dāng)節(jié)點的移動速度加快時，本發(fā)明的吞吐量要高出AODV 很多。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容所與本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn) 有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、 一種基于帶寬約束和最小負載的移動自組網(wǎng)路徑選擇方法，所采用的方法是在移動自組網(wǎng)中作傳輸業(yè)務(wù)時，按下述步驟完成第一步驟當(dāng)節(jié)點需要和另外一個節(jié)點傳輸業(yè)務(wù)時，節(jié)點廣播路由 請求分組，路由請求分組包括以下內(nèi)容目的節(jié)點IP地址和序列號、源 節(jié)點的IP地址和序列號、業(yè)務(wù)需要的帶寬、業(yè)務(wù)的ID號、負載信息、 跳數(shù)；第二步驟中間節(jié)點收到路由請求報文時，比較本節(jié)點和目的節(jié)點 的地址；第三步驟當(dāng)目的節(jié)點收到從源節(jié)點來的路請求時，檢查當(dāng)前的時間是否小于在規(guī)定的時間內(nèi)接收路由請求的時間。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于帶寬約束和最小負載的移動自組網(wǎng)路徑選擇方法，其特征在于第二步驟的具體方法是第一步如果自己不是目的節(jié)點，判斷是否收到過該請求，如果收 到過則丟棄該請求，否則轉(zhuǎn)向第二步；第二步計算當(dāng)前剩余的帶寬并與業(yè)務(wù)要求的帶寬比較，若小于業(yè) 務(wù)要求的帶寬，則丟棄該請求，否則轉(zhuǎn)向第三步；第三步計算本節(jié)點的總業(yè)務(wù)負載，更新路由請求分組中記錄的參 數(shù)修改路由請求分組中的負載信息，跳數(shù)加l,然后建立到源節(jié)點的反 向路由，并在路由條目中記錄業(yè)務(wù)的ID號，最后向鄰節(jié)點廣播該路由請求報文。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于帶寬約束和最小負載的移動自組網(wǎng)路徑 選擇方法，其特征在于第三步驟的具體方法是第一步如果是就繼續(xù)等待，否則轉(zhuǎn)向第二步； 第二步從多個路由請求中選擇一條負載最小的，并沿著該請求建立的反向路由進行路由回復(fù)，中間節(jié)點收到路由回復(fù)后進行資源預(yù)留，建立到目的節(jié)點的正向路由，并在路由條目中記錄業(yè)務(wù)的ID號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于帶寬約束和最小負載的移動自組網(wǎng)路徑選擇方法，所采用的方法是當(dāng)節(jié)點需要和另外一個節(jié)點傳輸業(yè)務(wù)時，節(jié)點廣播路由請求分組；中間節(jié)點收到路由請求報文時，比較本節(jié)點和目的節(jié)點的地址；當(dāng)目的節(jié)點收到從源節(jié)點來的路請求時，檢查當(dāng)前的時間是否小于在規(guī)定的時間內(nèi)接收路由請求的時間。本發(fā)明解決了移動自組網(wǎng)中由于拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化而使帶寬資源難以確定和由于負載分配不均衡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中負載重的節(jié)點快速耗盡能源，使網(wǎng)絡(luò)的連接性快速減弱而最終縮短了網(wǎng)絡(luò)總體生存時間的難題。并使用NS2仿真工具對本發(fā)明與現(xiàn)有的AODV協(xié)議進行了比較，仿真結(jié)果表明，BLLM在分組投遞率、丟包率和吞吐量等方面都優(yōu)于AODV。
文檔編號H04Q7/20GK101123576SQ20071005327
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者何昆鵬, 李春林, 李臘元, 鄭四海 申請人:武漢理工大學(xué)