專利名稱：一種基于路徑質(zhì)量感知的移動(dòng)自組網(wǎng)Internet網(wǎng)關(guān)路由選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域的Internet網(wǎng)關(guān)路由選擇方法，特別是 一種基于路徑質(zhì)量感知的移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Network，MANET) Internet網(wǎng)關(guān)路由 選擇方法，利用跨層設(shè)計(jì)思想估計(jì)鏈路剩余可用帶寬，并通過計(jì)算網(wǎng)關(guān)路由選擇判據(jù)選取 至Internet網(wǎng)關(guān)路由的方法。
背景技術(shù)：
近年來，通信領(lǐng)域的高速發(fā)展已經(jīng)將人們帶進(jìn)了一個(gè)前所未有的信息化時(shí)代。移 動(dòng)通信的迅速發(fā)展更是使人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，成為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的一大亮點(diǎn)。 作為現(xiàn)代通信技術(shù)的幾個(gè)重要領(lǐng)域，無線局域網(wǎng)WLAN、無線城域網(wǎng)Wimax，以及傳統(tǒng)的GSM、 CDMA電話網(wǎng)絡(luò)，從不同的角度滿足了人們的需求。然而從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，上述網(wǎng)絡(luò)還僅僅是 單一的星形網(wǎng)絡(luò)連接，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信都要通過固定節(jié)點(diǎn)，這種模型需要永久性的固 定設(shè)施，而對(duì)于某些特殊區(qū)域，如大海、沙漠，以及被地震破壞的城市，戰(zhàn)場(chǎng)等，上述移動(dòng)通 信網(wǎng)就不能滿足要求，這就需要一種特殊網(wǎng)絡(luò)，能夠臨時(shí)快速自動(dòng)組網(wǎng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間可以通 過無線鏈路直接進(jìn)行信息交互。一種全新的移動(dòng)多跳網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)自組網(wǎng)的出現(xiàn)，解決了 這一問題。移動(dòng)自組網(wǎng)是由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)組成的，具有自組 織、自恢復(fù)、自適應(yīng)的多跳臨時(shí)性無中心網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)不依賴于基站之類的基礎(chǔ)設(shè)施，所有 節(jié)點(diǎn)分布式運(yùn)行，在任一時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)通過無線信道形成一個(gè)任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在MANET 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)承擔(dān)主機(jī)和路由器兩種角色，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn) 行分布式控制。節(jié)點(diǎn)作為路由器需要運(yùn)行相關(guān)路由協(xié)議，進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等常見的 路由操作，對(duì)接收到的信宿不是自己的分組需要進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。MANET可以在沒有或不便利 用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境，從而拓寬了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 環(huán)境。移動(dòng)自組網(wǎng)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)(1)多跳路由。由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的限制節(jié)點(diǎn)的范圍是有限的，當(dāng)要與其覆蓋范圍 之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，即要經(jīng)過多跳。MANET網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是 由普通節(jié)點(diǎn)共同完成的，而不是由專用的路由設(shè)備(如路由器)完成的。(2)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)間通過無線信道連接形成一個(gè)任意的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 節(jié)點(diǎn)之間的連接由于節(jié)點(diǎn)的離開和新的節(jié)點(diǎn)的到達(dá)，以及節(jié)點(diǎn)的任意移動(dòng)，加上無線發(fā)送 裝置發(fā)送功率的變化、無線信道動(dòng)態(tài)特性等綜合因素影響下，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生 劇烈動(dòng)態(tài)變化，而且這種變化是不可預(yù)測(cè)的。(3)移動(dòng)終端的便攜性。移動(dòng)終端具有攜帶方便、輕便靈巧等特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)搬遷異常 方便，但也存在固有缺陷，如能源受限、內(nèi)存較小、CUP處理能力較低和成本較高等。移動(dòng)節(jié) 點(diǎn)一般都依靠能量有限的電池來供電，因此如何高效的使用節(jié)點(diǎn)的電池能量以及延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間就成為了一個(gè)十分突出的問題。(4)有限的無線傳輸帶寬。由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬 相對(duì)有線信道要低得多。除此之外，考慮到競(jìng)爭(zhēng)共享無線信道產(chǎn)生碰撞、信號(hào)衰減、噪音干 擾、信道間干擾等因素，節(jié)點(diǎn)可得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論上的帶寬值。(5)分布式控制。MANET網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)行為，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和消息的傳 遞，都必須由節(jié)點(diǎn)自己來完成。也就是說，路由功能必須集成在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中，不存在類似基 站的集中網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，因而是一種分布式控制網(wǎng)絡(luò)。(6)可能存在單向無線信道。由于各節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率不同，信號(hào)傳播范圍也不同，可 能會(huì)有A能聽到B，而B聽不到A的情況。 (7)帶寬受限。無線鏈路的容量大大低于有線鏈路的容量，且因受到噪聲，衰落，干 擾的影響實(shí)際容量更低。這些特點(diǎn)使得固定有線網(wǎng)絡(luò)從源到目的節(jié)點(diǎn)的最短路由一般很難直接應(yīng)用于 MANET網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)，可變的無線鏈路的質(zhì)量是必須考慮的重要因素，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠自適應(yīng) 地改變路由來減輕這些因素的影響。隨著移動(dòng)自組網(wǎng)對(duì)Internet實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求的日益增加和移動(dòng)終端技術(shù)的不斷發(fā) 展，移動(dòng)自組網(wǎng)與Internet的互聯(lián)逐漸成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。承載因特網(wǎng)業(yè)務(wù)更需注重網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載均衡及QoS保障，而位于移動(dòng)自組網(wǎng)邊緣的Internet網(wǎng)關(guān)在作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接橋梁 的同時(shí)，也成為潛在的負(fù)載瓶頸。因此，發(fā)現(xiàn)和選擇較低負(fù)載的可用網(wǎng)關(guān)則成為移動(dòng)自組網(wǎng) 接入Internet需要考慮的重點(diǎn)問題。由于特殊的接入網(wǎng)屬性，擁塞控制問題顯得尤為突 出，而已有的接入機(jī)制大多基于最小跳數(shù)準(zhǔn)則，無法感知路徑質(zhì)量以滿足用戶的QoS需求 和傳輸公平性，互連性能并不理想。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將鏈路的質(zhì)量狀況與網(wǎng)關(guān)路由選擇結(jié)合起來，旨在為移 動(dòng)自組網(wǎng)(MobileAd hoc Network, MANET) Internet網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)提供QoS保障的路由選擇方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明根據(jù)跨層設(shè)計(jì)思想估計(jì)鏈路剩余可用帶寬，并引入網(wǎng) 關(guān)路由選擇判據(jù)函數(shù)對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)內(nèi)源節(jié)點(diǎn)至Internet網(wǎng)關(guān)的路由進(jìn)行選擇，綜合考慮 了鏈路的剩余可用帶寬、投遞率及隊(duì)列負(fù)載等多方面因素，討論了一種可行的路徑質(zhì)量狀 態(tài)模型，即基于跨層設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)路由選擇判據(jù)，并提出了一種基于路徑質(zhì)量感知和跨層設(shè) 計(jì)的移動(dòng)自組網(wǎng)Internet網(wǎng)關(guān)路由選擇方法。本發(fā)明的具體步驟是第一步驟選擇基于路徑質(zhì)量感知的網(wǎng)關(guān)路由選擇判據(jù)Metric = α · MBR+ β ‘ PDR+ γ · NQR(1)定義路徑最小帶寬可用率MBR
權(quán)利要求
一種基于路徑質(zhì)量感知的移動(dòng)自組網(wǎng)Internet網(wǎng)關(guān)路由選擇方法，其具體步驟是第一步驟選擇基于路徑質(zhì)量感知的網(wǎng)關(guān)路由選擇判據(jù)Metric＝α·MBR+β·PDR+γ·NQR (1)定義路徑最小帶寬可用率MBR <mrow><mi>MBR</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>min</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>Bw</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>Bw</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>,</mo> <msub><mi>Bw</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>,</mo> <msub><mi>Bw</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>B</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>定義路徑累積投遞率PDR <mrow><mi>PDR</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>Π</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>pdr</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>定義路徑最低隊(duì)列剩余負(fù)載可用率NQR <mrow><mi>NQR</mi><mo>=</mo><mi>min</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>Q</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>q</mi><mn>1</mn> </msub></mrow><msub> <mi>Q</mi> <mn>1</mn></msub> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>,</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>Q</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>q</mi><mi>i</mi> </msub></mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi></msub> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>·</mo> <mo>,</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>Q</mi><mi>n</mi> </msub> <msub><mrow> <mo>-</mo> <mi>q</mi></mrow><mi>n</mi> </msub></mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>n</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中n為路徑長(zhǎng)度，Bwi為節(jié)點(diǎn)i的剩余可用帶寬，B為基本數(shù)據(jù)帶寬；pdr(i，i+1)表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)i+1的投遞率；qi表示節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載隊(duì)列長(zhǎng)度，Qi為節(jié)點(diǎn)i的緩存大小；α，β，γ為加權(quán)因子，且α，β，γ≥0，α+β+γ＝1。第二步驟基于跨層設(shè)計(jì)的剩余可用帶寬估計(jì)方法利用802.11MAC層的載波監(jiān)聽機(jī)制結(jié)合MAC幀幀頭的網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)字段進(jìn)行估計(jì)剩余可用帶寬。節(jié)點(diǎn)信道忙閑比，即信道空閑度與信道可得平均剩余帶寬近似成正比。定義剩余帶寬估計(jì)表達(dá)式 <mrow><msub> <mi>Bw</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mi>kB</mi><mfrac> <mrow><mi>Δ</mi><mo>-</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mi>j</mi></munder><mrow> <mo>(</mo> <mi>NA</mi> <msub><mi>V</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>DIFS</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>Bac</mi><msub> <mi>koff</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mi>Δ</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，B表示鏈路平均帶寬；Δ表示測(cè)量周期；NAVj為節(jié)點(diǎn)i的鄰節(jié)點(diǎn)在Δ內(nèi)的NAV值；DIFS為DCF幀間間隔；Backoffi為節(jié)點(diǎn)i避退計(jì)數(shù)器的值。由于IEEE802.11特性，在避退策略影響下節(jié)點(diǎn)的可用帶寬不可能達(dá)到理論上線，故設(shè)定修正因子k，取值為0.89。第三步驟選擇到Internet網(wǎng)關(guān)路由的方法移動(dòng)自組網(wǎng)內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行按需式路由發(fā)現(xiàn)，并將其到網(wǎng)關(guān)的路由作為默認(rèn)路由予以維持。沒有默認(rèn)路由的節(jié)點(diǎn)若有Internet業(yè)務(wù)需求需要發(fā)起網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求。網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求包中擴(kuò)展了路徑質(zhì)量信息字段，包括路徑最小帶寬可用率MBR、路徑累積投遞率PDR、路徑最低隊(duì)列剩余負(fù)載可用率NQR以及網(wǎng)關(guān)選擇判據(jù)Metric。網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求沿途記錄下每條鏈路的路徑質(zhì)量信息，網(wǎng)關(guān)在接收到網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求后，根據(jù)路徑質(zhì)量按照(1)計(jì)算網(wǎng)關(guān)選擇判據(jù)Metric，并將Metric添加到網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)包中，并將該網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)包單播返回源節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)從接收到的L條來自相同或不同網(wǎng)關(guān)的路由答復(fù)記錄中，選擇具有最大Metric值的路由作為到網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)路由，同時(shí)保存其余的網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)記錄。第四步驟維護(hù)默認(rèn)路由的方法當(dāng)源節(jié)點(diǎn)維護(hù)的到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)路由失效或者通信路徑發(fā)生斷裂時(shí)，源節(jié)點(diǎn)從其余的應(yīng)答請(qǐng)求記錄中，選擇具有最大Metric值的路由作為默認(rèn)路由，必要時(shí)需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)切換。若該次選擇仍不能正常通信，則源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于路徑質(zhì)量感知和跨層設(shè)計(jì)的移動(dòng)自組網(wǎng)Internet網(wǎng)關(guān)路由選擇方法，其特征在于引入網(wǎng)關(guān)路由選擇判據(jù)后，該方法要求每個(gè)移動(dòng)自組網(wǎng)內(nèi)源 節(jié)點(diǎn)能夠在適當(dāng)?shù)陌袷接蛑杏涗浡窂劫|(zhì)量信息，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要一條通向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由 時(shí)，該方法啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)路由發(fā)現(xiàn)過程，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求時(shí)，該方法按照以下步驟處理 路由請(qǐng)求A.啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)路由發(fā)現(xiàn)過程；B.廣播包含路徑質(zhì)量信息的網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求包；C.中間節(jié)點(diǎn)收到該請(qǐng)求包時(shí)，若該包曾經(jīng)被本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，則銷毀請(qǐng)求包，不再轉(zhuǎn)發(fā)；D.否則，如果中間節(jié)點(diǎn)處于過載狀態(tài)，則銷毀請(qǐng)求包，不予轉(zhuǎn)發(fā)；E.否則，根據(jù)本節(jié)點(diǎn)MAC層及網(wǎng)絡(luò)層提供信息更新請(qǐng)求包中的路徑質(zhì)量信息，建立到 上一跳節(jié)點(diǎn)的反向路由，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該請(qǐng)求包；F.如果節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，更新請(qǐng)求包中的路徑質(zhì)量信息，按照(1)計(jì)算Metric，并將路 徑質(zhì)量信息及Metric添加到網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)包中；G.將網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)包單播返回源節(jié)點(diǎn)；H.如果源節(jié)點(diǎn)沒有接收到L條路由答復(fù)，則繼續(xù)接收，直至接收到L條路由答復(fù)；I.源節(jié)點(diǎn)收到L條路由答復(fù)后，選擇具有最大Metric的路由作為至網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)路由， 該網(wǎng)關(guān)為其默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，同時(shí)保存其余的網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)記錄；J.結(jié)束網(wǎng)關(guān)路由發(fā)現(xiàn)過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種路徑質(zhì)量感知的移動(dòng)自組網(wǎng)Internet網(wǎng)關(guān)路由選擇方法。利用802.11MAC層載波監(jiān)聽機(jī)制估計(jì)鏈路剩余可用帶寬，并將路徑質(zhì)量信息通過加權(quán)方式整合成多目標(biāo)路由選擇判據(jù)Metric＝α·MBR+β·PDR+γ·NQR。需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求，路由請(qǐng)求沿途統(tǒng)計(jì)每條路徑的路徑質(zhì)量信息，網(wǎng)關(guān)收到網(wǎng)關(guān)路由請(qǐng)求后根據(jù)路由選擇判據(jù)計(jì)算路徑Metric，并單播網(wǎng)關(guān)路由答復(fù)返回源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)選擇具有最大Metric的路由作為至網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)路由并予以維護(hù)。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明能夠?yàn)橐苿?dòng)節(jié)點(diǎn)提供最優(yōu)的Internet互連性能，滿足互聯(lián)業(yè)務(wù)的QoS需求，并保持合理的控制開銷。
文檔編號(hào)H04W84/18GK101951658SQ20101028260
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者劉元安, 劉凱明, 唐碧華, 莊琳, 李莉, 謝剛, 高錦春, 黎淑蘭 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)