本發(fā)明屬于信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議方法。

背景技術(shù)：

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANETs)由于其在安全和娛樂應(yīng)用方面的潛力，已經(jīng)吸引了越來越多的關(guān)注。為了保障具有一定服務(wù)質(zhì)量(QoS)的各種應(yīng)用需求，車載自組織網(wǎng)絡(luò)主要支持一下通信方式：車-車，車-路邊設(shè)施，以及結(jié)合兩者的混合結(jié)構(gòu)。作為移動自組織網(wǎng)絡(luò)的一個分類，車載自組織網(wǎng)絡(luò)有自身獨有的特點，比如，節(jié)點高度移動性，拓撲動態(tài)變化等。這些容易造成鏈路的不穩(wěn)定性，從而影響信息的傳輸。為了解決這個問題，已經(jīng)有許多的機制被提出：為了提升信息傳輸?shù)目捎眯?，EG-RAODV利用演化圖理論建立了高速道路場景下車間的通信模型。該模型刻畫了動態(tài)拓撲的演化特征，能夠在發(fā)送信息之前決定魯棒的路由。然而，它不能反映信道的性能。GPSR-R完善了GPSR協(xié)議。它在選擇下一跳節(jié)點中繼數(shù)據(jù)的過程中，考慮了節(jié)點間鏈路的穩(wěn)定性，進而提出了一個鏈路穩(wěn)定性的概率分析模型。通過該模型，一系列的節(jié)點被選擇，來建立一條從源節(jié)點到目的節(jié)點之間的路由。然而，相對于GPSR協(xié)議，該協(xié)議的時延有略微的增加。因為成功傳輸一個數(shù)據(jù)給多個節(jié)點的概率大于給一個特定節(jié)點的概率，所以另外一個提升車載網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的方法是采用“任播”路由?；凇叭尾ァ钡母拍?，LLA引入了一個鏈路開銷的特殊指標。該指標結(jié)合了傳輸投遞率和鏈路穩(wěn)定性來反映不同鏈路的性能?；谠撝笜?，在源節(jié)點和目的節(jié)點之間的路由可以通過LLA機制建立。但該協(xié)議沒有考慮鏈路的相對位置對于網(wǎng)絡(luò)性能的影響。現(xiàn)在雖有很多指標用于刻畫多跳鏈路的傳輸性能，比如，ETX，ETF，PRR，ETOP，但是它們主要關(guān)注的是估計節(jié)點之間鏈路的性能，并沒有反映節(jié)點自身 的傳輸性能。所以，用這樣的測量指標容易產(chǎn)生次優(yōu)的方案而影響路由的性能。如此的問題已經(jīng)被一些實驗所驗證，比如，GreenOrbs。這將進一步影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。假設(shè)在一對節(jié)點之間存在兩條路徑。每條路徑有相同的鏈路組成，但是鏈路的位置不同。如果利用傳統(tǒng)的指標，比如，ETX，來評估不同路徑的性能，則結(jié)果是一樣的，而事實上兩者卻并不相同。這是因為它并沒有考慮節(jié)點內(nèi)部的性能，所以就沒能刻畫鏈路的相對位置對于網(wǎng)性能的影響。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：現(xiàn)有技術(shù)沒有考慮組成路由的鏈路的相對位置對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀籈TOP和QoF分析了鏈路位置的影響，不過，它們沒有考慮節(jié)點的移動、信號衰落、信道競爭、隱藏終端等要素；SPRE雖然反映了鏈路的特性，卻沒有考慮傳輸?shù)臅r間，同時，它也不適合高速場景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議方法。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議方法，所述基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議方法包括：

測量鏈路在傳輸開銷和信息投遞率方面的性能，當數(shù)據(jù)傳輸成功時所需要的鏈路質(zhì)量LQ_n為：

LPDR_n表示信息投遞率，也就是數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕剩?/p>

LC_n表示數(shù)據(jù)從節(jié)點n到節(jié)點1傳輸過程中因為失敗所造成的開銷：

其中t_i(i-1)表示節(jié)點i和i-1之間的一跳傳輸時延。

根據(jù)鏈路質(zhì)量LQ_n方程，在任播機制下，從節(jié)點i到節(jié)點d的LQ_n被表示為：

其中M_k＝LPDR_k。

進一步，p_ij作為發(fā)送節(jié)點i和接收節(jié)點j之間的信息投遞率；假設(shè)每個節(jié)點只有一次發(fā)送機會,數(shù)據(jù)從源節(jié)點n向目的節(jié)點1發(fā)送過程中，在節(jié)點k丟失的概率為：

數(shù)據(jù)從節(jié)點n到節(jié)點1傳輸過程中因為失敗所造成的開銷LC_n為：

其中t_i(i-1)表示節(jié)點i和i-1之間的一跳傳輸時延；

根據(jù)公式計算期望開銷所需要的信息可以通過迭代的一跳信息交互獲得。

進一步，為應(yīng)對節(jié)點的移動性以及保障信息的快速傳輸，結(jié)合鏈路穩(wěn)定性以及一跳傳輸距離，定義一個自適應(yīng)的一跳選擇指標鏈路可用性：

d_j表示一跳傳輸距離；R表示節(jié)點的通信半徑；r_j(T_l)一跳鏈路穩(wěn)定性，即節(jié)點i和j的鏈路在給定時間T_l內(nèi)保持有效的概率；

其中μ和σ²各自表示速度的平均值和相應(yīng)的方差。

進一步，根據(jù)方程(5),，選擇N_i個可用的一跳鄰居節(jié)點作為下一跳選擇的候選者；它們和發(fā)送節(jié)點之間的鏈路可用性均超過一個給定的閾值；對于其中一個節(jié)點j,它的優(yōu)先級是根據(jù)相應(yīng)的LQ排序，當比它優(yōu)先級高的節(jié)點若都沒有成功收到發(fā)送節(jié)點的信息，它將作為中繼節(jié)點，而這個情況發(fā)送的概率為:

根據(jù)LQ_n，LQ_i越小，節(jié)點i的優(yōu)先級越高。

進一步，在任播機制下，從節(jié)點i到節(jié)點d路由協(xié)議方法包括：

對于V的每個節(jié)點i,設(shè)置LQ_i＝∞,J_i＝0；

設(shè)置LQ_d＝0,N＝V；

While

D＝D∪{j}；

對于每個邊(i,j)；

J＝J_i∪{j}；

If LQ_i＜LQ_j；

J_i＝J；

結(jié)束；

其中，V:節(jié)點的集合；C_j:在任播機制下，從節(jié)點j到節(jié)點d的鏈路質(zhì)量；D:具有到目的節(jié)點鏈路質(zhì)量的節(jié)點的集合；N:到目的節(jié)點還沒有鏈路質(zhì)量的節(jié)點的集合；J:傳輸節(jié)點集合；J_i:從節(jié)點i到節(jié)點d的傳輸節(jié)點集合。

進一步，在任播機制下，從節(jié)點i到節(jié)點d路由協(xié)議方法

通過在任播機制下，從節(jié)點i到節(jié)點d路由協(xié)議方法，每個節(jié)點得到自己到目的節(jié)點的最小的LQ_i；當節(jié)點i想要通過多跳傳輸向目的節(jié)點d傳輸信息時候，每個節(jié)點首先檢查目的節(jié)點是否在每個節(jié)點的通信范圍；

若在，就直接傳輸；否則，每個節(jié)點嘗試把數(shù)據(jù)傳給鄰居節(jié)點當中具有最小LQ_i的節(jié)點；若這次傳輸失敗，每個節(jié)點會根據(jù)節(jié)點到目的節(jié)點LQ_i的降序把數(shù)據(jù)傳給第二個節(jié)點；

以此類推，直到有節(jié)點成功接收到目的節(jié)點的最小的LQ_i信息；這時候，成功接收信息的節(jié)點重復(fù)以上過程，直到目的節(jié)點成功接收到自己目的節(jié)點的最小的LQ_i信息。

本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果為：

為了基于不同的應(yīng)用需求設(shè)計一個協(xié)議，路由指標可以定量的評估路由的有效性，在選擇最優(yōu)路由的過程中發(fā)揮著重要的作用，直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能。在本發(fā)明中，不同以往的工作，提出了一個新的指標“鏈路質(zhì)量”(LQ)。它不僅刻畫了鏈路的相對位置對于鏈路性能的影響，同時，也考慮了傳輸開銷以及數(shù)據(jù)投遞率?；谶@個指標，本發(fā)明提出了一個高速道路場景下基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議。利用這個機制，多跳的傳輸性能可以極大的提升。

該協(xié)議的仿真場景：本發(fā)明用SUMO和MOVE工具產(chǎn)生實際城市的道路環(huán)境。給定的區(qū)域為2000m*1500m,有15個路口和22個雙向車道。每個節(jié)點的節(jié)點位置隨機分布在該區(qū)域，速度區(qū)間為30km/h-60km/h，在每個路口隨機的選擇方向。IEEE 802.11的DCF協(xié)議用來作為MAC層的協(xié)議。每個節(jié)點的傳輸范圍 為250m，信道的傳輸速率為2Mbp/s，CBR用于產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流。周期性的beacon用于節(jié)點之間交互信息，間隔長度是1s，過期時間是5s。對比的協(xié)議為GPSR和ExOR。

數(shù)據(jù)投遞率：相比于GPRS和ExOR,我們提出的協(xié)議考慮了數(shù)據(jù)傳輸失敗時候的開銷，同時充分利用了網(wǎng)絡(luò)的資源獲得最優(yōu)的性能，此外，在做路由決定時候也開發(fā)了相鄰路段的信息，因此，在數(shù)據(jù)投遞率方面分別有22.85％和8.09％的提升。

端到端時延：相比于GRRS和ExOR，我們提出的協(xié)議考慮了網(wǎng)絡(luò)資源的開銷以及相鄰路段的性能，所以在一定程度上保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，降低了局部?yōu)化的概率，從而在端到端時延方面分別有36.13％和14.95％的降低。

仿真顯示該協(xié)議在數(shù)據(jù)的投遞率和端到端的傳輸時延方面都要優(yōu)于對比技術(shù)的協(xié)議。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的具有相同ETX路徑的實例圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的算法1的實例圖；

圖中，a、算法運行前的拓撲圖；b、算法運行后的拓撲圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

本發(fā)明實施例提供的基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議方法，首先提出了LQ的模型。然后，擴展該模型至“任播”機制。LQ的模型考慮了節(jié)點 的移動性、傳輸開銷、信息投遞率以及鏈路的位置。

考慮到高速道路場景的下的網(wǎng)絡(luò)拓撲，本發(fā)明可以用一個有向圖G(V,E)刻畫它，如圖1所示。其中，V是節(jié)點的集合，比如，a，b，c，d，s，d，E是鏈路的集合，比如，<i,j>表示的就是相鄰節(jié)點子節(jié)點一條鏈路。

假設(shè)每個車輛可以通過GPS導航系統(tǒng)獲知自己的地理位置，也能夠通過短程無線通信設(shè)備，比如DSRC，實現(xiàn)通信。目的節(jié)點的位置可以用過定位服務(wù)RLSMP獲知。

本發(fā)明考慮了影響通信鏈路穩(wěn)定性的兩個要素。

第一個是節(jié)點的移動性。一般而言，發(fā)送節(jié)點基于信標交換的信息來選擇一個鄰居節(jié)點作為下一跳。由于移動性，發(fā)送節(jié)點的鄰居節(jié)點容易移出它的通信范圍，從而導致之前維護的信息過期，影響了數(shù)據(jù)的傳輸。

第二個涉及鏈路的相對位置。如圖2所示，在節(jié)點1和3之間存在兩條由不同鏈路組成的路徑。每條鏈路用數(shù)據(jù)投遞率，即數(shù)據(jù)成功穿過鏈路的概率，表示其性能。以傳統(tǒng)的路由指標“平均傳輸次數(shù)”(ETX)為例，這兩條路徑有相同的值，即ETX_patha＝3×4＝12，ETX_pathb＝1×12＝12。然而，事實上，兩條路徑有不同的穩(wěn)定性，從而造成了不一樣的鏈路開銷和信息投遞率。假設(shè)每個節(jié)點有一次傳輸機會，同時為了方便，假定每次傳輸所需的時間是1，那么對于路徑a而言，由于傳輸失敗而造成的開銷是類似的，對于路徑b而言，由于失敗造成的開銷是顯然，路徑b相對于a而言，性能比較一般。這是因為路徑b接近目的節(jié)點的鏈路，比如鏈路2，有較低的信息投遞率。從源節(jié)點傳輸過來數(shù)據(jù)容易在這個鏈路上丟失，這樣的話，之前的傳輸過程就會浪費，從而增加了傳輸?shù)拈_銷。

本發(fā)明實施例提供的LQ模型：

1、鏈路的LQ：

定義p_ij作為發(fā)送節(jié)點i和接收節(jié)點j之間的信息投遞率。假設(shè)每個節(jié)點只有 一次發(fā)送機會,當源節(jié)點n有數(shù)據(jù)向目的節(jié)點1發(fā)送時，在節(jié)點k丟失的概率為：

數(shù)據(jù)從節(jié)點n到節(jié)點1傳輸過程中因為失敗所造成的開銷LC_n為：

其中t_i(i-1)表示節(jié)點i和i-1之間的一跳傳輸時延。

根據(jù)公式(2)計算期望開銷所需要的信息可以通過迭代的一跳信息交互獲得。

為了測量鏈路在傳輸開銷和信息投遞率方面的性能，定義當數(shù)據(jù)傳輸成功時的鏈路質(zhì)量LQ_n為：

LPDR_n表示信息投遞率，也就是數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕剩?/p>

2、任播機制下的LQ：

在“任播”路由中，發(fā)送節(jié)點同時給多個鄰居節(jié)點發(fā)送信息。為了避免不必要的傳輸，只有其中一個鄰居節(jié)點負責傳輸。所以，每個節(jié)點需要有不同的優(yōu)先級。一般而言，到目的節(jié)點具有最小LQ的節(jié)點有最高的優(yōu)先級。一個次優(yōu)先級的節(jié)點，只有在比它優(yōu)先級高的節(jié)點都沒有成功接收該信息的情況下，才能接收并轉(zhuǎn)發(fā)該信息。

為了決定可用傳輸節(jié)點的集合，本發(fā)明提出了一個自適應(yīng)的一跳鄰居節(jié)點選擇機制。為了應(yīng)對節(jié)點的移動性以及保障一跳的傳輸距離，本發(fā)明結(jié)合鏈路 穩(wěn)定性以及一跳傳輸距離d_j，定義了一個自適應(yīng)的一跳選擇指標“鏈路可用性”：

R表示節(jié)點的通信半徑。一跳鏈路穩(wěn)定性為r_j(T_l)，即節(jié)點i和j的鏈路在給定時間T_l內(nèi)保持有效的概率。

其中μ和σ²各自表示速度的平均值和相應(yīng)的方差。

根據(jù)方程(4),選擇了N_i個可用的一跳鄰居節(jié)點作為下一跳選擇的候選者。它們和發(fā)送節(jié)點之間的鏈路可用性均超過了一個給定的閾值。它們可以組成一個有序的集合，對于其中一個節(jié)點j,它的優(yōu)先級是根據(jù)相應(yīng)的LQ排序的。它將作為中繼節(jié)點，如果比它優(yōu)先級高的節(jié)點都沒有成功收到發(fā)送節(jié)點的信息。這個情況發(fā)送的概率為:

根據(jù)LQ的定義，會發(fā)現(xiàn)LQ_i越小，節(jié)點i的優(yōu)先級越高。進而根據(jù)方程,在“任播”機制下，從節(jié)點i到節(jié)點的d LQ可以被表示為：

其中M_k＝LPDR_k。

根據(jù)方程,作為SAF的一個拓展,節(jié)點i和d之間在“任播”機制下路由可以通過下面提出的算法建立。

算法：

V:節(jié)點的集合；

C_j:在任播機制下，從節(jié)點j到節(jié)點d的鏈路質(zhì)量；

D:具有到目的節(jié)點鏈路質(zhì)量的節(jié)點的集合；

N:到目的節(jié)點還沒有鏈路質(zhì)量的節(jié)點的集合；

J:傳輸節(jié)點集合；

J_i:從節(jié)點i到節(jié)點d的傳輸節(jié)點集合；

1)對于V的每個節(jié)點i,設(shè)置LQ_i＝∞,J_i＝0；

2)設(shè)置LQ_d＝0,N＝V；

3)While

4)D＝D∪{j}

5)對于每個邊(i,j)

6)J＝J_i∪{j}

7)If LQ_i＜LQ_j

8)

9)J_i＝J

10)結(jié)束。

如圖3所示，介紹算法1的一個簡單例子。圖中每個鏈路上的數(shù)字表示信息的投遞率，節(jié)點7是源節(jié)點，1是目的節(jié)點。為了簡單起見，假定一跳鏈路的傳輸時延是1。圖中，a、算法運行前的拓撲圖；b、算法運行后的拓撲圖。

通過這個算法，每個節(jié)點可以得到它自己到目的節(jié)點的最小的LQ。當節(jié)點i想要通過多跳傳輸向目的節(jié)點d傳輸信息時候，它首先檢查目的節(jié)點是否在它的通信范圍。如果在，就直接傳輸。否則，它嘗試把數(shù)據(jù)傳給鄰居節(jié)點當中具 有最小LQ的節(jié)點。如果這次傳輸失敗，它進而會根據(jù)節(jié)點到目的節(jié)點LQ的降序把數(shù)據(jù)傳給第二個節(jié)點。以此類推，直到有節(jié)點成功接收該信息。這時候，成功接收信息的節(jié)點重復(fù)以上過程，直到目的節(jié)點成功接收該信息。

本發(fā)明為了基于不同的應(yīng)用需求設(shè)計一個協(xié)議，路由指標可以定量的評估路由的有效性，在選擇最優(yōu)路由的過程中發(fā)揮著重要的作用，直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能。在本發(fā)明中，不同以往的工作，提出了一個新的指標“鏈路質(zhì)量”(LQ)。它不僅刻畫了鏈路的相對位置對于鏈路性能的影響，同時，也考慮了傳輸開銷以及數(shù)據(jù)投遞率。基于這個指標，本發(fā)明提出了一個高速道路場景下基于802.11的感知鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議。利用這個機制，多跳的傳輸性能可以極大的提升。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。