专利名称：借助路径相关的路由量度的迭代路由选择方法
借助路径相关的路由量度的 迭代路由选择方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在包括多个节点的通信网络中利用路由量度 来确定路径的方法。此外，本发明还涉及一种用于执4亍该方法的设备 和计算机程序产品。
在通信网络中，消息从相应的发送方被传输到 一个或者多个接收 方。在这种情况下，通信网络包括多个节点，这些节点发送、接收消 息并且必要时将消息转交给相邻的节点。这些节点的具体构造以及相 邻的节点之间的连接与所观察的网络相关。在因特网中，路由器例如 通过线路相互连接，而在无线电通信系统中，无线电接口将相邻的无 线电站相互连接。
如果消息的发送方和接收方不相邻，则通过经过一个或者多个节 点的路径传输消息。为了有效地形成消息传输的过程，在进行消息传 输之前确定发送方与接收方之间的路径。对此公知的是，节点存储有 路由选择表。路由选择表包括构成用于在网络中确定路径选择和消息 的转交的决定基础的信息。路由选择表的结构和内容以及更新机制基 本上与所采用的路由选择方法相关。
在确定路径的情况下，通常使用路由量度。利用路由量度评价各 种路径并且由此能够实现应该使用多条可能路径中的哪一条路径的决定。
本发明的任务在于，说明一种用于在通信网络中确定路径的方法 和 一种用于执行该方法的设备以及计算机程序产品。
该任务通过一种具有权利要求1所述的特征的方法和通过一种具 有并列权利要求所述的特征的设备来解决。有利的改进方案和扩展方 案是从属权利要求的主题。
在根据本发明的用于在包括多个节点的通信网络中确定路径的方 法中使用路由量度。在路由量度中引入由经过一节点的路径的数目所 确定的量。
通过通信网络的路径从起始节点或者发送节点伸展到目标节点或 者接收方节点。如果起始节点和目标节点不相邻，则该路径经过一个
或者多个其它节点。路由量度被用于评价这些路径，以致利用路由量 度能在可替换的路径之间做出决定。因此，例如能从某个发送方与某 个接收方之间的多条可替换的路径中使用具有路由量度的最低值(即 根据路由量度的最短长度)的那些路径。
根据本发明在路由量度中所引入的量由经过一节点的路径的数目 来确定。除了经过一节点的路径的数目之外，其它值或者参数也能被 包括在确定该量之内，这样诸如另外将以该节点为出发点的路径的数 目包括在内，即另外将其中相应节点是起始节点的路径的数目包括在
内。使用经过一节点的路径的数目和以该节点为出发点的路径的数目 对应于考察某个节点如何频繁地是一路径的进行发送的组成部分，并
且因此描述节点的满栽。
除了所说明的量之外，也能将其它量引入路由量度中。尤其是可
将所说明的关于多个节点的量引入路由量度中。因此，通过将该路径
经过的所有节点的所说明的量相加能例如构成路由量度。或者，通过
将该路径经过的所有节点的所说明的量和与该路径经过的节点具有某
种关系的所有节点的所说明的量相加来构成路由量度。
在本发明的扩展方案中，对于一个或者多个节点 由经过该节点的路径的数目和以该节点为出发点的路径的数目确 定第一总和；对于相应节点的每个相邻节点，由经过相应的相邻节点 的路径的数目和以该相应的相邻节点为出发点的路径的数目确定第二 总和；以及
由该节点的所有相邻节点的第二总和与第一总和确定第三总和。
优选地，由路径经过的所有节点的第三总和的总和或者由路径经 过的所有节点的第三总和与路径的发送节点的第三总和的总和得到该 路径的路由量度。在第二情况下，对沿着该路径进行发送的所有节点 的第三总和进行求和，即对最初的发送方和最初的发送方与接收方之 间的中间节点的第三总和进行求和。
在本发明的改进方案中，涉及一种迭代方法，其中交替地利用路 由量度确定路径和利用路径确定路由量度。该方法考虑以下事实，即 在确定路径时必需路由量度，而路由量度但是与某些路径相关。
根据本发明的特别有利的改进方案执行该迭代方法，直到量的值 收敛。迭代方法步骤可以如此长地重复，直到达到收敛，即例如端到
端数据呑吐量(Ende-zu-Ende-Datendurchsatz )和/或端到端时间延 迟(Ende-zu-Ende-Zeitverzoegerung )或者路径和/或路由量度不再 或者几乎不再随计算而变化。
如果本发明被用于通信网络，则是有利的，其中节点通过无线电 相互进行通信，诸如在多跳自组织无线电通信系统(Multihop Adhoc-Funkkommunikationssystem )上相互进行通信。
根据本发明的设备具有用于在包括多个节点的通信网络中利用路 由量度来确定路径的装置，其中在路由量度中引入由经过一节点的路 径的数目所确定的量。根据本发明的设备例如是通信网络的节点，或 者也可是中央设备，该中央设备负责确定路径并且将所确定的路径通 知给节点。
根据本发明的计算程序产品具有用于在包括多个节点的通信网络 中利用路由量度来确定路径的装置，其中在路由量度中引入由经过一 节点的路径的数目所确定的量。该装置例如能被用于通信网络的节点上。
结合本发明，除了 (具有其超过程序与计算单元之间的正常物理 相互作用的技术效果的)实际计算机程序之外，计算机程序产品尤其 是被理解为计算机程序的记录载体、文件集(Dateisammlung)、所配 置的计算单元，但是也例如被理解为存储设备或者服务器，在该存储 设备或服务器上存储有属于计算机程序的文件。
不仅根据本发明的设备而且根据本发明的计算机程序产品尤其是 适于执行根据本发明的方法，其中这也可以适用改进方案和扩展方 案。为此，该设备和计算机程序产品可包括其它适当的装置。
以下参照实施例进一步阐述本发明。其中
图1示出了由六个节点组成的网络，
图2a至2h示出了根据本发明的第一方法过程的步骤，
图3a和3b示出了根据本发明的第二方法过程的步骤。
图1示出了由节点0、 1、 2、 3、 4和5组成的网络。网络的节点 相互进行通信，其中使用共同的传输介质，诸如使用共同的无线电频 率。通过直线将相邻的节点相互连接，即将能直接相互进行通信的那 些节点连接。节点0与节点1、 2、 3、 4和5相邻，节点1与节点0、 2、 3和4相邻，节点2与节点0和1相邻，节点3与节点0、 1和4相邻，
6 节点4与节点0、 l和3相邻，而节点5与节点0相邻。本发明优选地 在较大的网络中被采用，可是针对如图1中所示的较小的网络简化该 方法的i兌明。
网络中的路径从起始节点不经过节点、经过一个或者多个其它节 点而伸展到目标节点。因此，节点2与节点4之间的路径例如可经过 节点O或者经过节点0和1。
以下，介绍一种方法，其中对于起始节点和目标节点的所有组合 确定通过该网络的路径。即确定该网络的完整的路由选择表。由于通 常在某个起始节点与某个目标节点之间存在多条潜在的路径，所以通 过路径的长度进行路径的加权或评价，路径的长度通过路由量度来确 定。路由量度的>^知的例子是跳数度量(hop-count Metrik)，其中 路径的长度作为路径所使用的跳跃的数目而得到。在这种情况下，相 对较长的路径优ii短路径。
为了计算以下使用的路由量度，对于每个节点确定以相应节点为
出发点(即对于该路径，相应节点是起始节点)的路径的数目，并且 确定经过相应节点的路径的数目。以下将该量称为Bk，其中k为相应 节点的索引。给每个节点分配由其Bk和与其相邻的节点的所构成的 总和。以下将该量称作Bk，，其中k为相应节点的索引。基于路由量 度的路径长度作为由沿着该路径进行发送的节点(即发送节点)的Bk， 和该路径所经过的节点的B广"所构成的总和而得到。
路由量度的选择有根据地在于，量B/"适于说明一节点在由网络 节点所共有的传输介质上的介质存取时间。在这种情况下，尤其是考 虑，如果相邻节点使用当前用于发送或者用于接收消息的传输介质， 则节点不能访问传输介质。这意味着，节点和与其相邻的节点不能同 时发送和/或接收消息。多条路径经过的节点具有的相邻节点越多，则 通常持续时间越长，直到该节点能访问该传输介质。
基于路由量度的、节点3与4之间的经过节点1的路径长度例如 表示为
路径314的长度-B," + Br"1，其中，B广-B3 + B。 + B, + B4，并且 B, Bi + B。 + B2 + B3 + B"
在路由选择表中以矩阵形式输入路径，其中矩阵的每列对应于某 个目标节点，而矩阵的每行对应于将消息发送或者转交给该目标节点
的某个节点。位置为(x， y)的矩阵元素的录入项z表示，节点x应 向节点z发送对于节点y所确定的消息。
在本方法开始时，所有Bk和所有B/"被置为值1。这对应于跳数 度量。作为初始化值也可使用不同于1的值，本方法的结果尽可能与 该起始值无关。如果还没有确定路径，则将值(-1)录入路由选择表 中。开始时的情况对应于图2a中所示的情况。Bk和Bk,被示在图2a 中并且在接下来的附图中被示为向量，其中Bk= [B。，B!，B2，B3，BsB5]和 B, = [B。c關，B广，B广，B广，B广，B广]。在路由选择表"路线 (ROUTES)，，中，所有录入项开始时都被置为(-1)。
在图2b中所示的第一步，观察所有路径，这些路径通向节点0, 即其中节点0为目标节点。由于所有节点0、 1、 2、 3、 4和5与节点0 相邻，所以这些节点直接向节点0发送对于节点0所确定的消息。因 而，路由选择表"路线"的所有行的第一列为0。如果观察节点3和4， 则例如也可能的是，这些节点向节点1发送对于节点0所确定的消息， 该节点l接着将该消息转交给节点0。通常，在两个确定的节点之间存 在多条可能的路径。这意味着，在制订路由选择表"路线"时必须在 可替换的路径之间做出选择。利用上面所阐述的路由量度进行如下选 择，即在路径之间进行选择时考虑路径的长度，该路径的长度根据在 上述步骤中所确定的量B/um来确定。
针对节点3与节点0之间的路径得出以下考虑
从节点3到节点0的直接路径分布该路径的长度为B3。um- 1，因 为节点3 (即发送节点)是沿着该路径的唯一的进行发送的节点并且该 路径不经过其它节点。
节点3与节点0之间的经过节点1的路径分布该路径的长度是 B广、B广、2，因为该路径经过节点l，该路径的B,"根据图h具有 值l。
节点3与节点0之间的经过节点1和2的路径分布该路径的长 度为B3eum+ 8,^ + 82，= 3，因为该路径经过节点1和2，节点1和2的 Bk。"根据图2a分别具有值l。根据路由量度选出具有最小长度的路径。 这对应于直接路径。
因此，对于路由选择表"路线"中的每个录入项，用路由量度来 评价所有可能的路径，并且根据路由量度选出具有最低长度值的路
径，并将该路径录入路由选择表"路线"中。在这种情况下，利用在 上一步骤中所确定的路由量度值来进行各种路径的评价。
在确定路由选择表"路线"之后，计算该量B广"。为了计算Bk，，
事先计算量Bk，。。在这种情况下，涉及Bk的分量，其中节点0是目标节 点。由于节点0不给自己发送消息，所以0在向量Bk,。的第一位置。 由于到节点0的路径根据路由选择表"路线"正好以节点1为出发点 并且不存在经过节点1伸展到节点0的路径，所以在第二位置为1。同 样也适于节点2、 3、 4和5。由于迄今为止只有节点0被视为目标节点， 所以Bk等于Bk,。。由于Bk对于所有节点已被确定，所以能计算B广、 对于节点0适用
Bkcum = Bo+ 8—82 + 83 + 84 + 85 = 0 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5。
对于节点l适用B cum=B。 ++ B2+ B3 + B4 = 0 + 1 + 1+1+1=4
对于节点2适用D cum=Bo ++ B2=0+ 1 + 1 = 2
对于节点3适用D cum=B。 ++ B3+ B4 = 0 + 1 + 1 + 1=3。
对于节点4适用D cum 15k=Be ++ B3+ B4 = 0 + 1 + 1 + 1=3。
对于节点5适用B「=B。 + B5=0+ 1 = 1。
在图2c中所示的第二步中，节点1净皮视为目标节点。如上所述
通过利用路由量度来评价到节点1的所有可能的路径并且根据路由量 度来选出最有利的路径，确定路由选择表"路线"中的录入项。因此，
节点0直接向节点1发送对于节点1所确定的消息，因而，在路由选 择表"路线"的位置(0， 1 )上为1。相应地，也适于与节点1相邻的 其它节点2、 3和4。节点5向节点0发送对于节点1所确定的消息， 因而在路由选择表"路线"的位置(5， 1)上为0。
为了确定BJ"，首先计算Bk,u在这种情况下，涉及Bk的分量，其 中节点1是目标节点。根据路由选择表"路线"，到节点1的路径以 节点0为出发点，并且到节点1的路径经过节点0，即从节点5到节点 1的路径。因而，在B^的第一位置为2。由于节点l不给自己发送消 息，所以在向量Bk,t的第一位置为0。对于节点2至5，在Bk,,中分别 为1，因为到节点1的路径以这些节点中的每一个为出发点并且没有路 径经过这些节点伸展到节点1。
计算Bk，其方式是对来自图2b的Bk,。(即Bk的分量，其中节点0 为目标节点)和来自图2c的B^ (即Bk的分量，其中节点1为目标节
点)进行相加。接着，由Bk能计算如上所述的B/um。对于节点1例如 适用Bkcum -Bc + B' + Ba + Bs + BA + Bs = 2 + 1 + 2 + 2 + 2 + 2 = 9。
在图2d中示出第三步，其中节点2被视为目标节点；在图2e中 示出第四步；其中节点3被视为目标节点；在图2f中示出第五步，其 中节点4被视为目标节点；以及在图2g中示出第六步，其中节点5被 视为目标节点。首先，分别通过利用路由量度确定应向哪个节点发送 对于相应的目标节点所确定的消息，进一步填充路由选择表"路线"。 在确定时，使用在前一步骤(Vorschritt)中所确定的Bk，，即在考 虑到由B,，所预定的路由量度的情况下选出录入项。接下来，基于新 的路由选择表"路线"计算该量B广"。
所述方法是一种迭代方法，因为一方面在确定路径时并且因此在 制订路由选择表"路线"时，路由量度通过量B广"引入，而另一方面 在路由量度中通过量Bk，引入某条路径。因此，交替地更新路由选择 表"路线"和路由量度。
在图2b至2g中，阐明用于确定通过网络的路径的第一轮计算环 (Berech麵gsrunde ),其中以将节点0视为目标节点来开始并且通 过节点l、 2、 3、 4继续直至节点5。可替换地，也可以使用其它顺序。 紧接着第一轮执行第二轮，其中重新以节点0为目标节点开始。因此， 在第二轮的第一步中确定路由选择表"路线"的第一列，其中根据来 自第一轮的最后一步的量B/"采用路由量度。接着，确定Bk和Bk，。 相应地，也参考作为目标节点的节点1、 2、 3、 4和5来采取措施，其 中由第二轮的相应上一步骤分别得到路由量度。在第二轮结束时得到 根据图2h的情况。
需要时可以进行进一步的多轮计算。在这些轮的过程中，该结果 收敛，即路由选择表"路线"的录入项和量Bk和Bk，不变化或者几乎 不再变化。通常在两轮之后已计算出自相容的(selbst-konsistent ) 路由选择表"路线"。在其它多轮迭代中，路由选择表"路线"的录 入项虽然还变化，可是例如与端到端数据吞吐量和端到端时间延迟相 比，不再显著增加网络功率。为了达到收敛所必需的轮数取决于所观 察的网络的量。
在图3a和3b中示出了可替换的计算过程的步骤。初始化状态对 应于图2a的状态。在第一轮中，在第一步将节点0视为目标节点并且
填充路由选择表"路线"的第一列。为了在各种可能的路径之间进行
选择，使用来自上一轮的Bk，，也就是来自初始化的B/um。接着，不重 新计算Bk和Bk，。更准确地说，在第二步将节点1视为目标节点并且 确定路由选择表"路线"的第二列，其中又使用来自初始化的Bk，。 相应地，也参考作为目标节点的节点2、 3、 4和5来进行。因此，对 于第一轮的路由选择表"路线，，的所有录入项使用初始化的值Bk，。
在如图3a中所示的那样在第一轮的范围中确定路由选择表"路 线"之后，基于该路由选择表"路线"实现Bk和B/"的计算，如图3a 中所示的那样。
路由选择表"路线，，的有些录入项在第一轮之后具有两个录入项。 这只有当这两条路径的路由量度相同(即路径变坏)时才出现。这种 情况原则上也会出现在参照图2a至2h所描绘的方法中。两个确定的 节点之间的多条路线的等值性通常在以下多轮计算中消失。
在图3b中示出了第二轮的结果。在第二轮中，首先对于节点0作 为目标节点、接着对于节点1作为目标节点、接着对于节点2作为目 标节点、接着对于节点3作为目标节点、接着对于节点4作为目标节 点并且最后对于节点5作为目标节点，确定路由选择表"路线"的录 入项，其中分别将在第一轮最后计算出的Bk，考虑用于评价该路线。 在确定第二轮的路由选择表"路线"之后，基于路由选择表"路线，， 计算出Bk和B广"，如图3b中所示。
在图3a和3b中所示的根据本发明的方法的第二变形方案具有以 下优点，即计算工作量较低，因为每轮仅仅必须确定一次Bk,，而不 像在第一变形方案中所设置的那样，在每步之后确定B/um。可是，通 常在第二变形方案中，在达到收敛之前，必需较多的轮数。
图2和图3的路由选择表"路线"的计算出的路径被用于在节点0、 1、 2、 3、 4和5之间发送消息。只有当网络的拓朴变化时，即当节点 之间的邻近关系变化时或者当节点重新添加到网络时或者当节点离开 该网络时，才必需重新计算该路径。
为了确定路径而以此为出发点，即执行计算的设备识别出网络的 整个拓朴。这例如可由此来实现，即每个节点收集关于其相邻节点的 信息并且将其已知的"链路状态"信息转递给其相邻节点或者转递给 中央设备。在收集和转递关于网络拓朴的信息之后，该方法对确定路
径的方法没有影响。
路径的计算可以通过网络节点进行，该节点将结果转交给其它节 点。识别网络拓朴的中央设备也可以执行根据所介绍的方法确定路 径。此外，可能的是，网络的多个节点或者每个节点执行所介绍的计 算。由于节点以相同的网络拓朴为出发点并且将相同的算法用于计算 路径，所以这些节点也确定相同的结果。
代替计算出的路由选择表"路线"，也可以转递计算出的量Bk，， 以致节点基于接收到的量Bk，来确定路由选择表"路线"。
所说明的其中由路径的进行发送的节点的B广"的总和确定路由量 度或路径长度的方法导致路径的确定，其中多条路径所经过的且相应 地严重满载的关键节点被减轻负荷。因此，例如根据本发明的方法所 确定的路径另选边缘节点(Randknoten)，由此该路径虽然必要时比 使用网络中心的节点更长，可是出现路径的较少满载。使用根据本发 明的路由量度导致提高的端到端数据吞吐量以及降低的端到端时间延 迟。
根据本发明的方法可被用于其中节点相互进行通信的任意网络 中。在诸如多跳自组织系统和传感器网络的无线电通信系统中使用是 特别有利的。
权利要求
1. 一种用于在包括多个节点(0，1，2，3，4，5)的通信网络中利用路由量度来确定路径的方法，其中，在路由量度中引入由经过一节点(0，1，2，3，4，5)的路径的数目所确定的量(Bkcum)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述量(Bk，)由经过一 节点(0， 1， 2， 3, 4， 5)的路径的数目和以所述节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)为出发点的路径的数目来确定。
3. 根据权利要求1或者2所述的方法，其中，对于一个或者多个 节点(0， 1， 2， 3， 4， 5):由经过所述节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的路径的数目和以所述节 点(O， 1， 2， 3， 4， 5)为出发点的路径的数目确定第一总和(BO ; 并且对于相应节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的每个相邻节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)，由经过相应的相邻节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的路径的数 目和以所述相应的相邻节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)为出发点的路径的 数目确定第二总和(BO ;以及由所述节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的所有相邻节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的第二总和与第一总和确定第三总和(B,m)。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，由路径经过的所有节点(0， 1， 2， 3， 4, 5)的笫三总和(Bk，)的总和或者由路径经过的所有节 点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的第三总和与路径的发送节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的第三总和的总和得到路径的路由量度。
5. 根据上述权利要求1至4之一所述的方法，其中，涉及一种迭 代方法，其中，交替地利用路由量度确定路径而利用路径确定路由量 度。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，执行所述迭代方法，直到 量的值、尤其是端到端数据吞吐量的值和/或端到端时间延迟的值收敛。
7. 根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，所述通信网络的 节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)通过无线电相互进行通信。
8. —种设备，其具有用于在包括多个节点(0， 1， 2， 3， 4， 5) 的通信网络中利用路由量度来确定路径的装置，其中，在路由量度中 引入由经过一节点(0， 1， 2， 3， 4, 5)的路径的数目所确定的量。
9. 一种计算机程序产品，其具有用于在包括多个节点(0， 1， 2 ，3， 4， 5)的通信网络中利用路由量度来确定路径的装置，其中，在 路由量度中引入由经过一节点(0， 1， 2， 3， 4， 5)的路径的数目所 确定的量。
全文摘要
本发明涉及一种用于在包括多个节点(0，1，2，3，4，5)的通信网络中利用路由量度来确定路径的方法。在路由量度中引入由经过一节点(0，1，2，3，4，5)的路径的数目所确定的量。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的设备和计算机程序产品。
文档编号H04L12/56GK101385285SQ200580047169
公开日2009年3月11日 申请日期2005年11月23日 优先权日2005年1月24日
发明者M·巴尔, M·格雷纳, R·索尔拉彻, W·克劳斯 申请人:诺基亚西门子通信有限责任两合公司