专利名称：无线自组织网络中寻找稳定路径的方法
技术领域：
本发明涉及无线网络的路由技术领域，尤其涉及构建一种稳定的自适应的自组织网络的方法。
背景技术：
无线网络从结构组成上可分为两大类有固定基础结构的无线网络和无固定基础结构的无线网络。(Elizabeth M.Royer，Chai-Keong Toh，”A Review of Current Routing Protocols forAd Hoc Mobile Wireless Network”，IEEE Personal Communications，Vol.6，No.2，pp.46-55，April 1999.)。
第一类网络中设有固定的、通过有线方式相互连接的网络节点，这些节点构成了网络的基本体系结构，如蜂窝网、无线局域网(WLAN)。蜂窝网中，基础网络结构由基站组成，以基站为中心，基站发射半径范围内的区域构成一个“小区”，固定的均匀分布的基站共同实现网络对某地区的覆盖。用户移动设备与所处小区的基站直接建立连接，所有数据均通过基站转发给用户，基站之间一般通过有线的方式相互连接，基站配有专用的交换设备完成对用户数据的交换、转发。无线局域网中，接入点(Access Point，AP)构成了网络的基础结构。在每个AP的无线收发机覆盖范围内的移动终端可通过AP接入互联网络，所有的用户数据均通过AP转发。在此类无线网络中，移动终端和其通信范围内的“接入点”(基站、AP等)建立连接，所传输的业务数据均通过“接入点”处理转发。当终端从一个“接入点”的通信范围内移出并进入另一个“接人点”的通信范围内时，在新旧“接入点”之间发生切换，使它们能够在整个网络内连续的进行无缝通信。但位于系统“接入点”覆盖范围之外的终端则无法与系统建立联系，终端之间无法直接建立通信链路。整个网络的拓扑结构是固定的，由网络基础设备的分布而决定。
第二类无线网络中没有“接入点”或者交换设备，而是由一组用户终端自发形成的一种分布式的通信网络，被称为“无线自组织网络”(wireless self-organized network)或Ad hoc网或多跳网络(multi-hop network)或无固定基础结构网络(infrastructureless network)。
自组织网络(adhoc网络)的技术起源于1973年美国国防部高级研究规划署(DARPA)资助了一项特别的研究——多跳分组无线电网络(PRNET，Packet radio network)。(J.Jubinand J.D.Tornow“The DARPA packet radio network protocol”，Proc.Of the IEEEE，vol 75，No.1，Jan 1987，pp.21-32)。而后，DARPA又于1983年资助进行了可残存自适应网络(Survivable Adaptive Network，SURAN)项目的研究，于1994年资助进行了全球移动信息系统(Global Mobile Information Systems，GloMo)项目的研究，以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。Ad hoc网就是吸取了PRNET、SURAN以及GloMo等项目的组网思想，而产生的一种新型的网络技术。
IEEE在开发IEEE 802.11标准时，将PRNET改称为Ad hoc网络。1997年IETF成立了MANET(MobileAd hoc network，移动Ad hoc网络)工作组，专门负责具有数百个节点的移动Ad hoc网络的路由算法的研究和开发，进行相应的标准化工作。MANET工作组已经制定了3个RFC和十几个Internet草案。
在无线自组织网络中，两个相邻终端可直接建立“端到端”的通信链路，无需通过基站(或者AP)等设备转发；同时，在自组织网络中，无交换机、路由器等专用设备，每个终端均具有路由交换的功能，可建立、维护到其他终端的路由并为其相邻终端转发业务数据。进而当非相邻终端需要通信时，终端本身可动态搜索有效路由，数据包通过其他终端转发，以“多跳”的方式传递至最终的目的终端。在端到端的通信业务中，建立路由是完成传输的前提条件，路由的搜索效率、路径质量、系统开销则决定了系统的整体传输性能。无线自组织网络的灵活性使得其终端所采用的路由算法成为影响网络性能的主要因素之一，进而路由算法设计成为这一领域的研究难点和热点。目前，已经提出的自组织网络的路由算法大多是基于传统有线互联网络或无线蜂窝网中的路由搜索、建立、维护的机制，以最短路由作为首选最佳路由进行通信传输。无线自组织网络中通信终端的移动性造成了网络拓扑结构不断变化，因而在无线自组织网络中，最短路由并不一定是最佳路由。因此在无线自组织网络中寻找稳定性路径的路由方法具有重要的意义，也是一个还未很好解决的问题。
IBM公司在专利申请(专利号为WO2004059928)“MAXIMUM LIFETIME ROUTINGIN WIRELESS AD-HOC NETWORKS”中，提出了一种最大化整个ad hoc网络的寿命的方法。它是以流问题(flowproblem)为模型，采用了ε优化方法，但是流问题是基于连续变量模型，不适合实际网络模型。该专利主要是从能量的角度来考虑使整个无线ad hoc网的寿命最大化。
专利定义的无线ad hoc网的寿命是直到网络中第一个节点的能量耗尽的时间。此专利主要是对这个时间进行最大化。但是，当在网络节点密度很高的无线ad hoc网络中，当某一个节点由于能量耗尽而退出此ad hoc网时，ad hoc网仍然能够很好的运行。因此仅考虑优化这种无线adhoc网的寿命的方法，没有能够很好地解决由于无线adhoc网的网络拓扑频繁所引起的问题。
清华大学和东芝公司共同申请的专利(申请号为CN03158155)“构建网络稳定性自适应的自组织网络终端的方法”提出了一种构建稳定性ad hoc网络的路由算法。该发明是一种以节点历史成功传递的数据包数量来衡量节点的稳定性，以节点的等待发送的数据缓存区占用率来衡量节点的负载，从而以综合考虑路径延时特性、路由稳定性和路径负载作为无线自组织网络路由标准的路由选择方法。
但是节点历史成功传递的数据包数量并不是无线自组织网络节点稳定性的很好的度量。由于无线自组织网络的节点是不断移动的，其网络拓扑是动态变化的，因此仅节点历史成功传递的数据包数量多就认为该节点是较稳定的节点是不一定合理的。历史成功传递的数据包数量多的节点可能在由于位置的移动在下一时刻不是一个稳定的节点。而且该发明还不是一个考虑了QoS的路由方法。
文献Paul，K.；Bandyopadhyay，S.；Mukherjee，A.；Saha，D.，A stability-based distributedrouting mechanism to support unicast and multicast routing in ad hoc wireless network，ComputerCommunications Volume24，Issue18，December 1，2001，pp.1828-1845提出了一种无线自组织网络的基于稳定性的分布式路由机制。该文献定义了节点密切关系(node-affinity)和链路密切关系(link-affinity)来衡量节点和链路的稳定性。
但是该链路密切关系度量主要是通过节点发射距离、节点间的距离以及节点速度来预测。而由于无线自组织网中节点运动方向的随机性，很多情况下通过该文提出的链路密切关系的度量来寻找的路径可能不一定是稳定的路由路径。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，能够高效的在自组织网络寻找稳定(长寿)路径。
为了达到上述发明目的，本发明无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，包括以下步骤 (1)源节点构造路由发现消息，通过本地组播到一个以上且非全部的邻居节点； (2)邻居节点转发路由发现消息到该邻居节点的一个以上且非全部的邻居节点，直到到达路由发现消息的目的节点； (3)所述路由发现消息的目的节点从各个传送路由发现消息的路径中选择路径稳定性最高的一条发送路由证实消息给源节点，源节点与目的节点建立通信连接。
上述的无线自组织网络中寻找稳定路径的方法中，步骤(1)包括 (11)每当收到连接请求，发起路由查找的过程源节点构造路由发现消息，并且设定该路由发现消息的结构及其初始值； (12)源节点计算其接收节点集，然后源节点按计算所得接收节点集将路由发现消息本地组播到源节点的一个以上且非全部的邻居节点中去。
上述的无线自组织网络中寻找稳定路径的方法中，步骤(2)包括 (21)所述邻居节点收到路由发现消息，检查本节点是否是路由发现消息的目的节点，如果是，则进入步骤(3)；否则，进入下一步； (22)所述邻居节点检查以前是否收到过该路由发现消息，若收到过，则丢弃该路由发现消息，步骤结束；否则，进入下一步； (23)所述邻居节点检查路由发现消息所经历的路径中的中间节点是否包含该邻居节点，若已经包含，则是一个环路路由，丢弃此路由发现消息，步骤结束；否则，进入下一步； (24)所述邻居节点检查此路由发现消息允许的在节点间的剩余跳数是否大于1，如果是，进入下一步；否则，则丢弃该路由发现消息，步骤结束； (25)所述邻居节点更新路由发现消息；并且计算此路由发现消息在本节点的转发节点集，然后根据计算所得的转发节点集将此路由发现消息本地组播出去； (26)重复以上步骤，直到路由发现消息到达目的节点，进入步骤(3)。
上述的无线自组织网络中寻找稳定路径的方法中，所述步骤(3)包括 (31)自第一次接到路由发现消息起的一段时间后，目的节点从各个传送路由发现消息的路径中选择路径稳定性最高的一条，沿着逆向路径向源节点发送路由证实消息，并且沿途预留资源； (32)路由证实消息到达源节点后，源节点与目的节点建立通信连接。
采用本发明所述方法，与现有技术相比，以节点的位置和运动速度的历史数据的统计特性来衡量节点(链路)的稳定性，并且以此为基础提出了一种寻找稳定路径(或长寿路径)的QoS路由选择的方法，能够高效的在自组织网络寻找稳定(长寿)路径。
图1是本发明的实现步骤； 图2是路径持续时间的仿真结果； 图3是路径重建次数的仿真结果。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明 本发明包含有以下步骤 (1)每当收到连接请求源节点s首先构造路由发现消息(DM包)；并且设定报文的结构及其初始值； (2)源节点计算其接收节点集，然后源节点按计算所得接收节点集将路由发现消息本地组播到源节点的部分邻居节点中去； (3)当某节点收到路由发现消息时，它首先检查本节点是否是路由发现消息中的目的节点。如果是目的节点，则 (A)等待实际td； (B)目的节点从所收到的所有路由发现消息中选择stability_parameter参数的值最小的路由发现消息的所经历的路由路径作为从源节点到目的节点的路由路径；否则，此节点继续处理此路由发现消息； (4)此节点然后检查以前是否收到过该消息，若收到过该消息则丢弃该路由发现消息；若没有收到过该路由发现消息，则此节点继续处理此路由发现消息； (5)此节点检查路由发现消息所记录的所经历的路径中列出的中间节点地址中是否包含其本身地址，若已经包含，则是一个环路路由，丢弃此路由发现消息；否则，继续处理； (6)此节点检查此路由发现消息的参数hop_count是否大于1，如果hop_count不大于1，则丢弃该路由发现消息；若hop_count大于1，则继续处理； (7)此节点更新路由发现消息；并且计算此路由发现消息的在本节点的转发节点集，然后根据计算所得的转发节点集将此路由发现消息本地组播出去； (8)以上过程重复进行，直到路由消息到达目的节点，目的节点获得了从源节点到目的节点的路由路径。然后，目的节点沿着此路径的逆向路径向源节点发送路由证实消息，并且沿途预留资源； (9)当路由证实消息到达源节点后，则该连接已成功地建立了路由，可以开始数据传送过程了。
为了减小路由消息开销，本发明提出和使用“本地组播”机制。在一个ad hoc网中每个消息在共享介质中通过本地广播进行传递。消息要么是一个本地广播消息，即其每个邻居节点都是接受者；或者是一个单播消息，即它是发往某一个接受者，而被所有其他的节点所忽略。“本地组播”就是允许邻居节点的一个子集作为接受者。在当前的ad hoc网中还并不存在“本地组播”的硬件支持，但是我们可以利用本地广播消息来进行软件实现。考虑某个节点i，令其接受节点集为Ωi。节点i并不是发送单播路由消息到Ωi中的每个节点，而是构造一个本地广播路由消息，这个本地广播路由消息有一个附加域来指明Ωi。这个路由消息被广播到所有邻居节点，每个邻居节点处理收到的路由消息并且检查它是否属于Ωi，如果属于Ωi，此节点接受它，否则丢弃它。这样通过“本地组播”，每个节点最多发送一个路由消息而不是对每个出口链路发送一个单播路由消息。
此外在ad hoc网中，设计QoS路由算法的最重要的一个问题是如何设计能适应网络拓扑快速改变的QoS路由算法。即希望选择一条稳定的路径或者长寿的路径。为此，本发明提出以节点的位置和运动速度的历史数据的统计特性来衡量节点(链路)的稳定性，在此基础上构造路径的加性度量来衡量路径的稳定性或者路径的寿命。其基本思想如下 统计物理中认为熵就表示粒子之间无规律的排列程度，或者说，表示系统的紊乱(无序)程度。系统越无序，熵就越大；系统越有序，熵就越小。(“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量”，维纳)。
因此系统的熵表示该系统的紊乱程度或者无序程度。那么我们就可以用熵来描述ad hoc网的网络拓扑的无序程度，即可以用熵来描述ad hoc网的网络拓扑的动态变化性。反过来，就可以用熵来描述ad hoc网中路径的稳定性。Ad hoc网又称为自组网，而每个可变化的自组织系统都有特征变量来表征。例如一个由运动粒子所组成的系统用位置矢量和速度矢量来表征其状态。所有这些特征变量合起来就能确定该系统的状态。
显然表征ad hoc网的网络拓扑状态的因素应该有三个方面各个移动节点的位置，各个移动节点的速度和各个移动节点的发射距离。令节点i的特征变量为ai，j，其中节点j是节点i的邻居节点；则ai，j＝ai，j(pos(i，t)，pos(j，t)，v(i，t)，v(j，t)，Ri，Rj)(3) 其中pos(i，t)、pos(j，t)分别是节点i和节点j在t时刻的位置向量；v(i，t)、v(j，t)分别是节点i和节点j在t时刻的速度向量；Ri、Rj分别是节点i和节点j的发射距离。
实际上ai，j应该与节点i和节点j的相对速度和相对位置有关，即ai，j＝ai，j(pos(i，j，t)，v(i，j，t)，Ri，Rj)(4) 其中pos(i，j，t)＝pos(i，t)_pos(j，t)表示t时刻节点i和节点j间的相对位置向量，v(i，j，t)＝v(i，t)_v(j，t)表示t时刻节点i和节点j之间的相对速度向量。
基于此，我们构造特征向量 这里N是在时间间隔Δt内离散时刻ti的个数(每隔一时间间隔Δ，相对位置向量和相对速度向量被计算和更新)。基于以上定义，我们定义熵 (6) 这里， F(i)表示节点i的邻居节点集或者其子集，C(F(i))表示集合F(i)的势(即集合F(i)的元素的个数)。如果我们想计算局部网络的稳定性(节点i附近的)，那么F(i)就可以设为节点i的邻居节点集；若我们仅对某一特定路径的一部分的稳定性感兴趣，那么F(i)就可以设为那条路径上的节点i的两个邻居节点。
从以上讨论中，我们可以看出我们所构造的熵函数Hi(t，Δ)并不是统计物理学或者信息论中严格意义下的熵，而只是借助于物理学中熵的意义和信息论中信息熵的形式所构造的能够表征路径稳定性的度量。此外根据此定义，给定区域变化越剧烈，Hi(t，Δ)越小。
对于从节点i到节点j的路径P，其熵定义为 这里Nr表示从节点i到节点j的路径P上的节点数。
由此定义可知路径P(i，j)越稳定，HP(i，j)越大。
我们再令H′i(t，Δ)＝-lnHi(t，Δ)(9) 即路径P(i，j)越长寿(稳定)，则 越小。即通过取负对数，我们得到了表征路径稳定性的加性度量——熵度量H′i(t，Δ)＝-lnHi(t，Δ)。
基于以上的方法，我们提出了一种能寻找稳定路径的QoS路由算法，此算法的详细描述如下 每当收到连接请求，源结点s发起路由发现过程。源节点s首先构造路由发现消息DM(s，pos(s)，d，pos(d)，cid，DB，hop_initial，hop_count，Delay_so_far，Path_so_far，Entropy_so_far)；其中参数的意义如下 a)s源节点； b)pos(s)源节点的位置向量； c)d目的结点； d)pos(d)目的结点的位置向量 e)cid连接id号 f)DB延迟约束； g)hop_initial是指所允许最大跳数的初始值，设为
其中ξ，η是两个系统参数(仿真表明尽管随着节点密度的不同，ξ，η有不同的最佳值，但是当ξ＝3，η＝3时，一般能够得到令人满意的路由成功率和花费相对较小的路由消息开销)； h)hop_count是指该路由消息所允许的最大跳数的当前值； i)Delay_so_far是指该消息迄今为止所经历的延时，初值设为0； j)Path_so_far是指该消息迄今为止所经历的路径，初值设为源节点id； k)Stability_parameter是表示路径稳定性的参数，等于该路由发现消息迄今为止所经历的路径的熵其初值设为0； 源节点计算Ωs＝FilH′(πH′(Filh(πh(N′(s)))))，其中N′(s)＝{k|Delay_so_far+D(s，k)≤DB，k∈N(s)}，h为启发式函数，可有多种选择，如h(i，j)＝dist(j，d)(在仿真中，选择这种形式的启发式函数)或h(i，j)＝dist(j，d)×cost(i，j)或其中π、Fil分别为排序操作和过滤算子，定义如下 排序操作π对于给定的序列S＝{s1，s2，…，sn}，其对应的关键字序列为{h(s1)，h(s2)，…，h(sn)}，则使得其中是{s1，s2，…，sn}的一种排列。
过滤算子Fil对于一个给定的按关键字h(si)有序序列S＝{s1，s2，…，sn}，其中h(s1)≤h(s2)≤…≤h(sn)，那么Filh(S)＝{s1，s2，…，sτ}，其中
表示大于等于
的最小整数。
然后源节点s按计算所得的Ωs域中的值将路由消息本地组播到s的部分邻居节点(在Ωs中的节点)中去。任何一个中间节点i从节点j收到路由消息DM(s，pos(s)，d，pos(d)，cid，DB，hop_initial，hop_count，Delay_so_far，Path_so_far，Stability_parameter)后，它首先检查以前是否收到过该消息，若收到过该消息则丢弃该路由消息；若没有收到过该路由消息，则检查本节点是否存在于Path_so_far，若本节点在Path_so_far中，则丢弃该路由消息；若本节点不在Path_so_far中，则检查(hop_count-1)是否大于0，若(hop_count-1)的值不大于0，则丢弃该路由消息；若(hop_count-1)的值是大于0，则更新路由消息为DM(s，pos(s)，d，pos(d)，cid，DB，hop_initial， (Stability_parameter(Path so far+i))。并且计算Ωi＝FilH′(πH′(Filh(πh (N′(i)))))，其中N′(i)＝{k|Delay_so_far+D(i，k)≤DB并且k≠j，k∈N(i)}，然后按计算所得的Ωi将上述路由消息本地组播出去。以上过程重复进行，直到路由消息到达目的节点d。若目的节点d收到第一个路由消息，则它等待一个预定的时间间隔td。目的节点d从它在此时间间隔td内所收到的路由消息中选择一个Stability_parameter域的值最小的路由消息，以此路由消息的Path_so_far域中所记录的路径作为从源节点s到目的节点d的路由路径。然后目的节点沿着此路径的逆向路径向源节点s发送路由证实消息，并且沿途预留资源。当路由证实消息到达源节点后，则该连接已成功地建立了路由，可以开始数据传送过程了。
我们提出的是一种延时约束的QoS路由算法，但是本发明的的方法不限于延时约束路由，适合于无线自组织网络中的其他路由方法。
仿真实验表明(见附图2、3)根据本发明提出的QoS路由算法相对其他路由技术，其所寻路径的稳定性大大高于其他路由算法，从而极大促进地解决了无线自组织网络由于网络拓扑地动态变化所引起不能有效路由的难题。
本发明可应用于无线通信领域，会议室、办公室、教室等临时性、终端密度较高的环境中，临时构建网络，用于信息的发布和共享；家庭环境中，用于各种设备的无线互联及数据交换，以低成本构建局域网络个人随身便携设备之间的协同工作及数据同步，如笔记本电脑、手机、PDA等设备间的临时构建个域网(Personal Area Network)；公共场所的临时性接入服务，如咖啡厅、餐厅内服务人员或顾客手持设备临时性的接入局域网；传统蜂窝网络的服务覆盖盲区的连接服务，如大型建筑物内部的阴影角落、地下建筑等提供传统网络覆盖困难(或成本过高)的环境；无网络覆盖地区，如在偏远山区、沙漠、森林。峡谷内，人员之间的相互通信；传统网络无法正常工作的环境，如灾害地区的紧急通信服务；战场、太空等特殊环境下的人员通信、设备互联；传感网络(Sensor network)一种准静态、多跳的自组织网络应用，可用于战场上的情报搜集(如地形、地表状况检测，雷区探测)系统监控(如城市地下管道系统的状态监测、生产线状态检测等)地震及海啸的早期预报等方面。
权利要求
1.一种无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，其特征在于包括以下步骤
(1)源节点构造路由发现消息，通过本地组播到一个以上且非全部的邻居节点；
(2)邻居节点转发路由发现消息到该邻居节点的一个以上且非全部的邻居节点，直到到达路由发现消息的目的节点；
(3)所述路由发现消息的目的节点从各个传送路由发现消息的路径中选择路径稳定性最高的一条发送路由证实消息给源节点，源节点与目的节点建立通信连接。
2.根据权利要求1所述的无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，其特征在于步骤(1)包括
(11)每当收到连接请求，发起路由查找的过程源节点构造路由发现消息，并且设定该路由发现消息的结构及其初始值；
(12)源节点计算其接收节点集，然后源节点按计算所得接收节点集将路由发现消息本地组播到源节点的一个以上且非全部的邻居节点中去。
3.根据权利要求1所述的无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，其特征在于步骤(2)包括
(21)所述邻居节点收到路由发现消息，检查本节点是否是路由发现消息的目的节点，如果是，则进入步骤(3)；否则，进入下一步；
(22)所述邻居节点检查以前是否收到过该路由发现消息，若收到过，则丢弃该路由发现消息，步骤结束；否则，进入下一步；
(23)所述邻居节点检查路由发现消息所经历的路径中的中间节点是否包含该邻居节点，若已经包含，则是一个环路路由，丢弃此路由发现消息，步骤结束；否则，进入下一步；
(24)所述邻居节点检查此路由发现消息允许的在节点间的剩余跳数是否大于1，如果是，进入下一步；否则，则丢弃该路由发现消息，步骤结束；
(25)所述邻居节点更新路由发现消息；并且计算此路由发现消息在本节点的转发节点集，然后根据计算所得的转发节点集将此路由发现消息本地组播出去；
(26)重复以上步骤，直到路由发现消息到达目的节点，进入步骤(3)。
4.根据权利要求3所述的无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，其特征在于所述步骤(3)包括
(31)自第一次接到路由发现消息起的一段时间后，目的节点从各个传送路由发现消息的路径中选择路径稳定性最高的一条，沿着逆向路径向源节点发送路由证实消息，并且沿途预留资源；
(32)路由证实消息到达源节点后，源节点与目的节点建立通信连接。
全文摘要
本发明公开了一种无线自组织网络中寻找稳定路径的方法。现有无线自组织网络不能寻找到稳定性最佳的路径进行通信。为解决上述问题，本发明无线自组织网络中寻找稳定路径的方法，包括以下步骤(1)源节点构造路由发现消息，通过本地组播到一个以上且非全部的邻居节点；(2)邻居节点转发路由发现消息到该邻居节点的一个以上且非全部的邻居节点，直到到达路由发现消息的目的节点；(3)所述路由发现消息的目的节点从各个传送路由发现消息的路径中选择路径稳定性最高的一条发送路由证实消息给源节点，源节点与目的节点建立通信连接。本发明适用于无线自组织网络。
文档编号H04L12/28GK101207537SQ20061017070
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者晖 沈, 刘太江, 张苏民, 宁录游, 王昌银 申请人:中兴通讯股份有限公司