专利名称：基于不同功率网卡的层次路由方法
技术领域：
本发明涉及一种使用功率可调双网卡改善应用于无线网络中基于位置信息的路由技术的 方法，属于无线网络路由技术领域。
背景技术：
传统的Ad Hoc路由协议主要有DSR (Dynamic Source Routing) 、 AODV(Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing) 、DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector)禾口 FSR(Fisheye State Routing)等。由于路由发现的广播特性以及路径较长时，路由很容易失效，导致大量 的路由开销，它的一个主要缺点是不适合中大规模、中高速运动的场合，因此人们提出许多 基于位置的路由协议，用来解决传统路由协议的不足。基于位置的路由协议利用节点的位置 信息来完成数据的转发，不需要维持端到端的路由，不需要维持全部节点的信息，所以它具 有很好的可扩展性和更好的性能。
现有的基于位置的路由协议，位置服务和数据传输服务釆用同样的路由机制，共用同一 信道，位置服务和数据传输服务经常冲突，降低了传输率。并且，为节省能源，Ad Hoc网络 中的设备发射功率很小，在大规模网络中，两个节点间传输位置服务信息常常要经过几跳甚 至几十跳，时延较大，不能做到实时更新位置信息，无法适应高速动态变化的AdHoc网络需 要。
发明内容
为此，本发明提出了基于不同功率网卡的层次路由方法，它主要解决基于位置信息的路 由技术中位置信息的更新时间长的问题以及位置服务报文占用数据服务的带宽问题。
本发明采用以下技术方案
一种基于不同功率网卡的层次路由方法，其特征在于包括以下步骤
1) 为网络中的每个节点配备两个功率可调的网卡，大功率用于位置服务，较小功率用于 数据传输，网络中每个节点都有位置服务和数据传输两种工作模式，位置服务模式工作在大
功率下，传输半径为R;数据传输模式工作在小功率下，传输半径为r， r远小于R;两种模 式工作在不同信道，可同时工作，互不干扰；
2) 在网络中选择用于位置服务消息转发的称作簇头的节点；
3) 使用这些簇头节点构建一个覆盖全网所有节点的位置消息转发服务网络；
4) 簇头节点在正常情况下工作于数据传输模式下，当簇头节点接到一个位置服务消息并 需要转发时，则换到位置服务模式，将位置服务消息广播出去；其它的普通节点工作在数据
传输模式下，只转发数据报文而不转发位置服务消息，当普通节点收到位置服务消息时，会 根据此报文更新自己维护的位置信息表而不转发。
所述选择簇头节点的步骤2)包括以下子步骤
2.1) 初始时，网络中每个节点标记为白色，并启用位置服务模式，传输半径为R;
2.2) 各白色节点计算自己的节点白度，即它的邻居节点中白色节点的个数；
2.3) 当一个白色节点发现它是白色邻居节点中节点白度最大的节点时，它成为位置服务 消息转发的节点，即簇头，并标记自己为黑色；
2.4) 将簇头的邻居视为普通节点，并标记为灰色，标记为灰色的节点启用数据传输模式， 网卡工作在小功率下；
2. 5)标记为灰色的节点在数据传输模式下重新计算自己的节点白度，节点白度大于0的，
标记为绿色，节点白度等于O的，标记为蓝色；
2.6) 在位置服务模式下，重新计算标记为绿色的节点的节点白度；
2.7) 当一个绿色节点发现它是绿色邻居节点中节点白度最大的节点时，它成为位置服务
消息转发的节点，并标记自己为黑色，将它的邻居绿色节点标记为蓝色，将它的白色邻居节
点标记为灰色；
2.8) 重复步骤2.7)-2.8)，直到不存在绿色节点； 2. 9)重复步骤2. 5) -2. 9)，直到不存在灰色节点；
2. IO)重复步骤2. 2)-2. 10)，直到不存在白色节点；
2. 11)各白色节点在位置服务模式下重新计算自己的节点白度；
2. 12)重复2.2)-2. 12),直到网络中不存在白色节点； 2. 13)选出的黑色节点即为参与位置服务消息转发的节点。 本发明的优点是
1. 能保证网络中的位置服务和数据传输服务同时高效进行，并且互不干扰，位置服务报
文通过大功率网卡发送， 一次能发送到更多的邻居节点处；
2. 节点的位置更新消息能在更少的转发次数内，广播到全网，从而提高了位置更新速度， 使得基于位置信息的路由协议能更好的适应高度动态变化的网络；
3. 避免了与数据服务的数据报发生冲突，减小了网络内的数据丢弃和重传等。
图l是本发明的一个实施例的移动ad-hoc网络场景示意图2是根据本发明的一个实施例，寻找第一个位置服务消息转发节点，将其标记为黑色， 其邻居节点标记为灰色；
图3是根据本发明的一个实施例，在灰色节点中寻找节点白度大于等于1的节点，将其 标记为绿色(图中用十字花纹填充)，节点白度等于O的节点，将其标记为蓝色(图中用斜线 花纹填充)；
图4是根据本发明的一个实施例，寻找节点白度比邻居绿色节点度大的绿色节点，并标 记为黑色，它的绿色邻居节点标记为蓝色(图中用斜线花纹填充)，白色邻居节点标记为灰色;
图5是在网络中寻找第一个位置服务消息转发节点的过程；
图6是在灰色节点中寻找一个位置服务消息转发节点的过程。
具体实施例方式
本发明是一种使用非对称双信道改善应用于无线网络中基于位置信息的路由技术的方 法。包括l.采用非对称双信道技术；2.在网络中选择用于位置服务消息转发的称作簇头的 节点；3.使用这些簇头节点构建一个覆盖全网所有节点的位置消息转发服务网络。
所谓非对称双信道技术是指为网络中的每个节点配备两个功率可调的网卡，大功率用于 位置服务，较小功率用于数据传输，网络中每个节点都有位置服务和数据传输两种工作模式， 位置服务模式工作在大功率下，传输半径为R;数据传输模式工作在小功率下，传输半径为r， r远小于R;两种模式工作在不同信道，可同时工作，互不干扰。节点的一个网卡用于位置服 务，以大功率发送位置服务报文；另一个网卡用于数据传输，以最小功率发送数据。两个网 卡工作在不同信道上，互不干扰。
而在网络中选择用于位置服务消息转发的设备，应保证选择出的设备数最少。因为用于 位置服务的网卡功率大，发射范围广，并不是在网络中的每一个设备都需要处理位置服务报 文的转发，因而为了减小网络中位置服务报文洪泛可能性，只需要选择一部分设备用于位置 服务消息转发。
下面结合附图作详细说明。
图1是一个大规模高动态变化的无线网络的场景示意图。在一个宽5公里，长5公里的 范围内，随机分布着约400个有无线通讯能力的节点，并且每个节点都处于运动状态，可向 任何方向按任何速度移动。每个节点带两个功率可调的网卡，大功率网卡用于位置服务，传 输半径R-250米；小功率网卡用于数据传输，传输半径^50米。图l中间带十字花纹的节点 1，它用亍位置服务的网卡的传输范围覆盖图中虚线圆内部分。
网络中各节点启动时，会获得一个网络中的唯一编号，如图1所示，给出了各点编号。 节点编号可由网络中的编号服务器统一分配，从1开始，网络中每加入一个新节点，编号加 1。编号服务器可人工指定，也可将网络中第一个节点设为编号服务器。
节点先将自己的颜色设为白色，然后启动位置服务，开始计算自己的节点白度。这里所 述的节点白度是指节点颜色为白色的邻居节点的个数。节点的邻居节点是指可与此节点直接 通讯，不需要中间节点转发信息的节点，也就是在以此节点为圆心，以节点传输半径为半径 的圆内的，除节点本身以外的所有节点。如图1中节点1的邻居节点是分布在虛线圆内的节 点2、 3、 4、 5、 6，不包括节点l。虚线圆是以节点l所在位置为圆心，以250米为半径的圆。 节点1在位置服务工作模式下的传输半径R-250米。
整个网络中， 一定存在一个节点白度最大值。如果拥有此最大节点白度的只有一个节点， 那么这个节点将成为网络中第一个选出的用于位置服务的节点。如果拥有此最大节点白度的 节点不只一个，则这些节点中编号最小的节点将成为网络中第一个选出的用于位置服务的节 点。设节点1是网络中选出的用于位置服务第一个节点。图1中虚线圆内的节点均是节点1 的邻居节点。此时，它的邻居节点颜色全为白色。当一个白色节点发现它是邻居白色节点中 节点白度(白色邻居节点数)最大的节点时，它成为位置服务消息转发的节点即簇头，并标记
自己为黑色(节点度相同时选择ID较小的节点为位置服务消息转发的节点)。簇头的邻居成为 普通节点，并标记为灰色。如图2中所示，节点l颜色变成黑色，而它的邻居节点2-6的颜 色变成灰色。其流程如图5所示网络中各节点上的程序先根据节点颜色状态判断此节点是 否是原始节点(即还未标记颜色状态的节点)，如果是，先将此节点颜色状态改为白色，并启 用位置服务模式，计算在位置服务模式下的节点白度，在计算节点白度时，会与邻居节点中 颜色状态为白色的节点交换信息，获得白色邻居节点的节点白度。然后节点与它的邻居节点 进行比较，如果它的节点白度比白色邻居节点的节点白度大，将此节点颜色状态设为黑色。 它的白色邻居节点颜色状态设为灰色。
标记为灰色的节点启用数据传输模式，网卡工作在小功率下，其传输半径^50米。标记 为灰色的节点在数据传输模式下重新计算自己的节点白度，节点白度大于O的，标记为绿色， 节点白度等于O的，标记为蓝色。如图3所示，2、 3、 4、 5号节点的节点白度均为0，标记 为蓝色，图中用深色斜纹标示。6号节点的节点白度为1，标记为绿色，图中用十字花纹标示。 A号圆画出了节点1在位置服务模式下，信号的覆盖范围。B号圆画出了节点6在数据传输模 式下，信号的覆盖范围。在此步骤中选出的标记为绿色的节点是标记为灰色的节点在位置服 务模式下信号覆盖范围边界处的节点。
在位置服务模式下重新计算标记为绿色的节点的节点白度。当一个绿色节点发现它是绿 色邻居节点中节点白度最大的节点时，它便成为位置服务消息转发的节点，并标记自己为黑 色(节点度相同时选择ID较小的节点为位置服务消息转发的节点簇头)，并将它的绿色邻居节 点标记为蓝色，将它的白色邻居节点标记为灰色。假设节点L即是它的邻居绿色节点中节点 白度最大的节点，那么，它的颜色变成黑色。如图4所示，A号圆画出了节点1在位置服务 模式下，信号的覆盖范围；C号圆画出了节点6在位置服务模式下，信号的覆盖范围。在C 号圆内的各节点都是节点6的邻居。节点6的白色邻居节点是处于A号圆以外，C号圆以内 的各节点，这些节点标记为灰色，即7号节点应该标记为灰色，图中用灰色标示。以上流程 如图6所示。 在灰色节点上，启用数据传输模式，计算在数据传输模式下的节点白度， 如果节点白度大于O，则将此节点颜色状态置为绿色；如果节点白度为O，将此节点颜色状态 置为蓝色。在绿色节点上，重新启用位置服务模式，在位置服务模式下计算此绿色节点的节 点白度。如果此绿色节点的节点白度比它的绿色邻居节点的节点白度大，将此绿色节点的颜 色状态置为黑色，它的绿色邻居节点颜色状态置为蓝色，白色邻居节点颜色状态置为灰色。此 步骤是在上一步骤中选出的边界节点中选择用于位置服务的节点，这些节点标记为黑色。
按以上描述的那样，网络中各绿色节点，灰色节点，白色节点都执行了以上各操作后， 网络中只存在黑色节点和蓝色节点。到此计算结束。标记为黑色的节点即为选出的用于位置 服务消息转发的节点。这些节点可以在需要的时候启用位置服务。转发位置服务报文。
综上所述，在网络中各节点执行选择用于位置服务消息转发节点的程序，通过网络中各 节点间的相互协作，选择出连接网络中各节点的最小节点集，这些节点可工作在位置服务模 式下，用于位置服务消息转发。选择过程是先在网络中选择拥有最多邻居节点的节点作为
第一个位置服务节点。再在第一个位置服务节点的信号覆盖范围的边界处寻找第二批位置服 务节点，同理，再在第二批位置服务节点的信号覆盖范围的边界处寻找第三批位置服务节 点……直到在边界处再找不到节点为止。这样选择出来的所有位置服务节点组成了此网络中 位置服务节点最小集。
用于位置服务消息转发的节点也是网络中的一个节点，它在正常情况下工作在数据传输 模式下，当接到一个位置服务消息并需要转发时，才换到位置服务模式，将位置服务消息广
播出去，这样，半径为250米范围内的各节点都可以接收到这个位置服务消息。而其它的普 通节点工作在数据传输模式下，只能转发数据报文而不能转发位置服务消息，当它收到位置服 务消息时，会根据此报文更新自己维护的位置信息表而不转发。
此外，某簇头节点位置改变时，便启用位置服务模式，广播自己的位置服务信息报文M， 传输半径为R;如果接收到报文M的节点是位置服务消息转发的簇头节点，则启用位置服务 模式，以广播方式转发M;如果接收到报文M的节点是普通节点，则不转发。
为了适应高速动态变化的AdHoc网络需要，还可以设置一个更新周期，到时间后重新选 择参与位置服务消息转发的簇头节点。
本发明适用于大规模高动态变化的无线网络中。无线网络中节点多，空间分布广，并且 多数节点处在高速运动状态。这样的应用场景比较典型，能很好体现本发明的优越性。当然， 在小规模无线网络中也可以实施此发明。
以上就是本发明在一个典型实施例中运行的详细过程。从此过程可看出，本发明特点主 要有以下几点利用工作在不同信道的功率可调双网卡设备，使得位置服务和数据传输服务 能并行高效进行，并且互不干扰；位置服务报文通过大功率网卡发送，能经过更少量的跳数 到达整个网络，从而提高位置服务报文传输速度，减小延时，提高整个网络中的位置更新速 度，使得基于位置信息的路由协议能更好的适应高度动态变化的网络；避免了数据服务报文 和数据报发生冲突，减小了网络内的数据丢弃和重传等。
这里所公开的实施例，从各方面考虑，它们都应该认为是示例性的，并不限制本发 明。本发明的范围是由后面所附的权利要求来确定，而不是由上面所描述的内容来确定。 因此，所有在与该权利要求等价的含义和范围内的变化都被包含于此。
权利要求
1.一种基于不同功率网卡的层次路由方法，其特征在于包括以下步骤1)为网络中的每个节点配备两个功率可调的网卡，大功率用于位置服务，较小功率用于数据传输，网络中每个节点都有位置服务和数据传输两种工作模式，位置服务模式工作在大功率下，传输半径为R；数据传输模式工作在小功率下，传输半径为r，r远小于R；两种模式工作在不同信道，可同时工作，互不干扰；2)在网络中选择用于位置服务消息转发的称作簇头的节点；3)使用这些簇头节点构建一个覆盖全网所有节点的位置消息转发服务网络；4)簇头节点在正常情况下工作于数据传输模式下，当簇头节点接到一个位置服务消息并需要转发时，则换到位置服务模式，将位置服务消息广播出去；其它的普通节点工作在数据传输模式下，只转发数据报文而不转发位置服务消息，当普通节点收到位置服务消息时，会根据此报文更新自己维护的位置信息表而不转发。
2. 如权利要求1所述的基于不同功率网卡的层次路由方法，其特征在于 所述选择簇头节点的步骤2)包括以下子步骤2.1) 初始时，网络中每个节点标记为白色，并启用位置服务模式，传输半径为R;2.2) 各白色节点计算自己的节点白度，即它的邻居节点中白色节点的个数；2.3) 当一个白色节点发现它是白色邻居节点中节点白度最大的节点时，它成为位置服务 消息转发的节点，即簇头，并标记自己为黑色；2.4) 将簇头的邻居视为普通节点，并标记为灰色，标记为灰色的节点启用数据传输模式， 网卡工作在小功率下；2. 5)标记为灰色的节点在数据传输模式下重新计算自己的节点白度，节点白度大于0的， 标记为绿色，节点白度等于0的，标记为蓝色；2.6)在位置服务模式下，重新计算标记为绿色的节点的节点白度；2. 7)当一个绿色节点发现它是绿色邻居节点中节点白度最大的节点时，它成为位置服务 消息转发的节点，并标记自己为黑色，将它的邻居绿色节点标记为蓝色，将它的白色邻居节 点标记为灰色；2.8) 重复步骤2.7)-2.8)，直到不存在绿色节点；2.9) 重复步骤2.5)-2.9)，直到不存在灰色节点；2. IO)重复步骤2. 2)-2. 10)，直到不存在白色节点；2. 11)各白色节点在位置服务模式下重新计算自己的节点白度；2. 12)重复2.2)-2. 12)，直到网络中不存在白色节点；2. 13)选出的黑色节点即为参与位置服务消息转发的节点。
3. 如权利要求2所述的基于不同功率网卡的层次路由方法，其特征在于 在步骤2.3)和2.7)中，当节点度相同时，选择ID较小的节点为位置服务消息转发的簇头节点。
4. 如权利要求1所述的基于不同功率网卡的层次路由方法，其特征在于在步骤2)之前设置一个更新周期，到时间后重新选择参与位置服务消息转发的簇头节点。
5. 如权利要求1所述的基于不同功率网卡的层次路由方法，其特征在于 在步骤4)中，所述位置消息转发服务网络工作过程如下某簇头节点位置改变时，便启用位置服务模式，广播自己的位置服务信息报文M，传输 半径为R;如果接收到报文M的节点是位置服务消息转发的簇头节点，则启用位置服务模式，以广播方式转发M;如果接收到报文M的节点是普通节点，则不转发。
全文摘要
一种基于不同功率网卡的层次路由方法，包括1)为每个节点配备两个功率可调的网卡，大功率用于位置服务，小功率用于数据传输，位置服务模式工作在大功率下，数据传输模式工作在小功率下，两种模式工作在不同信道；2)在网络中选择用于位置服务消息转发的簇头节点；3)使用簇头节点构建覆盖全网所有节点的位置消息转发服务网络；4)簇头节点在正常情况下工作于数据传输模式下，接到位置服务消息并需转发时，换到位置服务模式；普通节点工作在数据传输模式下，只转发数据报文不转发位置服务消息，当普通节点收到位置服务消息时，根据此报文更新自己维护的位置信息表而不转发。本发明可解决基于位置信息的路由技术中位置信息的快速可达问题。
文档编号H04L12/56GK101170500SQ20071017663
公开日2008年4月30日 申请日期2007年10月31日 优先权日2007年10月31日
发明者刘丽艳, 威 吴, 忠 周, 靖 曹, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学