专利名称：基于mimo的自组织网络路由选择方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及路由选择方法，用于自组织网 络中的路由协议中。
背景技术：
随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是 频谱资源变得越来越紧张，如何高效的利用这些有限的通信资源已经成为无 线通信技术发展的焦点所在，于是使用多天线的MIMO技术应运而生。研究表 明，MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率 的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和 信道容量。
未来移动通信网络除了充分利用通信资源外，还要求网络组网灵活， 具有适应性和生存能力。无线自组织网络Ad hoc是一种没有预定的基础设施 支撑的自组织可重构的多跳无线网络，可以作为蜂窝移动网络的有效加强。 因此，移动自组织网络将因其灵活性而在未来移动通信网络中扮演重要作 用。MIM0技术与自组织网络的结合也必将是通信领域的一个新的发展方向。
现在的自组织网络路由协议大多是针对网络中是单发单收天线节点的 情况。MANET工作组已经公布了一系列的有关自组织网络路由的草案，如动 态源路由算法DSR、基于反向路径转发的拓扑分发协议TBRPF、优化链路状态 路由算法0LSR、按需距离矢量路由算法AODV、临时按序路由算法TORA和区域路由算法ZRP。此外,研究还提出了许多自组织网络路由协议，如目的序列距 离矢量路由算法DSDV、无线路由协议WRP、陆标路由协议LANMAR、位置辅助 路由。但是这些路由协议或者草案并不是针对MIMO链路的特性进行设计的， 为了更好的利用MIMO特性，需要有专门针对MIMO路径的路由协议。而路由选 择是一个路由协议的核心部分，它直接关系着协议的性能。因此，设计适于 MIMO路径的路由协议准则是一个亟需解决的问题。
目前基于多天线的适合自组织网络的路由准则并不多见。K. Simdaresan 等人在2005年IEEE的国际会议(ICNP )上，发表了一篇论文《Routing in Ad-Hoc Networks with MIMO Links》，该文给出了一种适应MIMO信道条件 的自适应路由协议MIR。该协议通过利用MIMO系统两种不同的工作模式 空间复用和空间分集实现路由的自适应选择。它的路由选择准则叫做MIR:
en(R) = i(第i跳需要静默的区域)+(第i跳的传输速率) i=i
Li=i i i
込(R) = min(ip
其中fi为范围扩展因子，它与用于分集的天线数目成线性关系；ri 是第i条链路的信息速率因子，它是实际信息速率与单天线信息速率的比值。 "(R)小代表路径的速率大、静默区域小，a(R)越小的路径，性能越好; ft(R)代表该条路径的最大速率，込(R)越大的路由性能越好。该路由准则把 "(R)作为第一考虑要素，选择a(R)最小的路径作为路由，只有在a(R)一样 的情况下，才比较&(R)的值，选取a(R)大的路径作为路由。 该路由准则存在的问题如下 (l)该准则认为天线用于分集和用于复用相比会增大静默节点的区域，但是实际上发送功率相同，同等数目的天线用于分集或者复用时，造成的静
默区域应该是一样的。MIMO技术就是在和单天线时天线总的发送功率相同的 情况下使用的，因此分集并没有像上述协议中所说的那样增大静默区域，所 以上述准则的设计不合理。
(2) 由于一条路径是由多条链路组成的，而决定这条路径最大流量的 是该路径上流量最小的那条链路，而上述路由准则可能发生类似如图l所述 情况
由图l的比较可看出该准则的缺陷，假设网络中有六个节点，每个节点有 四根天线，图l中实线代表复用链路，该复用链路表示传输距离与单天线下 的距离是一样的，链路速率为单天线情况下的4倍记为R ，图l中虚线代表分 集链路，该分集链路的传输距离为单天线的2倍，链路速率设为r，按照所述 MIR的路由选择方法，选择的路由应该是第一条路径。可是虽然前面几条链 路的速率都为R，但是最后一条链路的速率为r,成了瓶颈，使得前面发来的 包只能被存在缓存之中，没有缓存的话就被直接丢掉，所以，MIR路由准则 得到的路径速率为r，但是它又选择了过多的复用链路，增大了跳数，降低 了时延性能；第二条路由选择的是三条速率都为r的链路，表面上看它的路 径速率也是r，和MIR的一样，然而实际上，它的跳数小于MIR路由，接入时 延也就大大减少，提高了时延性能，如果将其折合为流量，它的路径速率就 会远大于MIR。
(3) 由于该协议选路的时候，把分集仅仅用于增大通信范围，忽略了 在使用分集的时候可以同时结合调制方式，该准则并没有实现发送范围扩展 与链路速率增加的折中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于MIMO的 自组织网络路由选择方法，以充分利用MIMO链路特性，从端到端路径出 发，将流量问题转化为时延，通过优化路由选择方法实现时延与流量的最优 化，提高所选路由的性能。
实现本发明目的的技术方案是通过分析己有选路准则的特点，结合 MIMO链路的特性，使适于MIMO特性的路由选择方法能最大限度的被用于提 高路径的时延与流量性能。具体步骤如下
扩展链路特性步骤对原有的基本MIMO链路进行扩展，在使用基本的 分集复用特性的基础之上，根据节点之间的距离判断节点收发数据所需要的 范围扩展倍数，如果节点间距离小于最大范围扩展倍数，则将多余的分集增 益用于使用更高阶的调制方式，否则，将全部分集增益用于增大发送范围；
设计度量准则步骤评价一条路由性能的主要指标为路径流量和路径时
延，考虑这两个因素结合已经扩展的MIMO链路的特性，设计出适于MIMO链 路的度量准则Ri=k/ri + T，其中k表示数据包长度的量，ri是第i跳链 路的速率，k/ri是一帧传输所需要的时间，T表示一跳的接入时延与网络处 理时延之和；
标定度量值步骤根据上述准则，结合实际的链路状况，得出每条链路 的k与ri的值，从而标定链路的度量值Ri;
路由选择步骤根据已经标定的每条链路的度量值，将每条路径上的链
路度量值Ri相加，得出路径的度量ERi，选取ERi最小的路径作为路由。
本发明的虚拟系统包括扩展链路特性装置在使用基本的分集复用度量的基础之上，根据节点 之间的距离判断节点收发数据所需要的范围扩展倍数，如果节点间距离小于 最大扩展倍数，则将多余的分集增益用于使用更高阶的调制方式，否则，将 全部分集增益用于增大发送范围，这样便将调制方式与分集相结合；
度量准则设计装置评价一条路由性能的主要指标为流量和时延，考虑
这两个因素结合已经扩展的MIM0链路的特性，设计出适于MIM0链路的度量 准则Ri^k/ri + T，其中k表示数据包长度的量，ri是第i跳链路的速率， k/ri是一帧传输所需要的时间，T表示一跳的接入时延与网络处理时延之和；
标定度量值装置根据上述准则，结合实际的链路状况，得出每条链路 的k与ri值，从而标定链路的度量值Ri;
路由选择装置根据上述度量准则，给每条链路标定它的度量值Ri,根 据已经标定的每条链路的度量值Ri，选取路径上所有链路的Ri值之和最小 的路径作为路由，完成路由的选择。
本发明通过考虑MIM0路径的特性，结合了调制方式与分集范围的折中， 从路径的时延与流量性能出发，设计了更加适合MIM0路径的选路准则，利 用该选路准则，不仅提高了路径流量，降低了时延，而且更好的利用了MIMO 链路的特性。
图1是现有MIR准则的场景图； 图2是本发明的路由选择流程图； 图3是本发明的链路扩展流程图； 图4是本发明的基本应用场景图；图5是采用现有MIR度量法进行路由选择获得的路径拓扑及性能图； 图6是采用现有复用链路选择法进行路由选择获得的路径拓扑及性能图； 图7是采用现有分集链路选择法进行路由选择获得的路径拓扑及性能图； 图8是采用本发明方法进行路由选择获得的路径拓扑及性能图。
具体实施例方式
本发明基于MIMO链路的自组网路由选择系统，包括扩展链路特性装 置、度量准则设计装置和路由选择装置。其中
扩展链路特性装置，是在使用基本的分集复用度量的基础之上，根据节 点之间的距离判断节点收发数据所需要的范围扩展倍数，如果节点间距离小 于最大扩展倍数，则将多余的分集增益用于使用更高阶的调制方式，否则， 将全部分集增益用于增大发送范围；
度量准则设计装置，评价一条路由性能的主要指标为路径流量和路径时 延，考虑这两个因素结合己经扩展的MIMO链路的特性，设计出适于MIMO链 路的度量准则Ri=k/ri + T,其中k表示数据包长度的量，ri是第i跳链 路的速率，k/ri是一帧传输所需要的时间，T表示一跳的接入时延与网络处 理时延之和；
标定度量值装置，根据上述准则，结合实际的链路状况，得出每条链路 的k与ri的值，从而标定链路的度量值Ri;
路由选择装置，是根据上述度量准则，先给每条链路标定它的度量值Ri, 再根据已经标定的每条链路的度量值Ri，选取路径上所有链路的Ri值之和 最小的路径作为路由，完成路由的选择。
参照图2，本发明选择路由的步骤包括一. 扩展链路特性步骤
参照图3，根据MIMO的特性，MIMO基本链路分为分集链路与复用链路。 MIM0链路的速率公式为C=min (m, n) log2 (1+p)，其中m， n是收发端 天线数目，p是每个天线的平均信噪比。由公式可见速率增大的倍数是与收 发天线数目最小值成线性关系的，因而复用链路可以在不增大发送功率的条 件下，增大链路的速率。而MIMO分集链路的增益可以用于增大数据的发送 距离，距离扩展倍数公式为卜d/d^^lO"ivGai"71^，其中d/d^。是实际通 信半径与单天线通信半径的比值，DWGain是全部天线用于分集可得的分集增 益，a是路径损耗参数。
本发明在使用基本的分集复用链路的基础之上，对其进行扩展，并根据 节点之间的距离判断它所需要的距离扩展倍数，首先确定收发节点所配置的 天线数目，得出最大分集增益DivGain，根据天线数目与距离扩展倍数公式 ，d/d^w = 10"ivGain/1()a ，得出收发节点最大天线数目能达到的距离扩展因
子f。获得收发节点之间的距离信息，计算到达该距离所需的距离扩展信息 f',单天线所能达到的距离扩展因子为l。如果f〉f' 〉1，说明有多余的分集 增益，将调制方式与分集进行折中，在达到目标距离的前提下，用更高阶的 调制，提高链路速率，得出链路速率值ri;如果f^f'，将全部的分集增益 用于距离扩展，得出链路速率值ri;如果f' 〈l或者f' =1，该条链路为复用 链路，不需要距离扩展，得出链路速率值ri;否则，该链路不可达。这种将 调制方式与分集相结合的扩展链路的方式，充分的利用了MIMO链路的特性。
二.设计度量准则步骤
目前，最基本的利用MIMO链路的准则是复用链路准则与分集链路准则。复用链路准则就是选择路径中复用链路最多的那条路径作为路由，分集链路
准则就是选择路径中分集链路最多的那条路径作为路由。MIR选路准则虽然 结合利用了分集与复用链路，但是由于它本身存在的问题，也并没能充分利 用MIM0链路。在选路准则设计的时候应该充分考虑链路特性与路径性能。
衡量一条路径性能的重要指标就是路径时延与路径流量，所以本发明在 设计选路准则的时候主要考虑了所扩展的链路特性对于路径速率以及路径 时延的影响。将衡量流量性能的指标转化为时延指标，在准则中同时反映了 时延与流量性能，结合己扩展的MIM0链路的特性设计一个适于其路由度量 准则为
Ri=k/ri + T
其中，K表示数据包长度的量，其目的为了表示业务量；ri是第i跳 链路的速率；k/ri是一帧传输所需要的时间；T表示一跳的接入时延与网络 处理时延之和，假设为定值。本发明主要研究的是MIMO链路下的路径性能， 假设节点己经握手完毕，每一跳所需的接入时延与网络处理时延是相同的， 因此假设T是个恒定的值，它对于每一跳取值都是相同的。
本发明准则的特别之处在于，它将衡量流量性能的指标转化为时延指 标，综合考虑了时延与路径流量。路径时延主要是由接入时延、网络处理时 延和数据传输时延组成，其中接入时延占大部分，也就是说跳数相对小的路 径，时延相对较小。在相同时间内，时延小的路径传输的业务量更大，可以 等效为同等时间内时延小的路径传输的流量更大。如果选取Ri值之和最小 的路径也就相当于得到了一条时延小并且流量大的路径。可见，该度量综合 了时延与流量性能。三. 标定度量值步骤
当源节点有业务要发送的时候，数据包长度的大小即为k的值。根据每 条链路收发节点之间的距离，得出所需的距离扩展因子，判断该条链路到底 是复用链路、分集链路还是结合调制方式的链路，最后得出该条链路的速率， 即为ri， T为一个恒定的值。找出由源节点到目的节点的所有连通的路径， 再根据所设计的选路准则，给每条路径上的链路标注其度量值Ri。
四. 路由选择步骤
进行路由选择的时候，将己经标定的每条链路的度量值作为这条链路的 代价，利用传统的4ijkstra算法进行选路，得出的路由就是ERi值最小的 那条路径。
以下给出本发明与现有选路准则的仿真对比效果
仿真条件仿真场景是由七个节点组成的拓扑结构，每个节点都配置了
四根天线，"=3,代表路径损耗参数，见图4。其中实线代表复用链路，即 实际通信半径与单天线通信半径相同，1*1天线即可达到的链路；虚线表示 分集链路，即实际通信半径大于单天线通信半径，需要2*2天线才可到达的 链路。由于MIMO技术的引入，原来单一的链路变得更加丰富，如:AC之间的 路径，原i只能通过A—〉B—〉C，现在由于每个节点都有四根天线，所以有了 AC之间直接的通路；A、 F、 G、 E这条路径也是单天线下不能利用的。我们 将在图4这同一个拓扑环境下使用不同的选路准则进行选路，对得到的路径 性能进行比较。
首先，根据不同的度量方法给每条链路标定一个度量值 (1)采用MIR的度量方法，其度量准则如下-en(R) = 2(第i跳需要静默的区域)+(第i跳的传输速率)
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中fi为范围扩展因子，它与用于分集的天线数目成线性关系；ri是 第i条链路的信息速率因子，它是实际信息速率与单天线信道容量的比值。
a(R)代表的是一条速率大、静默区域小的路径，a(R)越小的路径，性 能越好，因此在使用MIMO技术的时候，应使用尽可能少的天线；込(R)代表 该条路径的最大速率，込(R)越大的路由性能越好。该路由选择方法把a(R)作
为第一考虑要素，选择a(R)最小的路径作为路由，只有在a(R)一样的情况
下，才考虑込(R)的性能。
如图5，对于本场景复用链路的范围扩展因子为1，信息速率因子为 4，可得复用链路的度量值为(1*1)/4=1/4;分集链路的所用的分集天线数目 为2，信息速率因子为l，可得分集链路的度量值为(2*2) /1=4。因此各条 路径的度量分别为
{A— 〉B— 〉C— 〉D~ >E}---------{4.75， 1}
{A— 〉C — 〉D — 〉E} ---------{8. 25， 1}
{A_ >F — 〉G — >E} ---------{ 12 ， 1}
根据MIR准则，应该选择的路由是A—〉B—〉C—>D~〉E这条路径。 (2)采用复用链路选择方法
复用链路选路准则就是选择路径中复用链路最多的那条路径作为路由。
如图6，计算各条路径中的复用链路的数目，由拓扑可见，其中的复用
链路分别是A—〉B， B—〉C， D~〉E，可得(A—〉B—>C—>D~>E}---------该路径包含3条复用链路；
(A— 〉C 一〉D — 〉E}---------该路径包含1条复用链路；
(A— 〉F —>G — 〉E}---------该路径包含0条复用链路；
根据这个准则，选择的是A—〉B—〉C—〉D"—〉E这条路径。
(3) 采用分集链路选择方法 分集链路的准则就是选择路径中分集链路最多的那条路径作为路由。 如图7，计算各条路径中的分集链路的数目，由拓扑可见，其中的复
用链路分别是A— 〉C， C一〉D， A— >F， F —〉G， G — >E，可得
(A—〉B—〉C一〉D"〉E)---------该路径包含1条分集链路；
(A— >C 一〉D — 〉E}---------该路径包含2条分集链路；
(A— 〉F —〉G — 〉E}---------该路径包含3条分集链路；
根据这个准则，选择的是A—〉F—〉G—〉E这条路径。
(4) 采用本发明的度量方法
度量准则为Ri=k/ri + T (第i条链路的度量值) K为需要发送的业务量，T为恒定值。 选择路径的Ri之和最小的路径作为路由 R= min ERi
本发明在利用MIMO特性的时候，并没有把增大发送范围和增大速率作 为两个不可融合的特性。在图8所示的场景中实线表示复用，即实际通信 半径与单天线通信半径的比值为1，虚线表示分集，即实际通信半径与单天 线通信半径的比值为2。由于拓扑中的节点都配置了 4根天线，在4*4MIM0 系统中，使用STBC码进行分集方式通信可以获得16dB左右的分集增益，这
14里取为15dB。由公式卜d/d^^^l0^ivGai"^"，全部天线分集可以使发送范
围增大为单天线下的3. 16倍左右，但是场景中的分集链路只需2*2天线的
增益即可，那么就有多余的分集增益，这些多余的增益使节点可以选择比特 率更高的调制方式，在距离扩展的同时增大链路速率。通过链路特性扩展，
在达到所需距离扩展的同时，链路速率为单天线下的3倍。因此，根据我们 的方法，拓扑中的实线，表示复用链路，其链路速率为4倍的单天线下的链 路速率；拓扑中的虚线，表示分集结合调制方式的链路，其链路的速率为单 天线模式下的速率的3倍。可得，虚线链路的度量值为K/3+T，实线链路的 度量值为K/4+T。因此各条路径的度量分别为
{A—〉B—〉C—〉D~>E}---------该路径度量值为(13K/12+3T);
(A— 〉C 一〉D — 〉E}---------该路径度量值为(11K/12+3T);
(A— 〉F —〉G — 〉E}---------该路径度量值为(K+3T);
根据本发明的准则，选择的是A—〉C一〉D"〉E这条路径。 对比以上四种路由选择策略可见，复用链路准则最后选择的就是复用 链路最多的路径，将单条链路的速率作为主要因素。但是实际上路径的速率 是由路径上面的速率最小的链路决定的，可见这种路由选择方案的某些不合 理性。分集路径准则找出的是分集链路最多的路径，只考虑了时延特性，忽 略了速率性能。MIR路由认为使用多的天线会增加静默范围，把天线因子放 在分子上，速率放在分母上，可是经过证明，在发射功率相同的情况下，静 默节点的范围是不会扩大的，因此这个准则就有一定的不合理性。按照本发 明准则选择的路径有两条分集链路，最后一条是复用链路。
比较本发明与复用链路选择方法，由图8与图6比较可见，分集路由得到的是三条分集链路，本发明准则得到是两条分集链路和一条复用链路，对 比这两个准则得到的路径，只有最后一条链路不一样。分集准则的最后一条 链路是一条分集链路，本发明的最后一条链路是一条复用链路。而复用链路 的速率大于分集链路，因此本发明准则得到的路由性能也就优于分集准则得 到的路由。
比较本发明与MIR链路选择方法，由图8与图5比较可见，MIR路由得 到的是三条复用链路， 一条分集链路。本发明准则得到是两条分集链路和一 条复用链路，和本发明所得路由相比，MIR的两跳复用链路和本发明所得路 由的一跳分集链路达到了同样的节点。从时延上看，分集链路发送范围更大， 跳数小，接入时延小，而接入时延占在总时延中占了大比重，虽然复用链路 的速率大于分集链路，但是复用链路需要两跳，接入时延大，总的时延还是 分集链路的小，因此， 一跳分集链路肯定优于两跳复用链路；从速率上看， 虽然MIR路由选的链路速率比较高，但是它的第三跳是一条分集链路，即路 径速率实际上等于这条分集链路的速率，那么前面选择速率高的链路对于路 径流量的增益就被大打折扣了。这么看来，前面不选择分集路径而选择速率 高的复用路径所做的牺牲得不偿失。本发明所选路由的路径速率小于MIR所 选路由，但是时延小于MIR所选路由，所以本发明所选路由优于MIR所选路 由。
比较本发明与分集链路选择方法，由图8与图7比较可见，复用路由选 择的是复用链路最多的路径，只考虑链路速率，忽略了分集链路的优势。本 发明的路由在考虑时延性能的同时，也尽可能的选择速率好的路径，因此优 于复用链路。经过以上比较，可见本发明的准则得出的路由性能优于其他的准则得出
的路由，更好的利用了MIMO链路的特性，提高所选路由的性能。
权利要求
1. 一种基于MIMO链路的自组网路由选择系统，包括扩展链路特性装置在使用基本的分集复用度量的基础之上，根据节点之间的距离判断节点收发数据所需要的距离扩展倍数，如果节点间距离小于最大扩展倍数，则将多余的分集增益用于使用更高阶的调制方式，否则，将全部分集增益用于增大发送范围；度量准则设计装置评价一条路由性能的主要指标为路径流量和路径时延，考虑这两个因素结合已经扩展的MIMO链路的特性，设计出适于MIMO链路的度量准则Ri＝k/ri+T，其中k表示数据包长度的量，ri是第i跳链路的速率，k/ri是一帧传输所需要的时间，T表示一跳的接入时延与网络处理时延之和；标定度量值装置根据上述准则，结合实际的链路状况，得出每条链路的k与ri的值，计算出Ri，从而标定链路的度量值Ri；路由选择装置根据上述度量准则，给每条链路标定它的度量值Ri，根据已经标定的每条链路的度量值Ri，选取路径上所有链路的Ri值之和最小的路径作为路由，完成路由的选择。
2. —种基于MIM0链路的自组网路由选择方法，包括 扩展链路特性步骤对原有的基本MIMO链路进行扩展，在使用基本的分集复用特性的基础之上，根据节点之间的距离判断节点收发数据 所需要的范围扩展倍数，如果节点间距离小于最大扩展倍数，则将多余 的分集增益用于使用更高阶的调制方式，否则，将全部分集增益用于增大发送范围；度量准则设计步骤评价一条路由性能的主要指标为流量和时延， 考虑这两个因素结合已经扩展的MIMO链路的特性，设计出适于MIMO链 路的度量准则Ri=k/ri + T，其中k表示数据包长度的量，ri是第i 跳链路的速率，k/ri是一帧传输所需要的时间，T表示一跳的接入时延 与网络处理时延之和，假设为恒定的值；标定度量值步骤根据上述准则，结合实际的链路状况，得出每条 链路的k与ri的值，计算出Ri,从而标定链路的度量值Ri;路由选择步骤根据已经标定的每条链路的度量值，将每条路径上的链路度量值Ri相加，得出路径的度量ERi，选取ERi最小的路径作 为路由。
3. 根据权利要求2所述的自组网路由选择方法，其中度量准则 Ri=k/ri + T中k所表示的数据包长度，是作为业务量度量的因子，它 的值是随着源节点所要发送数据包的大小而变化的。
4. 根据权利要求2所述的自组网路由选择方法，其中度量准则 Ri=k/ri + T中T对于每一跳的取值都是相同的。
全文摘要
本发明公开了一种基于MIMO链路的自组织网络下的路由选择方法，主要用于解决当前路由选择准则不能很好的利用MIMO条件下新链路特性的问题。其路由选择步骤为(1)扩展链路特性根据链路的情况将其分为分集链路、复用链路和分集调制结合的链路；(2)设计度量准则考虑决定路由性能的各种因素，设计出度量准则Ri＝k/ri+T；(3)标定度量值根据链路实际情况确定度量准则Ri中的未知参数，得出Ri的值，从而标定链路的度量值；(4)路由选择计算出路径的度量∑Ri，选取∑Ri最小的路径作为路由。本发明通过设计更加适合于MIMO链路的选路准则，能够选择更优的路由，明显提高了路由协议的性能。
文档编号H04B7/04GK101511118SQ200910021619
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者李建东, 李红艳, 李维英, 白雪茜, 敏 盛, 赵林靖 申请人:西安电子科技大学