专利名称：异构无线回传网络认知路由协议的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，主要涉及一种应用于异构无线回传网络的认知路由方 法，具体是一种异构无线回传网络认知路由协议。
背景技术：
经统计，未来5年用户带宽需求将增长10倍，并且3G系统中90%的信息交互发生 在建筑内；然而在一定的QoS需求下，宏基站信号向楼宇内每延伸一米，基站的个数要增加 27%。所以仅靠蜂窝系统将难以满足日益增长的用户需求，WLAN和蜂窝网络融合将是未来 通信发展的主要趋势。在无线mesh网络中，各网络节点通过相邻的其他网络节点，以无线多跳的方式相 连。无线mesh网主要由两种网络节点组成meSh路由器和mesh终端。Mesh路由器通常具 备多个无线接口，这些无线接口可以基于不相同的无线接入技术构建。异构的无线mesh网 络体系使得不同形态的网络能够协同工作，从而实现资源整合，满足用户多元化的需要。由于无线mesh网络具备灵活性和可扩展性，蜂窝网络和WLAN采用无线mesh回 传实现网络融合，简单网络融合下的多模终端垂直切换变成路由选择和端到端路由重构问 题。垂直切换中需要考虑信号强度，网络可用带宽，网络接入时间等因素，路由选择除了这 些因素，还要考虑相邻若干跳，各节点缓存包的数目等，从而得到端到端时延和吞吐量均较 大的路径。在异构的无线mesh网络，mesh路由器配备多个接口，由于接入技术不同，各接口 使用的频率也不相同，这样可以大大减少链路之间的干扰。传统的基于最小时延的路由协 议不能反映该网络的特点，因此需要设计新的路由协议，考虑频率分集的影响。认知路由能够感知当前网络的状态，通过适当的学习机制，如强化学习，根据所 感知的网络状态做出正确的规划、判决和动作。在认知的过程中，使用强化学习作为其学 习机制，它是一种无监督的学习方法，使智能体能够在环境模型未知的情况下，利用环境奖 胃^" ^^^Λ Μ 白勺力。i·“Cognitive NetworkManagement with Reinforcement Learning for Wirless Mesh Networks”提出了一种Q学习算法。在该算法中，每个节点对 无线网络的状态进行预测，并根据当前所预测的网络状态重新配置本条路由寿命。文 献“Minimizing End-to-End Delay :A Novel Routing Metric for Multi-Radioffireless Mesh Networks”中在多射频无线mesh的场景下，提出了一种用于最 小化路径的端到端时延的路由度量方法，该路径度量方法既考虑了包在节点的排队时延又 考虑了无线链路的传输时延，能够较好的描述包在路径上传输所需的端到端时延。同时，针 对多跳链路使用不同频率的场景，分析了网络中流间干扰和流内干扰的影响，给出了链路 等效带宽和端到端等效带宽的定义。路由判据最终为端到端时延与端到端等效带宽的加权 和。但由于该路由寿命，不能随网络状态的变化自适应的调整，其所需路由参数又较多，这 将导致端到端时延增加，吞吐量下降，网络开销增加。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的缺点，提出一种利用频率分集实现无干扰 多路传输，跨层获得路由参数，考虑传输时延和网络拥塞状态，选择最优路径传输数据，增 加网络吞吐量的异构无线回传网络认知路由协议。术语说明RREQ包Router Request，源节点发送的路由请求包。RREP包Router Reply,目的节点发送的路由回复包。ABITFi achievable bandwidth under intra-flow interference,链路 i 考虑流 间干扰得到的链路等效带宽。ABIRFi :achievable bandwidth under inter-flow interference，路径上干扰子 集i考虑流内干扰得到的子集路径等效带宽。MRAB :Multi-radio achievable bandwidth，路径端到端等效带宽。EED :End-to-End Delay，路径考虑节点排队时延和传输时延得到的端到端时延。WEED metric =Weighted end-to-end delay metric 端到端等效带宽和端到端时 延的加权路由判据。本发明的实现在于一种异构无线回传网络认知路由协议，其特征在于利用跨 层设计从MAC层获得网络层路由参数；使用维纳预测对路由参数进行预测；路由发现过程 建立无干扰多条路径；源节点根据端到端时延使用Q学习动态调整路由生存时间；具体步 骤有步骤一路由表中添加信道号域(charmelnum)；在RREQ包中添加时延和域 (EED_record)、添加信道号域(channel_num)、添加链路等效带宽域(ABITF_record)、添加 干扰域(interference_rec0rd)记录与路径上节点存在相同信道的邻节点；在RREP包中添 加时延和域(EED_record)、添加RREP序列号(RREP_num)；步骤二各节点周期性从MAC层读取本节点缓存中队列的长度、丢包率和各个接 口的干扰功率值；在网络层计算该节点的路由度量时延值和链路等效带宽值，并利用维纳 预测对时延以及链路等效带宽进行采样和预测；步骤三源节点在所有接口上以泛洪的方式发送RREQ包并在路径序列域 (route_record)记录该节点ID，在信道号域(charmelnum)，记录发送使用的接口 ID ；步骤四收到RREQ包的中继节点，判断自己是否为目的节点，如果不是，信道号域 (channel_num)记录接收接口 ID，并在该节点的所有接口广播该RREQ包，将节点ID和发 送接口 ID填入路径序列域(route_record)和信道号域(channel_num)；时延和域(EED_ record)记录发送链路端到端时延和；链路等效带宽域(ABITF_reC0rd)记录接收链路等效 带宽；在干扰域(interference_record)记录干扰节点ID ；步骤五目的节点在首次收到RREQ包时，启动定时器，将后续收到的RREQ包添加 到RREQ队列中；当定时器超时或RREQ队列中RREQ包等于5个时，根据RREQ队列中RREQ 包携带的路由信息，计算路由判据WEED metric，选择TOED metric值最小的路径回复RREP 包；并比较RREQ队列中其他RREQ包的干扰域与该路径RREQ包中干扰域中是否有交集，若 无，则RREP序列号加1，回复该RREQ包；步骤六RREP包在返回源节点的途中，将路径上各节点新预测的时延值进行累加并记录到RREP包中；步骤七源节点收到RREP包后，根据RREP包中携带的时延和信息，使用Q学习根 据网络状态动态调整路由生存时间；步骤八若源节点和目的节点间存在两条路径，由于这两条路径之间无干扰，源节 点利用这两条路径并行发送数据；如果其中一条路由生存时间到期，仅使用另一条发送数 据，两条路由生存时间均到期，重新路由查找。本发明是在异构无线回传网络基础上建立的应用协议，考虑到针对该类网络现今 并无合适的应用协议，本发明分析该网络频率分集的特点，利用跨层设计获得路由参数，并 使用维纳预测和Q学习的方法动态感知网络状态，综合各个因素，选择最优路径传输数据。本发明的实现还在于上述步骤二所述的节点从MAC层获取链路中断概率和节点 排队队列长度；并在网络层采用维纳预测过程预测链路端到端时延EED值，采用如下步骤 计算2a.节点在MAC层周期性统计MAC层丢包的比特数，将其除以MAC层输入的比特 数，计算出MAC层的丢包率，并将其作为链路中断概率Pi的估计值；2b.网络层周期性的从MAC层读取本节点的网络层队列长度和MAC层的丢包率，计 算该节点的路由度量时延值；Pi为从MAC层读取的链路中断概率Ji表示包在链路i上的服务时间；K表示最大 重传次数Jj表示第j次退避的竞争窗口大小；L表示包长度；B表示链路带宽，则在无线链 路上，每个网络层包传输所需的服务时间的期望E[TJ用如下公式表示
权利要求
1.一种异构无线回传网络认知路由协议，其特征在于利用跨层设计从MAC层获得网 络层路由参数；使用维纳预测对路由参数进行预测；路由发现过程建立多条相互无干扰的 路径；源节点根据端到端时延使用Q学习动态调整路由生存时间；具体步骤有步骤一路由表中添加信道号域；在RREQ包中添加时延和域、信道号域、链路等效带宽 域和干扰域；在RREP包中添加时延和域和RREP序列号；步骤二 网络中各节点周期性从MAC层读取本节点缓存中包队列的长度、丢包率和各 个接口的干扰功率值；在网络层计算该节点的路由度量时延值和链路等效带宽值，并利用 维纳预测对时延以及链路等效带宽进行采样和预测；步骤三源节点在所有接口上以泛洪的方式发送RREQ包；并在路径序列域记录该节点 ID，在信道号域记录发送使用的接口 ID ；步骤四收到RREQ包的中继节点，判断自己是否为目的节点，如果不是，信道号域记录 接收接口 ID，并在该节点的所有接口广播该RREQ包，将节点ID和发送接口 ID填入路径序 列域和信道号域；时延和域记录发送链路端到端时延和，链路等效带宽域记录接收链路等 效带宽，干扰域记录干扰节点ID ；步骤五目的节点在首次收到RREQ包时，启动定时器，将后续收到的RREQ包添加到 RREQ队列中；当定时器超时或RREQ队列中RREQ包等于5个时，根据RREQ队列中RREQ包携 带的路由信息，计算路由判据WEED metric，选择TOED metric值最小的路径回复RREP包； 并比较RREQ队列中其他RREQ包的干扰域与该路径RREQ包中干扰域是否有交集，若无，则 RREP序列号加1，回复该RREQ包；步骤六RREP包在返回源节点的途中，将路径上各节点新预测的时延值进行累加并记 录到RREP包中；步骤七源节点收到RREP包后，根据RREP包中携带的时延和信息，使用Q学习根据网 络状态动态调整路由生存时间；步骤八若源节点和目的节点间存在两条路径，由于这两条路径之间无干扰，源节点利 用这两条路径并行发送数据；如果其中一条路由生存时间到期，仅使用另一条发送数据，两 条路由生存时间均到期，重新路由查找。
2.根据权利要求1所述的异构无线回传网络认知路由协议，其中步骤二所述的节点从 MAC层获取链路中断概率和节点排队队列长度，并在网络层采用维纳预测预测链路端到端 时延EED值，采用如下步骤计算2a.节点在MAC层周期性的统计MAC层丢包的比特数，将其除以MAC层输入的比特数， 计算出MAC层的丢包率，并将其作为链路中断概率Pi的估计值；2b.网络层周期性的从MAC层读取本节点的网络层队列长度和MAC层的丢包率，计算该 节点的路由度量时延值；Pi为从MAC层读取的链路中断概率Ji表示包在链路i上的服务时间；K表示最大重 传次数Jj表示第j次退避的竞争窗口大小；L表示包长度；B表示链路带宽，则在无线链路 上，每个网络层包传输所需的服务时间的期望E[TJ用如下公式表示其中，
3.根据权利要求1或2所述的异构无线回传网络认知路由协议，其中步骤二所述的节 点从MAC层获取节点接收信道干扰功率，并在网络层采用维纳预测过程预测链路等效带宽 ABITF，采用如下步骤计算3a.网络层从MAC层得到干扰功率的采样值，按照步骤2c中维纳预测的方法，推测干扰 功率Pi的未来值Pi (t+ τ )；3b.设i表示为节点u向节点ν发送使用的有向链路i办表示链路i的物理带宽；流 间干扰比例IDI^i(UV)为节点ν实际接收的干扰功率与节点ν允许的最大干扰功率的比值
4.根据权利要求3所述的异构无线回传网络认知路由协议，其中步骤五所述，从目的 节点接收到的RREQ包中选择两条无干扰的路径，回复RREP包，步骤如下4a.目的节点接收多个RREQ包，选择路由判据WEED metric最小的路径回复RREP包；4b.依次将RREQ队列中RREQ包的干扰域与最优路径的RREQ包的干扰域进行比较，若 无交集，则该路径与最优路径之间无干扰，回复RREP包。
5.根据权利要求4所述的异构无线回传网络认知路由协议，其中步骤七所述，源节点 从收到的RREP包中读取路径估计的端到端时延，并使用Q学习方法调整路由生存时间，步 骤如下5a.读取RREP包中时延和域，得到估计的源到目的端到端时延Test ；5b.根据上述时延估计值Test，通过如下公式计算归一化路径时延估计值全文摘要
本发明属于无线通信领域，公开了一种适用于异构无线回传网络认知路由协议。主要解决了针对异构网络各节点使用频率不同，端到端如何有效选择路径的问题。当源节点发送RREQ，中间节点收到RREQ时，根据MAC层传递的消息，通过维纳预测，将得到的链路时延EED和链路等效带宽ABITF添加到RREQ中。目的节点根据RREQ携带的路由信息，考虑排队时延，传输时延，干扰和链路频率分集等因素选择路径回复。源节点收到返回的RREP后，根据预测的端到端时延，动态调整路由生存时间，提高路径的有效利用率。本发明根据异构网络的特点，综合考虑频率分集，链路干扰，并引入维纳预测，Q学习，进行路由选择。提高了端到端吞吐量，降低路由开销，充分利用了网络资源。
文档编号H04W40/12GK102143549SQ20111007159
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者刘凯, 张凡, 张琰, 李建东, 盛敏, 陈清平 申请人:西安电子科技大学