一种基于定向天线的无线网络路由方法

专利名称：一种基于定向天线的无线网络路由方法
技术领域：
本发明涉及一种无线网络路由方法，特别是涉及一种基于定向天线的无线网络路由方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
定向天线在无线网络的应用将极大地提高无线通信特别是军事通信网络中的保密性、增加通信距离、提高网络的空间利用率、提高网络容量等，这些优点已经使其成为目前无线通信产学研，特别是在军事通信应用领域关注的热点之一。但是应该注意的是，引入定向天线带来的上述优点是以网络整体机动性下降为代价的，而网络机动性的下降将大大降低网络信息的扩散效率，比如路由链接信息、路由建立与维护信息以及面向业务的路由服务质量保证信息的扩散；降低路由算法的收敛速率；减弱网络稳定性以及QoS(服务质量)保证等，这些问题已经成为目前无线通信产学研需要重点攻克的难题。经过对现有文献的检索发现，R. R. Choudhury等人以及H. Gossain等人分别于 2005年在Elsevier旗下的《Ad Hoc Networks (自组织网络)》期刊第3卷第157页到173 页和 2006年 12 月在《IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS (IEEE 并行与分布式系统学报)》第17卷第1438页到1451页发表了题为“Performance of ad hoc routing using directional antennas (使用定向天线的自组织网络路由性能)”与“DRP : An Efficient Directional Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (一禾中移动自组织网络的有效定向路由协议)”的文章。这些文章都基于Dynamic Source Routing(DSR) 协议，提出了面向定向天线网络的定向路由协议。但文章都没有去深入探究如何提高基于定向发送定向接收模式下的机动受限问题，同时文章提出的路由机制也没有考虑面向业务流的实际需求，而这些正是我们实际应用过程中所迫切需要解决的问题。经检索还发现，于全和吴克军在2008年通信学报第29卷第8期上发表了题为“采用方向性天线的ad hoc网络路由协议研究”的文章，提出一种采用方向性天线的ad hoc网络位置信息辅助的按需距离矢量路由协议，通过结合泛洪、受限泛洪、路由压缩、位置信息修正的贪婪转发策略以及分区桥接策略提高了路由发现效率，但文章假定系统采用定向和全向两种天线模式，与定发定收的天线模式相比，文章中采用的天线模型将大大影响定向天线网络的网络容量、网络通信距离，也降低了网络的保密性。此外，经检索还发现，I.Jawhar 等人在 2010 年《IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS (IEEE并行与分布式系统学报)》第21卷第1240页到1253页发表了题为"Resource Scheduling in Wireless Networks Using Directional Antennas，， 的文章。该文章为基于定向天线的时分复用移动自组织网络的QoS路由协议提出了一种带宽预约机制。因为文章侧重QoS路由协议中的定向预约方法，所以也没有考虑定向天线网络中的机动受限问题。综上所述，现在提出的基于定向天线的通信网络路由机制中，或没有提供定向天线网络中机动受限问题的解决方案，或通过增加全向通信模式直接回避了这个关键问题，
4或忽视了实际应用中多业务流对无线网络资源的优化与有效利用等。这些都影响了该热点方向在产学研各方面的进展，也迫切需要联合这些角度为定向天线在无线网络的应用提供解决方案。

发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于定向天线的无线网络路由方法，该方法充分考虑了源节点的按需通信业务对于链路QoS的需求，并且在路由的建立过程中对节点引入了级别的概念，采用分布式处理方法，通过中间节点的快速有条件转发，目的节点的最优决策，最终建立了一条自适应分布式QoS路由。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案通过引入节点级别设置消除路径扩散的回路，保证路径请求报文快速扩散到目的节点；在路径回复的反向回馈过程中，通过目的节点制定最佳路由决策，避免了由源节点做决策情况下各链路进行路径请求回馈造成的定向延迟；为了减少节点定向通信引入的扫描延迟，在路径请求回复和后向回馈过程中， 通过中间节点记录的与下一跳节点的通信方位角，及时有效地建立通信链接。本发明方法基于如下计算公式及条件。公式一，延迟累积量计算数据包在已经建立好的路径上传输时，延迟主要有四部分处理延迟、排队延迟、 传输延迟以及传播延迟。由于微电子工业的发展，信号处理速度的提高，处理延迟、排队延迟相比传输延迟都已很小。另外，传播延迟也可以忽略。因此，这里只考虑传输延迟。一条链路上的传输总延迟主要由当前业务流的数据量大小以及节点的数据发送率决定，其大小等于链路上所有节点对该数据量的传输延迟的叠加。设节点A接收到上一节点发来的 RREQ(路由请求包)，此包中包含欲发送的数据量大小以及该链路上此前的节点所需的传输延迟的叠加，记为Delay (延迟)累积量。且设节点A的数据率为扎，则
待发送的业务流数据量大小
新的Delay累积量=Delay累积量+^条件一链路带宽条件设A有邻居节点B，且AB之间链路带宽为BWa, b，该参数可以通过该节点对此前多次通信的信道情况做出估计。设BWmin表示源节点业务对链路所需最低带宽要求，若BWa, B ^ Bfffflin则表示满足条件一，否则表示不满足条件一。条件二时延累积量条件接收到路由请求包RREQ的节点A通过公式一计算出新的Delay累积量，设 Delaymax表示源节点业务对链路所能忍受的最大时延要求。如果新的Delay 累积量彡 Delaymax则表示满足条件二，否则表示不满足条件二。条件三级别条件为提高路由发现过程中信息扩散的效率，节省网络资源，特别是保证信息的前向扩散速率，尽可能地减少定向天线网络的机动受限问题对路由信息扩散的影响，该路由方
5法在路由发现过程中动态地对网络中的节点设置级别，任何节点只接收并转发来自比它级别低或相同的节点的路由信息。级别设置规则如下设发起业务路由请求节点的初始级别为0，任何接收到路径请求的节点根据转发路径请求的上一跳节点的级数进行加1。假设节点B接收到来自节点A的路由请求包RREQ时，设节点B的节点级别为m，节点A的级别为 η,若m 彡 η 或 m = inf则表示满足条件三，否则表示不满足条件三。条件四中间节点链路带宽及Delay累积量过滤条件由于节点定发定收的通信模式，在一次路由发起过程中，同一节点可能会在不同时间点接收到同一个源节点发出经过不同链路的多个路径请求报文。为了尽量减小网络中路径请求报文的定向洪泛同时也尽可能地选取最佳QoS(服务质量)路由，需要对中间节点是否转发收到的路径请求报文设置一定的判定标准当一个新的路径请求报文经过中间节点时，记该路径请求报文显示本链路上的最小带宽为BW1、Delay累积量为Delayl，而此前记录的经过该中间节点的所有链路中的最小带宽及Delay累积量设为BW2和Delay2。本方法以延迟为首要约束条件，但是当Delay累积量只是稍大而带宽条件却更好得多时，我们同样允许Delay累积量稍大的链路通过。因此，首先判断两个Delay累积量是否满足只相差在一定小的范围ξ内，即Delayl-Delay2< ξ是否成立。再判断其最小带宽是否相差是否已经超出范围η之外，即再判断BW1_BW2> η是否成立，若两个不等式都成立，表示满足条件四，否则表示不满足条件四。本发明提供一种基于定向天线的无线网络路由方法，该方法为自适应QoS路由方法，在每个节点的邻居范围内，所有节点通过随机扫描的方式与邻居节点进行定向通信，具体包括以下步骤第一步，源节点根据自己的业务需求提出其路由链路带宽最低要求BWmin、延迟最大容忍度Delaymax、Delay累积量相差门限ξ及带宽相差门限η，转下步;第二步，源节点检查自己的邻居节点ID表，检查其欲发送数据的目的节点是否在其邻居节点ID表中。若目的节点在其邻居节点表中，且其与目的节点的链路条件满足条件一，则源节点可以直接通过发送一跳路径请求与目的节点建立链接。若目的节点不在其邻居节点表中或者两者之间的直接链路不满足条件一要求，则转到下一步；第三步，源节点首先将自己的路由级别设置为0级，将业务延迟Delay累积量赋初值0，转下一步；第四步，根据自身ID号(作为发送路径请求包的节点ID号)形成的最原始链路 ID链、目的节点ID号、源节点ID号(此时即为自身ID号)、自身级别、待发数据量大小、并通过公式一计算新的Delay累积量、BWmin，同时连同Delaymax、Delay累积量相差门限ξ及带宽相差门限n封装成路由请求帧RREQ，也为该RREQ赋予一个唯一的ID号包含在帧中，
转下一步；第五步，源节点分析其与它的每一个邻居节点间的链路带宽BW是否满足条件一， 若满足，则在该RREQ帧中装入源节点与对应邻居节点间的链路带宽(作为该对应链路的初始最小带宽)，发送给该对应邻居节点，并记录与该邻居节点定向通信的方位角(以便只在这些方向上侦听路由回复信号RREP以提高机动性)，转下一步；
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第六步，收到RREQ的中间节点首先记录RREQ包的发送节点ID、包中包含的RREQ 包ID号、该RREQ包所经链路节点的节点ID链、Delay累积量以及该链路上的最小带宽、ξ、 η、Bffmin以及Delaymax，然后检查此RREQ中目的节点的ID号与自身ID号比较，若相同，转向第十三步，若不相同，转向下一步；第七步，该中间节点根据第六步所记录的该RREQ所经节点的节点ID链表中是否已经含有自己，即判断自己是否已经存在于该链路中。若已含有自身，则直接转到第十二步，若没有转到下一步；第八步，节点将该包中的Delay累积量及链路最小带宽值与已经收到过的最佳链路条件的RREQ包的相应值进行比较，若两个指标满足条件四，就转到下一步，若不满足，则直接转到第十二步。第九步，该中间节点将RREQ中标记的转发此RREQ帧的节点级别(设为i)与自己的级别号进行比较，若满足条件三，则将自己的级别重新设置为i+Ι，并将自己的上一级节点设置为此RREQ的转发节点，且转向下一步，若不满足条件三，则转向第十二步；第十步，根据公式一计算新的Delay累积量，若新的Delay累积量满足条件二，转向下一步，否则转向第十二步；第十一步，该中间节点将自身ID加入链路ID链、从收到的RREQ中提取的源节点ID、目的节点ID、RREQ的请求ID、自己现有的级别、数据量大小、根据公式一计算的新的 Delay累积量、ξ、η、Bffmin及Delaymax形成RREQ发送给满足条件一的邻居节点，并在对应包中将最小链路带宽与对应节点链路带宽相比，将小者替换成链路最小带宽封装在包中。 再进入第六步进行循环，中间节点每向邻居节点转发一次路径请求报文RREQ，将记录下其与邻居节点通信的方位角。若该中间节点只有发送该RREQ的节点这一个邻居节点，那么进入下一步；第十二步，该中间节点将RREQ包丢弃，并不做任何转发，且删除第六步中已记录的相关信息；第十三步，由于RREQ中的目的节点ID号与自身相同，故该节点就是目的节点。目的节点自收到第一条RREQ时开始最优路由选择计时器计时，在该计时器减小到0后，选择该时间内所有到达目的节点的链路中按条件四选择时延和带宽最好的一条路径作为当前的路由请求响应路径。此时目的节点将从该路径请求报文中提取出来的链路节点ID信息装入路由回复帧RREP中，并利用节点记录的通信方位角定向发送给链路节点信息中的上一节占.
y \\\ 9第十四步，收到RREP的节点首先对比自身ID与RREP中的源节点ID，若相同，则代表链路建立成功，若不相同，则再按该RREP中的链路节点ID信息向其上一节点转发该RREP 信号。最终RREP被转发回源节点，此时路由链路建立成功。本发明上述步骤中其中，源节点根据其业务需求提出其链路带宽要求以及端到端传输时延要求。其中，节点在向其邻居节点转发路由请求包时，首先判断其与邻居节点之间的链路是否满足源节点提出的链路带宽要求，满足链路带宽要求的才向其转发路由请求包 RREQ0其中，所述的路由请求报文帧包含了目的节点ID、当前中转节点ID、自身级别、数
7据量大小、该候选链路的当前Delay累积量、源节点要求的链路最小带宽BWmin及链路最大时延 Delaymax。其中，中间节点在收到上一个节点发来的RREQ后，根据该候选链路现有的Delay 累积量、业务传输的数据量大小以及节点本身的发送数据率通过公式一计算出该候选链路现有的更新Delay累积量。其中，候选链路上的中间节点在计算出到该节点的Delay累积量后，首先判断此 Delay累积量是否能够满足源节点提出的链路质量的时延要求，若此时的Delay累积量已经大于源节点要求的最大端到端时延，表明此候选链路一定不能满足源节点提出的时延要求，则该节点就不再转发此RREQ ；只有当现有Delay累积量小于源节点提出的最大时延要求时，该节点才可能转发RREQ包。其中，对于候选链路上的中间节点，必须充分联合考虑Delay累积量及链路带宽， 若两条链路Delay累积量相差不大，而Delay累积量稍大的链路其链路上的最小带宽比前一条链路好很多时，中间节点仍然转发该RREQ包。其中，在RREQ的前向扩散过程中，节点转发RREQ后记录其与转发目的节点的天线方向角，在RREP的回复过程中，节点只在这些方向上侦听RREP信号。其中，对于链路上各节点都设置相应的级别；每个节点只转发级别数小于或等于其自身级别数的RREQ包。其中，最优路径的选择权交给了目的节点；目的节点根据一定时间内到达目的节点的有效链路选择一条Delay时延最小的链路。与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果首先，该路由方法通过由源节点按需地发起路径请求、中间节点按序有条件快速转发、目的节点做出最佳路由决策的协作方式，使得建立起来的路由方法具有分布式自适应特性。同时由目的节点参与路由决策的机制也减少了源节点的工作负担，也最大程度地减少了由于网络机动受限给定向路由发现和维护过程中信息反向扩散带来的阻碍。其次，该路由方法的定向路由建立过程中充分考虑了源节点的业务对于QoS的需求，具有更强的实际应用推广价值。再次，路由的建立过程中对节点引入级别的概念，这样就很大程度上减少了路由建立过程中路径请求、路径回复等控制信号的洪泛，也最大程度地保证了路由请求信息的快速前向扩散，从路由发起的前向扩散角度减少了网络机动受限给定向路由发现和维护过程中带来的阻碍。


图1为网络拓扑结构图；图2为链路树形结构图。图3为中间节点收到RREQ后节点的转发处理流程图。图4为全局路由发现过程流程图。
具体实施例方式为了使本发明的技术手段、创作特征与达成目的易于明白理解，以下结合具体实
8施例进一步阐述本发明。 本实施例采用图1所示的网络拓扑，图2为链路树形结构图。图1中网络共有11 个节点，其中节点S为源节点，节点D为目的节点。设各节点的参数如下表所示，并且这里设定带宽和Delay累积量过滤门限分别为η = 2，ξ = 10。
权利要求
1. 一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 第一步，源节点根据自己的业务需求提出其路由链路带宽最低要求BWmin、延迟最大容忍度Delaymax、Delay累积量相差门限ξ及带宽相差门限η，转下步;第二步，源节点检查自己的邻居节点ID表，检查其欲发送数据的目的节点是否在其邻居节点ID表中；若目的节点在其邻居节点表中，且其与目的节点的链路条件满足“链路带宽条件”，则源节点可以直接通过发送一跳路径请求与目的节点建立链接；若目的节点不在其邻居节点表中或者两者之间的直接链路不满足“链路带宽条件”要求，则转到下一步；第三步，源节点首先将自己的路由级别设置为0级，将业务延迟Delay累积量赋初值0， 转下一步；第四步，源节点封装形成RREQ，转下一步；第五步，源节点将RREQ发送给满足“链路带宽条件”的邻居节点，并记录与邻居节点定向通信的方位角，转下一步；第六步，收到RREQ的中间节点首先记录RREQ包中相关信息，然后检查自身是否是目的节点，若是，转向第十三步，若不是，转向下一步；第七步，该中间节点根据第六步所记录的该RREQ所经节点的节点ID链中是否已经含有自己，即判断自己是否已经存在于该链路中；若已含有自身，则直接转到第十二步，若没有转到下一步；第八步，节点将该包中的Delay累积量及链路最小带宽值与已经收到过的最佳链路条件的RREQ包的相应值进行比较，若两个指标满足“中间节点链路带宽及Delay累积量过滤条件”，就转到下一步，若不满足，则直接转到第十二步；第九步，该中间节点将RREQ中标记的转发此RREQ帧的节点级别与自己的级别号进行比较，所述节点级别设为i，若满足“级别条件”，则将自己的级别重新设置为i+Ι，并将自己的上一级节点设置为此RREQ的转发节点，且转向下一步，若不满足“级别条件”，则转向第I 一止卞一少；第十步，根据延迟累积量计算公式计算新的Delay累积量，若新的Delay累积量满足 “时延累积量条件”，转向下一步，否则转向第十二步；第十一步，该中间节点封装RREQ发送给满足“链路带宽条件”的邻居节点，并在对应包中将最小链路带宽与对应节点链路带宽相比，将小者替换成链路最小带宽封装在包中；再进入第六步进行循环，中间节点每向邻居节点转发一次路径请求报文RREQ，将记录下其与邻居节点通信的方位角；若该中间节点只有发送该RREQ的节点这一个邻居节点，那么进入下一步；第十二步，该中间节点将RREQ包丢弃，并不做任何转发，且删除第六步中已记录的相关信息；第十三步，由于RREQ中的目的节点ID号与自身相同，故该节点就是目的节点；目的节点自收到第一条RREQ时开始最优路由选择计时器计时，在该计时器减小到0后，选择该时间内所有到达目的节点的链路中按“中间节点链路带宽及Delay累积量过滤条件”选择时延和带宽最好的一条路径作为当前的路由请求响应路径；此时目的节点将从该路径请求报文中提取出来的链路节点ID信息装入路由回复帧RREP中，并利用节点记录的通信方位角定向发送给链路节点信息中的上一节点；第十四步，收到RREP的节点首先对比自身ID与RREP中的源节点ID，若相同，则代表链路建立成功，若不相同，则再按该RREP中的链路节点ID信息向其上一节点转发该RREP信号；最终RREP被转发回源节点，此时路由链路建立成功。
2.根据权利要求1所述一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于所述的路由请求，其报文帧包含了目的节点ID、当前中转节点ID、自身级别、数据量大小、该候选链路的当前Delay累积量、源节点要求的链路最小带宽BWmin及链路最大时延Delaymax。
3.根据权利要求1所述一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于候选链路上的中间节点在计算出到该节点的Delay累积量后，首先判断此Delay累积量是否能够满足源节点提出的链路质量的时延要求，若此时的Delay累积量已经大于源节点要求的最大端到端时延，表明此候选链路一定不能满足源节点提出的时延要求，则该节点就不再转发此RREQ ；只有当现有Delay累积量小于源节点提出的最大时延要求时，该节点才可能转发RREQ包。
4.根据权利要求1所述一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于对于候选链路上的中间节点，必须充分联合考虑Delay累积量及链路带宽，若两条链路Delay累积量相差不大，而Delay累积量稍大的链路其链路上的最小带宽比前一条链路好很多时，中间节点仍然转发该RREQ包。
5.根据权利要求1所述一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于在RREQ 的前向扩散过程中，节点转发RREQ后记录其与转发目的节点的天线方向角，在RREP的回复过程中，节点只在这些方向上侦听RREP信号。
6.根据权利要求1所述一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于对于链路上各节点都设置相应的级别；每个节点只转发级别数小于或等于其自身级别数的RREQ 包。
7.根据权利要求1所述一种基于定向天线的无线网络路由方法，其特征在于最优路径的选择权交给了目的节点；目的节点根据一定时间内到达目的节点的有效链路选择一条 Delay时延最小的链路。
全文摘要
本发明公开了一种基于定向天线的无线网络路由方法，通过引入节点级别设置消除路径扩散的回路，保证路径请求报文快速扩散到目的节点；在路径回复的反向回馈过程中，通过目的节点制定最佳路由决策，避免了由源节点做决策情况下各链路进行路径请求回馈造成的定向延迟；为了减少节点定向通信引入的扫描延迟，在路径请求回复和后向回馈过程中，通过中间节点记录的与下一跳节点的通信方位角，及时有效地建立通信链接。本发明充分考虑了源节点的按需通信业务对于链路QoS的需求，并在路由的建立过程中对节点引入了级别的概念，采用分布式处理方法，通过中间节点的快速有条件转发，目的节点的最优决策，最终建立了一条自适应分布式QoS路由。
文档编号H04W40/02GK102438290SQ20111034855
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年7月26日
发明者冯平, 刘勃, 周海波, 归琳, 李颖, 熊箭 申请人:上海交通大学