一種多接口多跳無線網絡下分布式協作路由方法
2023-05-02 09:49:01
專利名稱：一種多接口多跳無線網絡下分布式協作路由方法
技術領域：
本發明涉及無線網絡領域，特別是涉及支持協作通信技術的無線網絡，具體為ー種多接ロ多跳無線網絡下分布式協作路由方法。
背景技術：
MIMO (Multiple Input Multiple Output)技術利用多天線來抑制信道衰落,是下一代無線通信系統的主流性能優化技木。但是，MMO技術需要在網絡節點上安裝多根天線，帶來了高複雜、高成本和高能耗等問題。由於無線網絡(如多跳無線mesh網絡，多跳無線ad hoc網絡，多跳無線傳感器網絡)節點的設備體積和硬體成本的限制，MIMO技術無法直接應用於多跳無線網絡。與MIMO技術相比，物理層的協作通信技術(Cooperative Communication)是適合於單天線用戶的空間分集技木。它利用無線信道的廣播特性，允許單天線終端設備在多用戶環境中共享它們的物理資源來進行通信，形成虛擬天線陣列。參與協作通信的設備可相互轉發信息，同一信息的多個複本能夠通過相互獨立的無線信道到達接收端，從而獲得空間分集増益一協作分集増益。如圖1是ー個簡單的3節點協作通信模型。信源S和協作節點R形成相互獨立的通信信道。發送端發送的多個信號複本通過相互獨立的信道到達接收端，便可產生分集增益。按照協作節點對信號的不同處理方式，目前主要存在2種協作分集方案:放大-轉發(AF, amplify and forward)、解碼-轉發(D F，decode and forward)。作為一種可以克服信道衰落、提高傳輸容量和可靠性、擴展覆蓋範圍以及降低能量消耗的有效方法，協作通信在單跳無線網絡中的優勢已經得以證實，然而將協作通信應用於多跳無線網絡，仍然是極具挑戰性的問題。將物理層協作通信技術和網絡層路由選擇結合設計跨層路由方案一協作路由，成為協作通信應用於多跳無線網絡的解決方案。該方案充分利用無線信道的廣播特性，將多個節點組成協作通信模塊來選擇最優路徑，使得同一信息能夠通過不同獨立無線信道到達路由的下一跳。這樣，即使在信道條件比較惡劣的情況下，仍然能夠保證網絡的高可靠性，保持良好的網絡性能。如圖2所示為ー種典型的協作路由方案，數據從源節點S經過多跳傳輸到目的節點D。其中協作傳輸(CT)和直接傳輸(DT)構成了路由的基本単元，如節點3，4，5構成ー個協作通信模塊(節點3可以通過3->5和3->4->5兩路傳輸數據到節點5)，節點6，7，8，9也構成ー個協作通信模塊。協作路由作為探索協作通信技術在多跳網絡中的嘗試，已越來越引起研究人員的重視。按照其實現目的的不同，現有的協作路由主要可以分為能量優化的協作路由、傳輸中斷優化的協作路由、傳輸時延優化的協作路由和傳輸速率優化的協作路由等。多接ロ無線網絡可以為每ー個無線節點配備多接ロ。現有的研究表明，相比於單接ロ網絡，多接ロ網絡可以提高傳輸性能和可靠性。然而，現有的協作路由方法主要集中在單接ロ多跳無線網絡，研究多接ロ多跳網絡環境下的協作路由方法，極具挑戰性。
多接ロ無線網絡可以為協作通信和協作路由提供更多的資源，使得節點在發送數據的過程中能夠有更大的空間來選擇下ー跳轉發節點和協作中繼節點。在多接ロ協作無線網絡中，節點的多個接ロ既可以服務某些數據流進行直接傳輸，又可以用作協作中繼節點為另外一些數據流進行協作通信服務。如何在多個數據流存在的情況下，合理的將節點中的接ロ在多個數據流中進行接ロ分配，聯合中繼選擇來設計多接ロ網絡下分布式協作路由方法，成為極具挑戰性的問題，亦成為多跳多接ロ網絡中實現協作通信的關鍵和難點。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種多接ロ多跳無線網絡下分布式協作路由方法，分布式地為網絡中的多條數據流選擇最優的協作路由，同時確定無線網絡的多個接ロ在多條數據流中的合理分配，從而最大化最小網絡數據流的端到端
吞吐量。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種多接ロ多跳無線網絡下分布式協作路由方法，該方法為:I)計算每個網絡節點 i與其每個鄰居節點j之間進行直接傳輸的鏈路容量，計算每個網絡節點i和其鄰居節點j通過節點k採用協作傳輸的鏈路容量，其中，j G N(i),N(i)為節點i的所有鄰居節點集合，k G N(i)且kデj ;2)取步驟I)所計算的所有容量值的最大值為鏈路(i，j)的鏈路容量，如果鏈路(i，j)的容量是通過節點k採用協作傳輸達到的，則節點i，j，k構成協作傳輸模塊，鏈路(i，j)採用協作傳輸方式，否則鏈路(i，j)就採用直接傳輸方式；3)給定數據流的源節點和目的節點，將步驟2)中計算的(i，j)的鏈路容量應用到分布式Bellman-Ford最短路徑算法中，網絡中每個節點i都迭代執行$ =ま、(iI;:ち)來獲得節點i到目的節點的端到端容量，其中P〗代表從節點j到目的節點的端到端容量，Py是步驟2)所計算的鏈路(i，j)的鏈路容量，在經過多輪迭代後，數據流的源節點就獲得了最大的端到端的路徑和容量，選擇這個路徑為初始的協作路由路徑；4)每個網絡節點i統計參與數據流協作路由的次數，記為L(i)，比較L(i)和R(i)的大小，其中R(i)是節點i配置的網絡接ロ的數目，如果L(i)〈R(i)，則節點i為每條經過的數據流分配一個網絡接ロ ；否則進入步驟5)；5)對於任意通過網絡節點i的數據流P，根據步驟3)所選擇的初始協作路由路徑，確定節點i的上一跳節點jp和下一跳節點kp,記數據流的當前路徑為Optp (jp, kp),在節點jp和節點kp之間選擇一條不通過節點i的備用路徑段Canp (jp, kp)，而且該備用路徑段中的節點不包含參與數據流協作路由的次數大於所配置的網絡接口數的節點，其中P G Flow(i),Flow(i)表示通過節點i的數據流集合，；6)統計經過網絡節點i的所有數據流Flow(i)中備用路徑段容量大於該數據流端到端容量的數據流個數，記為nl，統計經過網絡節點i的所有Flow(i)中備用路徑段容量等於該數據流端到端容量的數據流個數，記為n2，統計經過網絡節點i的所有Flow (i)中備用路徑段容量小於該數據流端到端容量的數據流個數，記為n3 ；7)如果0彡n2+n3彡R(i)，網絡節點i在所有的Flow⑴集合中選擇L (i)-R(i)條備用路徑段容量大於該數據流端到端容量的數據流進行切換，將該數據流從當前路徑段Optp(jp, kp)切換到對應的備用路徑段Canp(jp，kp)，否則n2+n3>R(i)，進入步驟8)；8)網絡節點i首先將所有的備用路徑段Canp(jp，kp)容量大於該數據流端到端容量的數據流切換到對應的備用路徑段，然後對剰餘的n2+n3條數據流按相應的備用路徑段容量進行升序排列，然後將排序在前的n2+n3-R (i)條數據流從當前路徑段Optp(jp，kp)切換到對應的備用路徑段Canp (jp, kp)。與現有 技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明的方法可以分布式地為網絡中的多條數據流選擇最優的協作路由，同時確定無線網絡的多個接ロ在多條數據流中的合理分配，從而最大化最小網絡數據流的端到端呑吐量。
圖1為協作通信模型示意圖；圖2為協作路由原理示意圖；圖3為發明方法中步驟3)通過迭代方法獲得初始協作路由路徑；圖3(a)獲得鏈路容量後的網絡圖；圖3 (b)第一輪迭代；圖3 (c)第二輪迭代；圖3⑷第三輪迭代；圖3 (e)第四輪迭代；圖3(f)第五輪迭代；圖3(g)第六輪迭代；圖3(h)第七輪迭代；圖4為數據流路徑段調整示例I ;圖4(a)協作路由調整前；圖4(b)各路由的備用路徑段；圖4(c)協作路由調整後；圖5為數據流路徑段調整示例2 ;圖5(a)協作路由調整前；圖5(b)各路由的備用路徑段；圖5(c)協作路由調整後；圖6為相同網絡拓撲在不同實驗配置下的路由結果示意圖；圖6(a)為CFRRA-MR-CC路由結果示意圖；圖6 (b)為DFRRA-MR-CC路由結果示意圖；圖6 (c)為CRS-TDMA-MR-CC路由結果示意圖。
具體實施例方式本發明的方法包括以下步驟:步驟1:每個網絡節點i計算它與每個鄰居節點j之間進行直接傳輸的鏈路容量，這裡j G N(i), N(i)為節點i的所有鄰居節點集合，另外每個網絡節點i還需計算它和鄰居節點j通過節點k採用協作傳輸的鏈路容量，這裡k E N(i)並且kデj ;步驟2:鏈路(i，j)之間的鏈路容量取值為步驟I所計算的所有容量值的最大值，如果鏈路(i，j)的容量是通過另外節點k幫助下採用協作傳輸達到的，則節點i，j，k構成協作傳輸模塊，鏈路(i，j)採用協作傳輸方式，否則鏈路(i，j)就採用直接傳輸方式；步驟3:給定數據流的源節點和目的節點，將步驟2中計算的鏈路容量應用到分布式Bellman-Ford最短路徑算法中，因為網絡數據流的端到端容量取決於該數據流中多跳鏈路的最小鏈路容量，因此，網絡中每個節點i都迭代執行
權利要求
1.一種多接ロ多跳無線網絡下分布式協作路由方法，其特徵在於，該方法 為: 1)計算每個網絡節點i與其每個鄰居節點j之間進行直接傳輸的鏈路容量，計算每個網絡節點i和其鄰居節點j通過節點k採用協作傳輸的鏈路容量，其中，j G N(i),N(i)為節點i的所有鄰居節點集合，k G N(i)且kデj ; 2)取步驟 1)所計算的所有容量值的最大值為鏈路(i，j)的鏈路容量，如果鏈路(i，j)的容量是通過節點k採用協作傳輸達到的，則節點i，j，k構成協作傳輸模塊，鏈路(i，j)採用協作傳輸方式，否則鏈路(i，j)就採用直接傳輸方式； 3)給定數據流的源節點和目的節點，將步驟2)中計算的鏈路(i，j)的鏈路容量應用到分布式Bellman-Ford最短路徑算法中，網絡中每個節點i都迭代執行；=巧)來獲得節點i到目的節點的端到端容量，其中P〗代表從節點j到目的節點的端到端容量，Py是步驟2)所計算的鏈路(i，j)的鏈路容量，在經過多輪迭代後，數據流的源節點就獲得了最大的端到端的路徑和容量，選擇這個路徑為初始的協作路由路徑； 4)每個網絡節點i統計參與數據流協作路由的次數，記為L(i)，比較L(i)和R(i)的大小，其中R(i)是節點i配置的網絡接ロ的數目，如果L(i)〈R(i)，則節點i為每條經過的數據流分配一個網絡接ロ ；否則進入步驟5)； 5)對於任意通過網絡節點i的數據流P，根據步驟3)所選擇的初始協作路由路徑，確定節點i的上一跳節點jp和下一跳節點kp,記數據流的當前路徑為Optp (jp, kp),在節點jp和節點kp之間選擇一條不通過節點i的備用路徑段Canp (jp, kp)，而且該備用路徑段中的節點不包含參與數據流協作路由的次數大於所配置的網絡接口數的節點，其中P G Flow(i),Flow(i)表示通過節點i的數據流集合； 6)統計經過網絡節點i的所有數據流Flow(i)中備用路徑段容量大於該數據流端到端容量的數據流個數，記為nl，統計經過網絡節點i的所有Flow(i)中備用路徑段容量等於該數據流端到端容量的數據流個數，記為n2，統計經過網絡節點i的所有Flow⑴中備用路徑段容量小於該數據流端到端容量的數據流個數，記為n3 ； 7)如果0≤n2+n3 ≤R(i)，網絡節點i在所有的Flow⑴集合中選擇(L⑴-R⑴)條備用路徑段容量大於該數據流端到端容量的數據流進行切換，將該數據流從當前路徑段Optp(jp，kp)切換到對應的備用路徑段Canp (jp，kp)，否則(n2+n3)>R(i)，進入步驟8)； 8)網絡節點i首先將所有的備用路徑段Canp(jp，kp)容量大於該數據流端到端容量的數據流切換到對應的備用路徑段，然後對剰餘的(n2+n3)條數據流按相應的備用路徑段容量進行升序排列，然後將排序在前的(n2+n3-R(i))條數據流從當前路徑段Optp(jp，kp)切換到對應的備用路徑段Canp (jp, kp)。
全文摘要
本發明公開了一種多接口多跳無線網絡下分布式協作路由方法，包括多接口多跳協作無線網絡，該無線協作網絡中的節點間可以採用協作傳輸和直接傳輸兩種傳輸方式，本發明在多接口多跳協作網絡中，設計一種分布式的協作路由方法，該方法能為每個數據流找到一條協作路由路徑，而且可以使得網絡接口在多個數據流中進行合理的分配，從而最大化最小網絡數據流的吞吐量。
文檔編號H04W40/04GK103096413SQ201310055368
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月21日 優先權日2013年2月21日
發明者謝鯤, 王玲, 文吉剛 申請人:湖南大學