一种基于移动Ad Hoc网络的分布式QoS多播路由方法

摘要

本发明涉及一种基于移动Ad Hoc网络的分布式QoS多播路由方法，该方法的具体步骤如下：第一步骤：确定QoS约束多播路由方法的网络模型；第二步骤：确定网络状态信息；第三步骤：确定回路检测方法；第四步骤：降低计算复杂性。本发明由于其线性的消息复杂度和时间复杂度以及分布式地进行路由选择等特征，使其具有可扩展性，可以应用于较大规模的Ad Hoc网络中。有助于提高无线移动Ad Hoc网络的传输效率，降低网络成本。将有利于我国无线移动Ad Hoc网络的应用和发展，对我国军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议等等领域将取得重要的作用。

说明书

                          技术领域

本发明属于一种移动网络通信中的多媒体应用方法，特别是一种基于移动Ad Hoc(自主、自组)网络的分布式QoS(Quality of Service，服务质量)多播路由方法。

                          背景技术

近年来，随着Internet、移动网络的飞速发展和移动计算的大量涌现，推动了移动计算机无线接入的研究，特别是无线移动Ad Hoc网络(MANET)在支持移动性方面的研究，已成为网络领域中的一类重要课题。移动Ad Hoc网络是一种自治的无线多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，也没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都可以以任意拓扑结构动态地保持与其他节点的联系，节点还能发现、保持到网络其他节点的路由。使得无线移动Ad Hoc网络可以广泛应用于军事领域、自然灾害、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议、紧急通信等等领域。

目前的路由选择主要有两种方法：集中式和分布式，集中式：集中式路由选择方法假定存在一个全局网络管理器来维护所有已建立信道和网络拓扑的信息，因此能够对每个实时信道请求一条合适的路由。虽然这种方法可以比分布式方法更能有效地选择符合要求的路由，但是由于很难得到完整的网络状态信息以及集中控制的本质，导致在性能和可行性方面比较差；分布式：相对于集中式方法来说，分布式路由方法具有更好的性能、可扩展性和可靠性。由于在源和目的之间可能存在的路由数目很多，对于实时信道来说，选择一条合格的路由并不容易。任何路由方法的目标都是利用最小的开销找到合格的路径。

由于传统的基于Internet的路由协议无法适应拓扑快速变化的需要，同时也无法满足Ad Hoc网络的特性，因此需要设计适用于Ad Hoc网络的路由协议。在移动Ad Hoc网络路由方法研究方面，鉴于路由协议的重要性，IETF的MANET(Mobile Ad Hoc Networks)工作组目前专注于Ad Hoc网络路由协议的研究。对于这方面提出了大量的移动Ad Hoc网络路由协议，主要典型的单播路由协议有：临时队列路由协议TORA、基于需求的Ad Hoc距离向量路由协议AODV、目的地序列距离向量协议DSDV、联合路由协议ABR、动态源路由协议DSR、鱼眼状态路由协议FSR、区域路由协议ZRP、无线路由协议WRP、信号稳定度路由协议SSR、核心提取分布式路由协议CEDAR、群首网关交换路由协议CGSR等等，它们从不同的路由发现策略、拓扑结构、链路状态、逻辑结构等等方面进行了研究。这些协议不管什么时候检测到链路状态发生了变化，路由信息将触发其他的移动主机重新计算自己的路由表并且把相关的路由信息进一步传播出去，显然，每一次要传播的路由信息都正比于Ad Hoc网络规模的大小，这些协议基本上不具有QoS保障。由于Ad Hoc网络依赖与广播和移动的特性使得在Ad Hoc网络中提供QoS变得非常困难。首先，无线链路和有线链路不一样，它的带宽受到它紧邻链路的传输活动的影响；其次，在蜂窝网络中只需要保证一跳的服务质量就可以了，而Ad Hoc网络必须保证一条路径上所有跳数的服务质量；再次，移动主机可以随机随地加入、离开或者重新加入网络，随着主机的移动已存在的链路可能断开或者又形成了新的链路。如J.L.Sobrinho和A.S.Krishnakumar从MAC层来考虑在Ad Hoc网络中对QoS的支持，采用两种方式，主机实时的利用优先级来竞争使用无线电频道；移动主机的优先级是由这台主机等待无线电频道空闲下来的时间决定的，这种优先级方式给予了实时传输比较高的优先级并且它能够保证实时数据包能够进行无冲突的传输。C.R.Lin和J.S.Liu中提出了一种可以保证一条具有多跳路径的QoS机制。在这里假定了一个基于CDMA的TDMA模型，为了避免冲突给邻居主机分配不同的传输代码，每一个传输代码是一个时帧，每一帧由标号为1到N的N个时间片组成。共同相邻于一台主机的两台主机不能用相同的传输代码同时向这台相邻的主机发送数据，否则就会产生冲突。但是，如果他们的传输代码是不一样的，那么数据传输的状况就会得到改善，这种方式的另一个限制是一台主机不能在一个时间片中同时接收和发送数据.S.Chen和K.Nahrstedt提出了一种基于票的协议来支持QoS路由，这个协议在每一个节点尽可能为每一个目的节点提供端到端的状态信息，这种状态信息被DSDV协议定期进行更新。源节点S一旦需要QoS路由，就会发布一定数量的探测帧，每个探测帧都携带一张票，每个探测帧负责搜寻一条路径。它的基本思想是利用票来限制路由搜索包的数量来避免盲目的洪泛。这个协议的指导思想是：QoS要求越高，发布的票就越多。如Y.Suh以及P.V.Mieghem等提出的协议也具有QoS支持，有些协议主要是在现有有线网络中的QoS协议进行改进的。

QoS路由方法的基本问题就是在源和目的站之间，如何找到一条能够同时满足多个约束条件且具有最小代价的路径。多特征值可以在某种程度上满足多个约束条件的路径要求。多特征值可以在某种程度上更精确地描述网络。然而，找到一条符合多个约束条件的路径本质是一个很困难的问题。

在移动Ad Hoc网络多播路由协议方面的研究比单播路由协议和QoS路由协议活跃，其研究成果比QoS路由协议多。这些移动Ad Hoc网络多播路由协议根据不同的角度可以进行不同的分类。根据如何创建多播组成员可以分为4个类型：基于树的多播路由协议；基于网格多播路由协议；无状态多播路由协议以及混合多播路由协议。

目前多播路由协议主要有下面这些难点：1)最小化网络负载；2)为可靠传输提供基本支持；3)提供多播路由时考虑不同的代价参数；4)路由器中保存的状态数量尽可能少；5)尽可能降低路由器的处理负担。

                          发明内容

本发明的目的是在现有QoS路由方法的性能度量标准、多播路由方法以及分布式路由选择方法相结合的基础上，并对现有的方法进行完善而提供的一种基于移动Ad Hoc网络的分布式QoS多播路由方法，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明的具体步骤如下：

第一步骤：确定QoS约束多播路由方法的网络模型

网络由交换节点和链路以及主机组成，本发明将其抽象为有权图G(V，E)，其中V称为图G的顶点集或节点集。在G中，元素e∈E具有一组有序数列(w₁，w₂，...，w_k)作为e的属性，或称为弧e的权。这些属性可以是可用带宽、链路传输延迟、分组丢失率、抖动、网络代价等不同的网络特征值度量。

由于网络的动态和分布等特性，为了支持更大范围的QoS需求，路由方法需要一个更复杂的模型，该模型将采用多个特征值(如带宽、延迟、延迟抖动、包丢失率等)来描述。

第二步骤：确定网络状态信息

网络状态信息是指与网络当前的状态有关的各种信息，是分布式路由方法的基础。因此在搜索可行路径时，分布式路由方法所依赖的网络状态信息的新旧程度和详细程度密切相关。

在本发明中，其主要内容包括两个方面：(1)测量、收集并维护网络状态信息；(2)根据维护的网络状态信息计算优化的可行路径(多播树)。每个节点收集和维护，大大减少控制信息的开销。

第三步骤：确定回路检测方法

在本发明中，由于各个节点依靠本地维护的全局信息独立计算可行路径，因此由于信息不一致可能造成回路，该方法采用较好的回路检测方法检测回路的产生，从而所有被搜索的可行路径是无环的。

第四步骤：降低计算复杂性

在本发明中，每个节点并不知道完整的可行路径，只知道可行路径中的下一跳节点，分布式路由将计算分散在各个中间节点，对路由要求的计算量小，响应快，减少了计算复杂程度；由于节点不需要保存全局信息，只要求节点具有本地状态，因而具有较好的可扩展性，该方法还可有效地减少生成多播树的开销，提高网络的传输能力。

本发明由于其线性的消息复杂度和时间复杂度以及分布式地进行路由选择等特征，使其具有可扩展性，可以应用于较大规模的Ad Hoc网络中。有助于提高无线移动Ad Hoc网络的传输效率，降低网络成本。将有利于我国无线移动Ad Hoc网络的应用和发展，对我国军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议等等领域将取得重要的作用。

                          具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

实施例：

本发明的具体步骤如下：

第一步骤：确定移动Ad Hoc网络QoS约束多播路由方法的网络模型：

在G(N，E)中，考虑一个源节点到多个目的节点的QoS约束多播路由问题，即给定一个非空集M＝{s，u₁，u₂，...，u_m}，其中，MN，s是源节点，U＝{u₁，u₂，...，u_m}为目的节点集。多播树T＝(N_T，E_T)，其中N_TN，E_TE，若用C(T)表示T的开销，P_T(s，u)表示T中从源节点s到目的节点u∈U的路径，用D_T(s，u)和B_T(s，u)分别表示P_T(s，u)的延时和可用带宽。

假定多播树最小带宽约束为B，最大时延约束为D，节点的移动最大速度为V，节点的最小电源剩余量为W，给定一个多播请求R，则Ad Hoc网络QoS约束多播路由问题就是寻找一棵多播树T满足：

(1)带宽约束：B_T(s，u)≥B，u∈U.

(2)时延约束：D_T(s，u)≤D，u∈U.

(3)节点的移动速度约束：V_i≤V，i∈N.

(4)节点的电源剩余量约束：W_i≥W，i∈N.

假定S(R)为满足上述条件的多播树的集合，则我们要寻找的多播树T为

                C(T)＝min(C(T_s)，T_s∈S(R)).

在G(N，E)中，对于(i，j)∈E，P(i，j)为从节点i到节点j的链路，若P(i，j)满足：

            P(i，j)＝(B(i，j)≥B)∧(D(i，j)≤D)∧(V_i≤V)∧(W_i≥W)则称此P(i，j)为可行路径。

第二步骤：确定移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的度量参数：

衡量QoS的指标很多，包括带宽、时延、时延抖动、分组丢失率、节点的移动速度、范围及能量等等。寻找一条满足多个约束条件的QoS路径通常是NP完全问题，所以实现多维QoS指标的方法一般是不可取的。为了满足Ad Hoc网络QoS需求，本发明采用带宽、时延和节点的移动速度作为度量参数，根据实际情况来选择其中两个或三个指标，而且这几个指标要能反映无线信道的质量和链路状态的变化，并且获取这几个指标的代价相对较低。QoS多播路由方法的度量参数的研究是AdHoc网络QoS多播路由方法的关键，度量参数的确定能提高网络的性能及减少控制信息带来的附加开销。

第三步骤：确定移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的回路检测方法：

由于Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的路径搜寻需要发送探测帧，而探测帧容易产生回路，所以回路检测方法是非常重要的，本发明采用在探测帧中增加选项的方法解决探测帧的回路产生。

第四步骤：分析移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的计算复杂性：

任何算法重要的理论研究是计算的复杂性分析，本发明最坏情况下的时间复杂度是O(2|V|)，最坏情况下的消息复杂度是O(|E|+|V|)，其中|V|是Ad Hoc网络的节点数，|E|是其链路数。主要对本发明的复杂性进行理论分析研究，从中研究出复杂程度最低的算法。

第五步骤：移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的仿真实验：

由于实际的原因不可能建立一个实验移动Ad Hoc网络，所以国内外的一些学者及著名研究机构都采用计算机仿真方法来进行仿真实验。本发明采用IETF推荐采用的NS2作为多播路由协议仿真的公共平台，对设计的无线移动Ad Hoc网络QoS多播路由协议或算法进行仿真实验和性能评价。

第六步骤：移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的实现编码：

编码是实现方法的重要保证，本发明采用TK/TCL和C相结合，编写实现方法的编码。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。