一种多射频多信道无线网状网中适合机会路由的信道分配方法

摘要

本发明为机会路由充分利用多射频多信道网络资源，提出了一种适合机会路由使用的信道分配机制。机制采用公共信道分配方式和基于流的信道选择算法，算法收集当前邻居范围内的信道干扰状况，然后为每条新加入的流选择使路径干扰最小的信道，以达到信道资源负载均衡和最大化吞吐量的目的。公共信道分配在网络初始化后就不再改变，简单易实现；基于流的信道选择能有效避免机会路由中候选节点在协商过程中使用不同信道可能出现的重复传输问题。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络中信道分配技术，特别是指在多射频多信道无线网状网中针对机会路由的信道分配机制。

背景技术

机会路由是多跳无线网络中新兴的路由方式，它利用无线媒介广播性质和多用户分集，不事先确定路由的下一跳，直接广播发送数据包，周围可能有多个邻居节点都正确收到数据包。在收到数据包的节点间进行某种协调，由其中一个离目的节点最“近”的节点继续转发。当然并不是所有的节点都参与，机会路由按某种规则选择其中的一部分参加，这些被选中的邻居节点称为候选节点或候选转发节点。经多方验证，与只有一个预先设定下一跳的传统固定路由相比，机会路由这种使用多个候选节点转发数据包的方式更能适应不可靠的无线链路，尤其能充分利用远距离和高丢失率的无线链路，能明显提升多跳无线网络，尤其是无线网状网的端到端吞吐量。

机会路由在单射频无线网络中的优势已经被充分的探索和利用，但是，它在多射频无线网络中的影响还没有能够很好的理解和运用。大多数机会路由都处于单射频单信道网络，既没有充分利用802.11a/b本身已有12/3个正交的信道资源，也没有考虑无线网状网中节点能配置多个射频的情况。无线网卡成本降低和无线网状网对网络带宽的需求促使无线网状网的路由节点像有线网络的路由器一样配置多个网络接口，使得多射频无线网状网开始广泛应用，因此在多射频多信道无线网状网中研究机会路由成为近年备受关注的领域。

目前在多信道网络中机会路由的研究只有McExOR和ORinMM。前者是在单射频多信道的网络环境中给定了信道分配后，选择最佳的机会路由候选节点，如何分配信道未具体考虑；后者只分析了单流使用机会路由在多射频多信道无线网状网中的理论上限。虽然上述算法对机会路由在多信道网络的应用进行了初步探索，但是他们都不适合多射频多信道无线网状网实际使用。MCExOR信道分配和路由相互独立，虽然可以和任何信道分配机制搭配使用，但却未指定明确的信道分配机制，而且它只适用于单射频的网络。ORinMM求解得到的信道分配调度方案需要严格的时钟同步，也没有考虑射频在信道间切换的延时，无法在实际中操作应用。因此，迫切需要适应于多射频多信道的网络环境的机会路由。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种多射频多信道无线网状网中适合机会路由的信道分配方法，该技术采用公共信道分配方式和基于流的信道选择算法，算法收集当前邻居范围内的信道干扰状况，然后为每条新加入的流选择使路径干扰最小的信道；公共信道分配在网络初始化后就不再需要改变，简单易实现；基于流的信道选择能有效避免机会路由中候选节点在协商过程中使用不同信道可能出现的重复传输问题，以达到信道资源负载均衡和最大化吞吐量的目的。

本发明的技术解决方案是，所述多射频多信道无线网状网中适合机会路由的信道分配方法的步骤为：

(1)通过期望传输次数ETX指标来确定源节点到目的节点所需要的候选转发节点；

(2)采用公共信道分配方式，要求所有节点都工作在相同的正交信道集上；

(3)采用基于流的分配信道选择算法，要求一条流在传输过程中只使用一个信道，并选择使路径信道干扰最小的信道。

以下对本发明做出进一步说明。

在一个多射频多信道无线网状网，如图1中所示，包含V个节点(一个网关节点GW和V-1个路由节点)，每个节点可配置R个无线射频，假设所有节点配置的射频数量相等，网络中可使用K个的正交信道，如图2所示。多射频多信道无线网状网就可对应成一个扩展的无向图G＝(V，E，GW，R，K)，其中E为表示节点间链路的矩阵，只有当两节点间的链路包投递率大于某阀值才认为它们之间的直接链路存在，互为邻居。也就是说对于任何一条链路l(u，v)∈E都有一个对应的链路包投递率Pr(u，v)，表示在无干扰情况下链路正确接收数据包成功率，这个值可以通过传播模型计算获得。假设链路是对称的Pr(u，v)＝Pr(v，u)，且任意节点的链路包投递率都是独立的。定义节点u的一跳的邻居Nb(u)为Pr(u，v)≥P₀的节点集合，其中P₀＜＜1。对于剩下的任何不属于Nb(u)的节点v，链路包投递率为0，即Pr(u，v)＝0。

需解决的问题是给定一个这样的场景模型，在已知每个节点到网关节点的最佳路径下，为网络中所有存在的流分配合适的信道使整个网络的吞吐量最大。

本发明的技术原理包括：

(1)首先通过期望传输次数ETX指标来确定源节点到目的节点所需要的候选转发节点，即确定路由路径；

(2)在确定候选节点后，为了保证节点与候选节点间的信道共享，信道分配机制要求所有节点都工作在相同的正交信道集上，也就是说无线射频数目和正交信道数目相等；这种分配方式称为公共信道分配方式，在网络初始化后射频使用的信道不再发生改变，简单易实现不需要复杂的多信道协议；

(3)然后采用基于流的分配信道选择算法来决定活动的流在经过节点时，使用哪一个信道进行传输，也就是哪个射频。采用基于流的信道选择方法，要求一条流在传输过程中只使用一个信道，即流所经过的节点都使用该信道进行发送和接收。由于机会路由的真正下一跳转发节点需要在数据包发送完成后才能由候选节点协商得到，如果候选节点使用不同的信道，在协商过程中候选节点可能因为不存在公共信道而无法通信，使得协商无效，导致的重复冗余的传输。基于流的信道选择可以有效避免这一问题。

虽然所有节点的无线射频都使用相同的正交信道，而且每一条流只使用一个信道，但不合适的信道分配还是会导致信道负载不均衡进而影响网络性能。为最大化吞吐量，在给流分配信道时应该尽量选择负载少或干扰少的信道，所以信道选择算法的主要思想是选择使路径信道干扰最小的信道。

为了获得节点和其周围区域内信道的使用信息，每个节点需维护与信道相关的两个表，自身信道使用表NCHL和邻居范围内信道使用表NBCHL。这两个表的结构类似，如图2和图3。节点u自身信道使用表NCHL(u)中包含K个值，每个信道对应一个值。第i个值为f_i(u)表示经过节点u且使用第i个信道的流的数目。邻居范围内信道使用表NBCHL(u)也包含K个值，第i个值为af_i(u)表示在节点u的邻居范围内所有节点使用第i个信道的流情况，值等于节点u和其所有邻居节点的表NCHL中第i个值之和。

af_i(u)＝∑f_i(v)，v∈{Nb(u)∪u}    (1)

其中，i为信道编号，u和v为节点编号，f_i(v)表示经过节点v且使用第i个信道的流的数目，af_i(u)表示在节点u的邻居范围内所有节点使用第i个信道的流情况，Nb(u)为节点u的一跳邻居。

对于一条确定的路径选择任意第i个信道都会存在一个瓶颈信道干扰，表示路径上受干扰最大的节点的干扰程度，称为路径瓶颈信道干扰BN_path，i。源节点在K个信道中选择使路径瓶颈信道干扰最小的信道为最佳信道bch，

BN_path，i＝Max(af_i(u))，u∈path    (2)

$\mathrm{bch}=\arg \underset{i}{\mathrm{Min}}\left({\mathrm{BN}}_{\mathrm{path},i}\right),i\in (0,...K)---\left(3\right)$

其中，K为所有正交信道数量，path表示机会路由所确定的路径的节点集，BN_path，i为路径瓶颈信道干扰，bch为最佳信道。

对于给定某一条流的路径，基于流的信道选择算法分成三个步骤：

第一步，对每一个信道，路径上的所有节点查询该信道下的当前邻居范围的信道使用情况，比较得到该信道下的路径瓶颈干扰；

第二步，在K个信道中，选择使路径瓶颈干扰最小的信道；

第三步，更新路径节点的自身信道使用情况和路径节点的邻居节点的邻居范围内信道使用情况。

由以上可知，本发明为一种多射频多信道无线网状网中适合机会路由的信道分配方法，它采用公共信道分配方式和基于流的信道选择算法，公共信道分配在网络初始化后就不再需要改变，简单易实现；基于流的信道选择能有效避免机会路由中候选节点在协商过程中使用不同信道可能出现的重复传输问题，达到信道资源负载均衡和最大化吞吐量的目的。

附图说明

图1是无线Mesh网络结构图；

图2是本发明中节点u的自身信道使用表(NCHL)结构图；

图3是本发明中节点u的邻居范围内信道使用表(NBCHL)结构图；

图4是本发明网络拓扑示意图；

图5是本发明中路由计算结果示意图；

图6是本发明中自身信道使用表示意图；

图7是本发明中邻居范围信道使用表示意图。

图8是本发明中随机并发7条流的吞吐量累计分布函数示意图。

具体实施方式

以5*5的网格拓扑网络为例，节点0为网关节点，每个节点配备的2个射频，可用正交信道也为2个，即GW＝0，R＝K＝2。P₀取0.1，节点间的链路包投递率如图4中所示，相邻节点的链路包投递率为90％，水平垂直方向上间隔一个节点的链路包投递率为40％，水平垂直方向上间隔两个节点的链路包投递率为19％，对角线上节点间的链路包投递率为77％，对角线上间隔一个节点的链路包投递率为23％，三种斜对角分别为33％，16％和10％。虚线表示信道1，实线表示信道2。

当已有两条流，分别是22和12到网关节点，其中第1条流使用信道1，第2条流使用信道2。需要添加一条一条新的流从节点21到网关。

链路的期望传输次数ETX为链路包投递率的倒数，路径的期望传输次数为链路的ETX之和。使用dijkstra算法可以计算出每个节点到网关节点的最小ETX的路径，机会路由的候选节点也就采用路径上的节点，也就确定了路由。如图5所示，第1条流的路由节点包含节点22 16 10 5 0；第2条流的路由节点包含节点12 6 0；第3条流，计算所得的路径包含节点21 15 10 5 0。

添加一条新的流21到网关的过程如下：

第一步：对每一个信道，路径上的所有节点查询该信道下的当前邻居范围的

信道使用情况，比较得到该信道下的路径瓶颈干扰；

当第1条流使用信道1，第2条流使用信道2时，节点的自身信道使用情况为：节点0的自身信道使用表值为11；节点6和节点12为10；节点22、节点16、节点10和节点5为01；别的节点暂时都为00；详细见图6。

节点21的邻居节点有5，6，7，8，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，22，23和24。除节点5，6，10，12，16和22外别的节点的自身信道使用表值均为00，那么节点21的邻居范围信道使用表值将由自身信道使用表中值非零的节点决定，为(10+01+10+01+10+10)＝42。类似第3条流路径上的所有节点的邻居表都可计算得到，详见图7。

第二步：在K个信道中，选择使路径瓶颈干扰最小的信道；

从图7可知在节点21到节点0的路径上，信道2的瓶颈干扰值比信道1的小，所以第3条流选择信道2。虽然网状网的流量的汇聚性使网关节点负载最重，极可能成为信道资源的瓶颈，但从本例中可以看出信道1的瓶颈在节点15，10和5，而不在网关节点0。所以不能简单只由网关节点来决定信道的选择。

第三步：更新路径节点的自身信道使用情况和路径节点的邻居节点的邻居范围内信道使用情况。

将节点21，15，10，5和0的自身表中信道2对应的值加1。这些节点的邻居节点重新计算邻居表。

仿真实验在NS2下进行，拓扑结构采用如图4中所示的网格结构，所有节点都通过网关节点0连接到互联网，所以所有的流量都将汇聚到节点0。考虑实际网络，因成本等因素配备2个以上的无线射频的概率较小，所以模拟实验中采用双射频双信道场景。即每个节点配备2个无线射频，传输速率固定为54Mbps，可工作在正交信道上互不干扰，可用信道数也为2个。25个节点均匀分布在220米长和220米宽的区域范围内，两节点间的水平和垂直距离为44米。传播模型使用shadowing模型。所有流都为TCP，包大小为1000字节，尽可能的发送数据包。

在24个节点中随机选择7个节点作为流的源节点为1组，记录7条并发流的汇聚吞吐量。改变随机种子后再次选择，重复30组。图5为30组随机并发7条流的吞吐量累计分布函数，其中SR表示固定路径路由，OR表示机会路由，2r2c表示使用双射频双信道。

单射频单信道下固定路由和机会路由的中值分别为4.456Mbps和5.044Mbps，双射频双信道下采用本发明信道分配方法后的固定路由和机会路由的中值分别为8.081Mbps和9.438Mbps。双射频双信道下的机会路由的吞吐量比固定路由高16.8％，比单射频单信道下的机会路由高87.11％，比单射频单信道下的固定路由高111.8％。在本发明信道分配下，双射频双信道使用机会路由的吞吐量可达到单射频单信道固定路由的2倍以上。