无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法

摘要

本发明无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法，在数据发送前通过定向广播减少网络中广播消息减轻网络负荷的同时，根据系统要求的最小信号干扰噪声比SINR，在源节点和目的节点间确定了一条主路由和一条备用的冗余路由，在主路由中断后，网络中节点不需要重新计算路由，数据可以立即通过冗余路由继续交付给目的节点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法。

背景技术

在具有多跳特征的无线多跳网络中，源节点和目的节点间建立路由时，为数据交付确定下一跳节点的策略至关重要。无线多跳网络中节点的随机移动容易引起的源节点和目的节点间已建立路由的频繁中断，导致路由的重新计算和建立，增加网络的开销和数据的丢失，影响网络的服务质量。

无线通信网络中，存在着发给某个特定节点i>i>i>i>

在以接收信号强度为准则(RSSI)的方法中，通常是以接收到的信号强度与预先设定的门限值比较，如果大于门限值，则认为该信号质量好。显然，这种方法没有考虑到噪声和干扰带来的影响。无线通信中，噪声和干扰会对信号质量带来很大影响。某些时候，就算期望的信号强度很大，但是由于环境噪声和干扰的影响，反映出来的将是期望的信号混杂在噪声和干扰中，无法提取出来。香农定理表明，决定信号质量好坏的因素是信噪比(SNR)。考虑到无线通信中干扰对信号质量带来的影响不可忽略，所以，以最小信号干扰噪声比(SINR)为判断信号质量好坏的准则更恰当。

发明内容

本发明的目的在于提供无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法，是对通过接收信号强度(RSSI)确定路由的协议进行了改良，通过定向广播消除网络中广播消息减轻网络负荷的同时，能够根据系统要求的最小信号干扰噪声比（SINR)，在源节点(Source MN)和目的节点(Destination MN)间确定了一条主路由和一条备用的冗余路由，在主路由中断后，网络中节点不需要重新计算路由，数据可以立即通过冗余路由继续交付给目的节点。

本发明无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法，包括如下步骤：

步骤1、整个网络覆盖区域以源节点S为原点形成的XY坐标系划分成左右上下四个区域，计算任意节点A处最小信号干扰噪声比SINR_A：其中，节点A位于节点C的有效通信范围内，同时又在节点B和D的干扰范围内，即节点A可以同时接收到来自节点C、节点B和节点D的信号，对于节点A来说，来自节点C的信号为期望的信号，而来自节点B或D的信号则为干扰信号，PR_A代表的是节点C发出的信号到达节点A处的功率，I_B和I_D则分别代表节点B和节点D发出的干扰信号到节点A处的功率，该PR_A是利用电磁波在空间传播的能量损耗计算得出：

其中，PT_C为节点C的发射功率；G_t和G_r分别为节点C和节点A的天线增益；l>d_A-C为节点A和节点C间的距离；L>

同理，I_B和I_D可分别通过公式(3)和(4)得出：

其中，PT_B和PT_D分别为节点B和节点D的发射功率，d_A-B和d_A-D分别为节点A和节点B以及节点A和节点D之间的距离；

将公式(2)、(3)和(4)代入公式(1)，可得：

若所有节点特性相同，那么，波长l>L>

步骤2、根据预置的最小信号干扰噪声比门限值SINR_thres，来确定数据交付的下一跳候选节点，该下一跳候选节点包括候选主节点和候选的冗余节点：步骤2.1、确定节点坐标和所在区域

确定节点坐标：网络中任意节点都通过源节点S在XY坐标系内获得定位坐标；

确定节点所在区域：已知源节点S, 节点C为下一跳候选节点MN_CAN,>S_x,>S_y,>C_x,>C_y,>D_x和D_y分别代表源节点S、下一跳候选节点MN_CAN和目的节点D的横坐标和纵坐标:

若S_x≤D_x或C_x且S_y≤D_y或C_y,>

若S_x>D_x或C_x且S_y≤D_y或C_y,>

若S_x≥D_x或C_x且S_y>D_y或C_y,>

若S_x<D_x或C_x且S_y>D_y或C_y,>

步骤2.2、确定下一跳候选节点MN_CAN，该下一跳候选节点MN_CAN包括候选主节点和候选的冗余节点：

先确定目的节点所在的区域，收集与目的节点同一区域其他节点的最小信号干扰噪声比SINR，逐个确认下一跳候选节点MN_CANN：将最小信号干扰噪声比SINR最接近门限值SINR_thres的节点作为下一跳候选主节点，将第二接近门限值SINR_thres的节点作为下一跳候选的冗余节点；

一旦确定了任一节点的下一跳候选节点MN_CAN，源节点S就发送一个DL_RREQ消息通过所有的下一跳候选节点路由至目的节点D,一旦目的节点D收到了该DL_RREQ消息，将回复源节点S一个DL_RREP消息，该DL_RREP消息中包含了目的节点D的坐标；

上述DL_RREQ消息和DL_RREP消息的格式与标准的RREQ消息和RREP消息相比，均多了“Destination Location_X”和“Destination Location_Y”域，这2个域的首位是指示符，指出了域中数值是正的还是负的，源节点S通过该DL_RREQ消息获取目的节点D的坐标，而目的节点D则通过DL_RREP消息向源节点S回复自己的坐标；在获取目的节点D坐标后，其所在区域也能确定下来；

步骤3、确定目标节点D的坐标，源节点S和目的节点D间的主路由可以通过与目的节点D同一方位所有的下一跳候选主节点建立起来，源节点S将数据交付至目标节点的过程中，优选主路由，当主路由中断后，网络中节点不需要重新计算路由，数据可以立即通过候选的冗余节点继续交付至目的节点。

所述逐个确认下一跳候选节点MN_CAN包括如下步骤：

根据已确定的任意节点坐标，源节点S和任一节点的距离通过公式(7)计算得出：

其中，S_x,>S_y,>MN_x和MN_y分别代表源节点S和任一节点的坐标；

节点A的最小信号干扰噪声比SINR_A可以通过将公式(7)代入公式(6)得出：

每个节点依照公式（8）定期计算自己的最小信号干扰噪声比SINR，并通过一个修改的HELLO消息和邻居节点进行信息交换，该修改的HELLO消息格式中储存了发送该HELLO消息的节点的ID、HELLO消息发出时测量的瞬时SINR和HELLO消息的发出时间，每个节点通过收到该HELLO消息，了解本节点有效通信范围内的其他节点的SINR和其所在区域，将通过交换得到的HELLO消息中最接近门限值SINR_thres的节点选定为下一跳候选主节点，第二接近门限值SINR_thres的节点为下一跳候选的冗余节点，从而确定每一节点在每个区域中的下一跳候选主节点和下一跳候选的冗余节点。

本发明在数据发送前通过定向广播减少网络中广播消息减轻网络负荷的同时，根据系统要求的最小信号干扰噪声比（SINR)，在源节点(Source MN)和目的节点(Destination MN)间确定了一条主路由和一条备用的冗余路由，在主路由中断后，网络中节点不需要重新计算路由，数据可以立即通过冗余路由继续交付给目的节点。

附图说明

图1为本发明的网络拓扑图；

图2为本发明节点间相互干扰示意图；

图3为本发明修改的HELLO消息格式；

图4为本发明DL_RREQ消息的格式；

图5为本发明DL_RREP消息的格式；

图6为本发明主路由建立示意图。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

本发明无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法，具体包括如下步骤：

步骤1、如图1所示，整个网络覆盖区域以源节点S为原点形成的XY坐标系划分成左右上下四个区域，为第一区域(1)、第二区域(2)、第三区域(3)和第一四区域(4)，每个区域又可划分为1m*1m的网格，计算任意节点A处最小信号干扰噪声比SINR_A：

其中，节点A位于节点C的有效通信范围内，同时又在节点B和D的干扰范围内，即节点A可以同时接收到来自节点C、节点B和节点D的信号，对于节点A来说，来自节点C的信号为期望的信号，而来自节点B或D的信号则为干扰信号，PR_A代表的是节点C发出的信号到达节点A处的功率，I_B和I_D则分别代表节点B和节点D发出的干扰信号到节点A处的功率，该PR_A是利用电磁波在空间传播的能量损耗计算得出：

其中，PT_C为节点C的发射功率；G_t和G_r分别为节点C和节点A的天线增益；l>d_A-C为节点A和节点C间的距离；L>

同理，I_B和I_D可分别通过公式(3)和(4)得出：

其中，PT_B和PT_D分别为节点B和节点D的发射功率，d_A-B和d_A-D分别为节点A和节点B以及节点A和节点D之间的距离；

将公式(2)、(3)和(4)代入公式(1)，可得：

若所有节点特性相同，那么，波长l>L>

步骤2、根据预置的系统要求的最小信号干扰噪声比门限值SINR_thres，来确定数据交付的下一跳候选节点，该下一跳候选节点包括候选主节点和候选的冗余节点：

步骤2.1、确定节点坐标和所在区域

确定节点的坐标：网络中任意节点都通过源节点S来进行定位，例如图1中，相对于源节点S（Source MN）来说，节点i>j>

确定节点所在区域：已知源节点S（Source MN）, 节点C为下一跳候选节点MN_CAN,>S_x,>S_y,>C_x,>C_y,>D_x和D_y分别代表源节点S、下一跳候选节点MN_CAN和目的节点D的横坐标和纵坐标:

若S_x≤D_x或C_x且S_y≤D_y或C_y,那么目的节点D或节点C位于源节点S的第一区域(1)中；

若S_x>D_x或C_x且S_y≤D_y或C_y,那么目的节点D或节点C位于源节点S的第二区域(2)中；

若S_x≥D_x或C_x且S_y>D_y或C_y,那么目的节点D或节点C位于源节点S的第三区域(3)中；

若S_x<D_x或C_x且S_y>D_y或C_y,>

步骤2.2、确定下一跳候选节点

先确定目的节点所在的区域，收集与目的节点同一区域其他节点的最小信号干扰噪声比SINR，逐个确认下一跳候选节点MN_CANN：将SINR最接近预置的门限值SINR_thres的节点作为下一跳候选主节点，SINR第二接近门限值SINR_thres的节点作为下一跳候选的冗余节点。

所述逐个确认下一跳候选节点MN_CAN(包括候选主节点和候选的冗余节点)包括如下步骤：

根据已确定的任意节点坐标，源节点S和任一节点的距离通过公式(7)计算得出：

其中，S_x,>S_y,>MN_x和MN_y分别代表源节点S和任一节点的坐标；

例如，图2中节点A的最小信号干扰噪声比SINR_A可以通过将公式(7)代入公式(6)得出：

每个节点依照公式（8）定期计算自己的最小信号干扰噪声比SINR，并通过一个修改的HELLO消息和邻居节点进行信息交换。如图3所示，该修改的HELLO消息格式中储存了发送该HELLO消息的节点的ID、HELLO消息发出时测量的瞬时SINR和HELLO消息的发出时间。每个节点通过收到该HELLO消息，了解本节点有效通信范围内的其他节点的SINR和其所在区域，将通过交换得到的HELLO消息中最接近预置门限值SINR_thres的节点选定为下一跳候选主节点，第二接近门限值SINR_thres的节点为下一跳候选的冗余节点，从而确定每一节点在每个区域中的下一跳候选主节点和下一跳候选的冗余节点。例如，节点i>j>k>h>

一旦确定了任一节点的下一跳候选节点MN_CAN，源节点S就发送一个DL_RREQ消息通过所有的下一跳候选节点路由至目的节点D,一旦目的节点D收到了该DL_RREQ消息，将回复源节点S一个DL_RREP消息，该DL_RREP消息中包含了目的节点D的坐标。

上述DL_RREQ消息和DL_RREP消息的格式分别见图4和图5。与标准的RREQ消息和RREP消息相比，这2个消息均多了“Destination Location_X”和“Destination Location_Y”域，各占16位。这2个域的首位是指示符，指出了域中数值是正的还是负的。源节点S通过该DL_RREQ消息获取目的节点D的坐标，而目的节点D则通过DL_RREP消息向源节点S回复自己的坐标。在获取目的节点D坐标后，其所在区域也能确定下来。

步骤3、确定目标节点D的坐标，源节点S和目的节点D间的主路由可以通过与目的节点D同一方位所有的下一跳候选主节点建立起来，源节点S将数据交付至目标节点的过程中，优选主路由，当主路由中断后，网络中节点不需要重新计算路由，数据可以立即通过候选的冗余节点继续交付至目的节点。

因此，源节点S和目的节点D间的主路由可以通过与目的节点D同一方位所有的下一跳候选主节点建立起来。如图6所示,假设F₁是源节点S的下一跳候选主节点，F₂是F₁的下一跳候选主节点，F₃是F₂的下一跳候选主节点。一旦确定了目的节点D的坐标后，源节点S和目的节点D间的主路由就可以通过F₁，F₂和F₃建立起来。

以上所述，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。