自组织网络中基于最少信道切换的多信道路由方法

摘要

本发明是一种自组织网络中基于最少信道切换的多信道路由方法，该方法要求源节点通过自身维护的路由和信道使用信息，在路由更新和维护中，网络中的每个节点除了必要的路由信息外，还需要维护该节点周围的可用信道信息和到达目的节点的路由中每一跳的可用信道集合这两种信道信息，采用周期性全局路由更新和事件触发性局部路由更新的方法。在建立连接时，源节点根据路由表中每一跳的可用信道集合选择到达目的节点的最佳路由，最佳路由即是指需要最小切换时延的路由，并借助于媒体访问控制层的RTS/CTS来完成信道的分配。本发明以尽量减少路由中信道切换为目的，尽量减少信道切换产生的时延，从而降低了网络时延，提高了吞吐量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别用于自组织网络中基于最少信道切换的多信道用户寻找路由的实现方案，属于通信技术领域。

背景技术

Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络，它是由无线移动节点组成，其网络拓扑具有任意性和临时性。自组织网络的主要特点有：独立组网，无需依赖于任何预先假设的网络设施，网络节点可以快速、自动地组成一个独立的网络；无中心自组织，所有的节点地位平等，任何节点的意外情况不会影响整个网络的存在与运行，各节点根据约定的准则调节自己的行为；多跳路由，当节点需要同覆盖范围之外的节点进行通信时，就需要借助其他节点的转接来完成；动态拓扑，这是由网络中的节点可以随时移动，以及可以随时加入或离开网络所决定的；安全性差，由于每个节点可以作为终端或转接节点，因此更加容易收到入侵或窃听等恶意破坏行为。在有线网络无法使用时，使用Ad Hoc网络快速组建起的自组织网能提供通信和信息的接入，从而保证了该环境下的通信。Ad Hoc网络广泛地应用于军事通信、应急通信等领域。

Ad Hoc网络的路由方式与传统的移动通信系统和无线局域网的路由方式都有所不同。传统的移动通信系统中有基站负责终端之间的转接，无线局域网是一个单跳的网络，而Ad Hoc是一个无线自组织的多跳网络，网络中的每个终端是对等的。Ad Hoc网络中的每个终端除了可以作为发送或接收终端，运行面向用户的应用程序外，还可以作为路由器使用，运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发工作和路由维护工作。而且由于无线节点随时都可能运动，移动速度和方向也是未知的，因此网络的拓扑结构随时都可能变化，网络中的路由信息则具有一定的时效性。

基于以上对分析，其路由协议需要具备以下特点：能够进行分布式的操作，其路由算法应该是分布式的，每个节点能够独立地处理自己加入或离开网络的操作；动态自适应性，由于Ad Hoc网络的拓扑结构随时可能发生变化，因此要求路由算法和协议必须对网络的拓扑结构具有快速反应能力，计算方法能快速收敛，从而避免出现路由环路，或者在出现路由环路时能及时消除其不利影响；支持单向路由，实际无线网络环境的影响，加上每个终端拥有的资源有限且不尽相同，因此很可能出现单向信道的情况，因此在设计路由协议的时候，除了要考虑建立正向的路由，同时还要重新发现和建立反向路由，避免通信的中断以及系统资源的浪费。

在多信道的无线多跳网络中，有效地使用多信道，允许多个传输同时发生，不仅可以提高网络的吞吐量，还可以减少传输数据过程中为竞争信道而增加的等待时延，降低网络拥塞和冲突碰撞。由于Ad Hoc网络中现有的路由协议基本都是基于最短距离路由，在单信道网络中可以有效的选择路由，但是由于没有考虑网络中可用信道的多样性，因此这类协议在多信道无线网络的性能就无法得到保障。

目前对Ad Hoc网络的多信道扩展主要有以下几种方式：改变原有的MAC处理机制、使用改进的路由算法以及两种方式的集合。DCA(Dynamic ChannelAssignment)、MMAC(Multi-channel Media Access Control)和TA-MMAC都是通过改进现有的MAC层处理机制，通过多接口或者特定的时间处理机制，实现网络中多个传输的同时发生。CA-AODV(Channel Assignment-Ad hoc On DemandDistance Vector Algorithm)和ECA-AODV(Enhanced CA-AODV)两种算法都是基于AODV路由协议的改进，在选路的同时进行信道分配，将路由选择和信道分配结合进行。许多研究成果也都表明在每一跳上建立路由的同时考虑工作频段的选择，要比路由选择和频谱分配独立进行的改进MAC(Media Access Control)层处理机制的方式性能好很多。因为后者在选择信道的时候并没有考虑信道的分配，在路由选择完成后，该路由可能因为其某一跳链路因为无可用信道而无法使用。DSDV-MC(Destination Sequenced Distance Vector-Multi-channel)、OSPF-MCDS-MC(Open Shortest Path First-Minimal Connected Dominating Setwith Multiple Channels)和J-CAR(Joint Channel Assignment)也都是不改变原有的MAC协议，在现有路由机制的基础上，选择路由的同时采取“K跳独立”的原则，进行信道分配，也就是，每一跳链路所使用的信道与其相邻K跳之内的链路所使用的信道均不同。J-CAR/widest(joint channel assignment and routingwith widest path)协议是对J-CAR的改进，使J-CAR中的路由接口选择具有双向性，而且更准确，更灵活。

但是上述的路由改进算法都没有充分考虑频繁的信道切换所带来的时延问题。在20MHz-3GHz的频谱范围内，收发器的工作频段每改变10MHz通常会带来10ms的时延，因此在信道切换较多的情况下，由此带来的网络时延也是很可观的。

在多信道Ad Hoc网络中，每个网络节点可以根据网络的当前状况，动态地选择合适的信道和路由，进一步提高网络性能。传统的路由指标如跳数、拥塞等作为路由选择的依据已不够充分，所以需要引入新的路由指标，如信道切换次数、信道切换频率等。因此在多信道Ad Hoc网络中，路由技术是非常关键的技术。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种自组织网络中基于最少信道切换的多信道路由方法，该方法要求源节点通过自身维护的路由和信道使用信息，选择到达目的节点的最优路径，即最少信道切换的路径。该方法以尽量减少路由中信道切换为目的，采用最小切换时延的信道分配策略，尽量减少信道切换产生的时延，从而降低了网络时延，提高了吞吐量。

技术方案：本发明以尽量减少路由中信道切换为目的，基于目的序列距离矢量路由协议，将路由选择同信道分配结合在一起，实现了自组织多信道网络中的路由发现。

该方法包括：

a.路由更新和维护：要求网络中的每个节点除了必要的路由信息外，还需要维护以下两种信道信息，该节点周围的可用信道信息和到目的节点的路由中每一跳的可用信道集合，{CAS₁，CAS₂，...，CAS_N}，其中CAS_k表示距源节点K跳链路上的可用信道集合，N为源节点距离目的节点的跳数；在进行全局路由更新时，节点除了广播路由信息，还要广播每条路由对应的可用信道集合信息；节点的可用信道列表发生改变或者传输信道需要切换时，都会触发局部更新信息的广播，收到邻居节点的路由更新信息分组后，如果该节点与邻居节点无共同可用信道，则放弃该分组，与该邻居节点有关的路由也都会失效，而对于新加入网络的节点需等到全局更新时获取邻居节点的路由和信道使用情况，更新自身维护的路由表信息，并通知周围的邻居节点自己的存在，然后才可以有发送或接收要求；节点的控制接口一直绑定在控制信道上，侦听网络中其他节点使用数据信道的情况，随时更新自己的可用信道集合；

b.建立连接：源节点有业务发送时，首先侦听控制信道是否空闲，如果空闲，则根据路由表中每一跳的可用信道集合选择到达目的节点的最佳路由，在本算法中是指需要最小切换时延的路由，并将分配给每一跳的信道信息记录在请求发送控制分组中，然后通过控制信道发送给目的节点；请求发送分组包括帧控制字段FC、帧间隔的时间DU、传送的目的地址RA、传送的源地址TA、可用信道列表CL和帧校验序列FCS，路由上的节点收到该请求发送分组后，记录下分配给自己的信道信息，并将数据信道接口切换到相应的信道上，等待接收目的节点回复的允许发送控制分组；目的节点接收到请求发送分组后，以源节点为目的节点，查找路由表进行同样的信道分配，并将分配的信道序列记录在允许发送分组中回复给源节点，允许发送分组分组包括帧控制字段FC、帧间隔的时间DU、传送的目的地址RA、可用信道列表CL和帧校验序列FCS，路径上的节点接收到该允许发送分组后提取相应的信道分配信息，然后继续转发该分组；握手成功后，源节点和目的节点通过事先分配的信道交换数据。

有益效果：本发明提供一种多信道Ad Hoc网络中基于目的序列距离矢量的多信道路由方法，该方法要求源节点通过自身维护的路由和信道使用信息，选择到达目的节点的最优路径，即最少信道切换的路径。该方法以尽量减少路由中信道切换为目的，采用最小切换时延的信道分配策略，减少信道切换产生的时延，从而降低了网络时延，提高了吞吐量。该路由算法是一种典型的先应式路由协议，适用于网络拓扑结构变化较慢，对实时性要求较高的网络。

附图说明

图1OLCH-DSDV算法中的RTS帧结构。

图2OLCH-DSDV算法中的CTS帧结构。

图3网络拓扑结构图。

图4节点A的部分路由信息。

具体实施方式

DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)是一种表驱动的路由算法，每个节点都维护着一张路由表，该路由表记录着节点在网络中所有可能到达的目的节点，以及所需要的跳数。每个表项都有一个目的节点分配的序列号，用来区别新路由和旧路由，每个节点必须周期性地与邻节点交换路由信息，当然也可以根据路由表的改变来触发路由更新。

DSDV只能在给定的源节点和目的节点之间提供单跳路径，协议需要选择以下参数：定时更新的周期、最大的“沉淀时间”(settling time)和路由失效间隔时间。虽然这些参数对网络的影响难以衡量，因为其本质是要在路由的有效性和网络通信开销之间进行折衷平衡，但是这些网络参数的选择至关重要。

本发明的OLCH-DSDV(On-Least Channel Handoff-DSDV)路由算法中，各通信节点通过周期性或者间隔性的广播路由信息包，使得各节点即时维护更新整个网络或部分网络的路由信息表，从而实现各个节点间的正常通信。在发送路由信息包中，除包括目的节点地址、到达目的节点所需的跳数和从该目的节点收到的序列号，还增加了信道分配所需的信道信息，以选择最小切换时延的信道。

OLCH-DSDV路由算法在确定信道之后，需要借助于MAC层的RTS/CTS分组来完成信道分配，信道分配工作主要由源、目的节点完成，并通过MAC层的握手机制将分配的信道信息通知给路由上的相应节点。由于控制信道在通信建立的过程中不需要被用来广播路由发现分组，仅仅用于传输已经分配好的信道信息，因此大大减少了控制信道的占用时间，避免了控制信道中的“瓶颈问题”。

OLCH-DSDV路由协议中，节点维护着整个网络的路由信息，这样在有数据分组需要发送时，可以立即进行传送，因而适用于一些对实时性要求较高的业务和网络环境。但是在拓扑结构变化频繁的无线网络环境中，节点维护准确路由信息的代价较高，要频繁地交换拓扑更新信息。针对网络的特性，本发明采用两种不同的路由表更新方法：对于网络变化较快的情况，采用周期性的全局更新方法，更新信息包括整个路由表，这样的更新方式可以让新加入的节点及时了解网络拓扑；网络变化缓慢的情况，采用事件驱动的局部更新(逐步更新)方法，只有当路由发生改变时才触发更新，仅包含上次对整个路由表进行广播后又更新的内容。

OLCH-DSDV路由建立过程如下：源节点有发送业务时，首先侦听控制信道是否空闲，如果空闲，则根据路由表中每一跳的可用信道集合选择到达目的节点的最佳路由，在本算法中是指需要最小切换时延的路由，并将分配给每一跳的信道信息记录在RTS(Request To Send)控制分组中，然后通过控制信道发送给目的节点。路由上的节点收到该RTS分组后，记录下分配给自己的信道信息，并将数据信道接口切换到相应的信道上，等待接收目的节点回复的CTS(Clear To Send)控制分组。目的节点接收到RTS请求分组后，以源节点为目的节点，查找路由表进行同样的信道分配，并将分配的信道序列记录在CTS控制分组中，回复给源节点，路径上的节点接收到该CTS分组后提取相应的信道分配信息，然后继续转发该分组。握手成功后，源节点和目的节点通过事先分配的信道交换数据。

本发明OLCH-DSDV路由算法以减少路由中信道切换为目的，主要是针对先应式路由协议。

传统的路由协议选择路由的原则是最短路由，而由于OLCH-DSDV算法的目标是减少路由中的信道切换时延，因此它们首先考虑的是信道切换次数，在具有相同切换次数的情况下，再考虑最短路由。一条路径上的传输时延可以用以下方式进行计算：

T_delay＝d×t_hop+s×t_sd

其中，d和s分别代表路由的跳数以及信道切换次数，t_hop表示每一跳的传输时延，t_sd表示信道切换所需要的时间。因此，为了减少时延，在选择路由的时候应首先考虑信道切换次数，尽量选择需要较少切换次数的路由。

假设网络中存在一个公共控制信道，用于传输控制信息；每个网络节点都配置两个接口，一个绑定在控制信道上，另一个可以在数据信道之间进行切换。

OLCH-DSDV路由协议在发送路由信息包时，增加信道分配所需的信道信息，以选择最小切换时延的信道。

OLCH-DSDV路由算法在确定信道之后，需要借助于MAC层的RTS/CTS分组来完成信道分配。下面将分别从路由维护和建立连接两方面给出OLCH-DSDV算法的路由和信道选择机制。

路由更新和维护：作为DSDV协议的扩展，OLCH-DSDV算法要求网络中的每个节点除了同样需要必要的路由信息以维护更新路由表，还需要维护以下两种信道信息：该节点周围的可用信道信息和到目的节点的路由中每一跳的可用信道集合，{CAS₁，CAS₂，...，CAS_N}，其中CAS_k表示距源节点K跳链路上的可用信道集合，N为源节点距离目的节点的跳数。在进行全局路由更新时，节点除了广播路由信息，还要广播每条路由对应的可用信道集合信息；节点的可用信道列表发生改变，或者传输信道需要切换时，都会触发局部更新信息的广播。收到邻居节点的路由更新消息后，如果该节点与邻居节点无共同可用信道，则放弃该分组，与该邻居节点有关的路由也都会失效。而对于新加入网络的节点需等到全局更新时获取邻居节点的路由和信道使用情况，更新自身维护的路由表信息，并通知周围的邻居节点自己的存在，然后才可以有发送或接收要求。节点的控制接口一直绑定在控制信道上，侦听网络中其他节点使用数据信道的情况，随时更新自己的可用信道集合。

建立连接：源节点有业务发送时，首先侦听控制信道是否空闲，如果空闲，则根据路由表中每一跳的可用信道集合选择到达目的节点的最佳路由，在本算法中是指需要最小切换时延的路由，并将分配给每一跳的信道信息记录在RTS控制分组中，然后通过控制信道发送给目的节点。RTS帧结构如图1所示：FC是帧控制字段、DU是帧间隔的时间、RA是传送的目的地址、TA是传送的源地址、CL是可用信道列表、FCS是帧校验序列。路由上的节点收到该RTS分组后，记录下分配给自己的信道信息，并将数据信道接口切换到相应的信道上，等待接收目的节点回复的CTS控制分组。目的节点接收到RTS请求分组后，以源节点为目的节点，查找路由表进行同样的信道分配，并将分配的信道序列记录在CTS控制分组中回复给源节点，帧结构如图2所示(相关定义见上RTS帧)，路径上的节点接收到该CTS分组后提取相应的信道分配信息，然后继续转发该分组。握手成功后，源节点和目的节点通过事先分配的信道交互数据。通信结束后，通过控制信道发送局部更新信息，释放占用的信道。

图3为某一小型网络的拓扑结构，节点A维护的部分路由信息如图4所示，节点A到节点D的通信建立过程如下：

1)源节点A查找路由表，如表1所示，选择最佳路由：从表中可以看出，有B和E，其中前一条路由所需的跳数较少。

2)源节点A为每一跳分配信道：对于下一跳节点为B的路由，由于

CAS₁∩CAS₂＝{ch3}，CAS₂∩CAS₃＝{ch2}，因此该路由所需要的信道序列为ch3-ch3-ch2；下一跳为E的路由，所需

3)要的信道序列为ch3-ch3-ch2-ch2。两条路由所需要的信道切换次数相同，但前一条路由拥有较小的跳数，因此选择下一跳节点为B的路由。将分配给每一跳的信道序列写入到RTS控制分组后，将该分组通过控制信道发送给目的节点D。

4)节点B收到带有分配信道序列的RTS控制分组后，提取分配给自己与源节点A之间的通信信道ch3，然后根据其路由表中维护的信道以及路由信息，选择下一跳节点。

5)目的节点D收到A发送的RTS分组后，提取分配给自己的信道信息，然后以节点A为目的节点查找路由，分配信道，并将分配的信道序列写入相应的CTS分组中。

本发明的OLCH-DSDV路由算法的信道分配工作主要由源、目的节点完成，并通过MAC层的握手机制将分配的信道信息通知给路由上的相应节点。由于控制信道在通信建立的过程中不需要被用来广播路由发现分组，仅仅用于传输已经分配好的信道信息，因此大大减少了控制信道的占用时间，避免了控制信道中的“瓶颈问题”。

由于每个节点需要随时维护整个网络的路由表，OLCH-DSDV路由算法主要用于网络规模不是很大，网络拓扑变化相对不是很频繁的网络，适用于一些对实时性要求较高的业务和网络环境。