專利名稱：基于超寬帶定位輔助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明是無線個域網(wǎng)中一種基于超寬帶定位輔助的路由技術，適用于提供高質量 多媒體業(yè)務的無線個域網(wǎng)絡應用，屬于無線通信技術領域，具體為一種基于超寬帶定位輔 助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法。
背景技術：
無線個人局域網(wǎng)(WPAN)就是在個人周圍空間形成的無線網(wǎng)絡，現(xiàn)通常指覆蓋范 圍在IOm半徑以內(nèi)的短距離無線網(wǎng)絡，尤其是指能在便攜式消費者電器和通信設備之間進 行短距離特別連接的自組織網(wǎng)。WPAN被定位于短距離無線通信技術，但根據(jù)不同的應用場 合又分為高速WPAN(HR-WPAN)和低速WPAN(LR-WPAN)兩種。典型的高速WPAN標準有IEEE 802. 15. 3 和 ECMA-368/369 等。ECMA-368/369標準是由WiMedia聯(lián)盟提出，采用多帶OFDM技術作為物理層解決 方案的新一代超寬帶高速WPAN通信標準，覆蓋了最高數(shù)據(jù)速率為480Mbps的工作在3. 1 到10. 6GHz頻段的超寬帶(UWB)短距離無線網(wǎng)絡。其中，ECMA-368標準定義了基于多帶 OFDM技術的物理層PHY與基于分布式架構的媒體接入控制MAC子層，ECMA-369標準規(guī)定了 MAC-PHY接口。兩項標準已被ECMA提交國際標準化組織ISO，國際電工委員會IEC和信息 技術聯(lián)合委員會JTC1，并于2007年初被批準為正式標準IS0/IEC 26907與26908發(fā)布。ECMA-368標準的物理層具有厘米級的精確測距能力，結合三角定位法可以準確計 算出節(jié)點的相對位置，在網(wǎng)絡中設定參考節(jié)點坐標后通過報文洪泛的方式網(wǎng)絡中的每個節(jié) 點都可以擁有整個拓撲圖。在傳統(tǒng)按需路由協(xié)議，如動態(tài)源路由協(xié)議DSR協(xié)議和按需平面 距離矢量路由協(xié)議AODV協(xié)議中，當某一節(jié)點準備向目的節(jié)點發(fā)送信息但沒有通往目的節(jié) 點的路由而進行路由發(fā)現(xiàn)時，源節(jié)點一般采用洪泛的方式廣播路由請求，中間節(jié)點在沒有 目的節(jié)點的可用路由時將再次廣播此路由請求。無線個域網(wǎng)中的節(jié)點都是能量有限的，路 由發(fā)現(xiàn)過程中多次洪泛將必然加快節(jié)點的能量消耗，縮短了網(wǎng)絡壽命。定位輔助路由協(xié)議 可以根據(jù)目的節(jié)點的預期區(qū)域，計算路由發(fā)現(xiàn)的請求區(qū)域，使路由查詢報文只在請求區(qū)域 傳播，以減少路由請求報文的數(shù)量，提高路由請求的效率，因此研究個域網(wǎng)定位輔助路由協(xié) 議具有重要的現(xiàn)實意義。LAR協(xié)議中，假定源節(jié)點已知目的節(jié)點在、時刻的位置(Xd，Yd)和最大移動速度 V-，則、時刻目的節(jié)點的期望域就是以(xd, Yd)為圓心，Vmaxx(t「t0)為半徑的圓形區(qū)域。 對于請求區(qū)域的選定，LAR協(xié)議給出了兩種方式。其中一種方式采用的是矩形請求區(qū)域，即 包含源節(jié)點和期望域且兩條邊分別平行于橫軸和縱軸的最小矩形，根據(jù)源節(jié)點和和期望區(qū) 域的位置不同，有兩種不同的情況，如圖1所示，源節(jié)點S在目的節(jié)點的期望區(qū)域內(nèi)或在期 望區(qū)域外。在計算出路由請求區(qū)域后，LAR協(xié)議將廣播范圍受限的路由查詢報文，中間節(jié)點 收到該路由查詢報文時需判斷自己是否在該請求區(qū)域中，如在請求區(qū)域中才轉發(fā)該報文， 否則丟棄該報文。上述LAR協(xié)議方式存在以下問題
(1) LAR協(xié)議方式的矩形路由請求區(qū)域是非對稱的，導致源目的節(jié)點的相對位置不 同時，路由請求區(qū)域的大小差距很大。如圖2所示，(a)和(b)的源目的節(jié)點之間絕對距離 相同，但(a)中源節(jié)點S和目的節(jié)點D的連線與請求區(qū)域下底邊的夾角為45°，路由請求的 區(qū)域比較大，(b)的請求區(qū)域相對小很多。在(a)的情況下，請求區(qū)域中遠離S和D的兩個 矩形頂端區(qū)域中的節(jié)點離源節(jié)點和目的節(jié)點間直線的距離較遠，即便在路由發(fā)現(xiàn)時有可用 路徑通過該類節(jié)點該路徑也不易被選中，因此這兩個區(qū)域的路由洪泛查找往往白白浪費了 節(jié)點能量，而(b)中的請求區(qū)域則過于狹長，范圍受限洪泛查找路由時可能會找不到下一 跳節(jié)點，導致路由查找失??；(2) LAR協(xié)議方式中請求區(qū)域是根據(jù)源節(jié)點所記錄的目的節(jié)點位置信息來決定的， 實際上在路由發(fā)現(xiàn)的過程中，中間節(jié)點可能有比源節(jié)點更接近當前時刻的目的節(jié)點位置信 息，LAR協(xié)議未能充分利用此信息更新路由請求區(qū)域；(3)在范圍受限的路由發(fā)現(xiàn)失敗后，LAR協(xié)議將直接采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文 的方式進行路由發(fā)現(xiàn)，路由請求區(qū)域的調整方式過于簡單。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是無線網(wǎng)絡利用請求區(qū)域進行路由查詢時，現(xiàn)有的LAR協(xié) 議方式路由于請求區(qū)域受源節(jié)點和目的節(jié)點相對位置影響較大，不能及時更新路由請求區(qū) 域，存在路由發(fā)現(xiàn)失敗時路由請求區(qū)域的調整過于簡單的缺點，針對這些問題提出一種路 由請求區(qū)域動態(tài)調整的超寬帶定位輔助路由協(xié)議。本發(fā)明的技術方案為基于超寬帶定位輔助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法，節(jié) 點首先利用超寬帶定位技術獲得網(wǎng)絡中各個節(jié)點的坐標，隨后各節(jié)點基于定位信息進行路 由發(fā)現(xiàn)，路由請求區(qū)域采用扇形區(qū)域，所述扇形區(qū)域范圍可動態(tài)調節(jié)，包括以下步驟1)、首先在網(wǎng)絡的初始化階段，各節(jié)點利用超寬帶定位和測距技術計算本節(jié)點和 鄰居節(jié)點的距離，在網(wǎng)絡中有固定位置的參考節(jié)點，參考節(jié)點預先已知自身坐標，在參考節(jié) 點的幫助下利用三角定位法計算本節(jié)點坐標并記錄下當前時刻作為該位置的記錄時間，然 后將本節(jié)點位置和該位置的記錄時間全網(wǎng)洪泛使，網(wǎng)絡中每個節(jié)點都擁有整個網(wǎng)絡的拓撲 圖；2)、當源節(jié)點準備向目的節(jié)點發(fā)送信息，但沒有通往目的節(jié)點的路由時進行路由 發(fā)現(xiàn)源節(jié)點首先根據(jù)目的節(jié)點的位置和網(wǎng)絡中節(jié)點的最大移動速度計算目的節(jié)點的期望 域；源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域內(nèi)，洪泛查找可用路由；當源節(jié)點在期望域外，計算以源節(jié) 點為頂點的扇形路由請求區(qū)域，所述扇形路由請求區(qū)域覆蓋目的節(jié)點的期望域；將源節(jié)點和目的節(jié)點的位置信息、目的節(jié)點位置的記錄時間、扇形區(qū)域圓心角和 半徑附在路由查詢報文中，廣播此路由查詢報文；中間節(jié)點收到此查詢報文后首先判斷本 節(jié)點是否處在扇形路由請求區(qū)域之中，如不在則丟棄此報文；如果中間節(jié)點對于目的節(jié)點 位置的記錄時間比源節(jié)點對于目的節(jié)點的記錄時間更接近當前時刻，則中間節(jié)點以本節(jié)點 為頂點重新計算扇形路由請求區(qū)域，以中間節(jié)點為新的源節(jié)點做新路由查詢報文進行廣 播，并將查詢結果返回原源節(jié)點；3)、如果路由發(fā)現(xiàn)失敗，則源節(jié)點增大扇形請求區(qū)域的圓心角，擴大路由請求區(qū)域 覆蓋范圍，再次進行路由發(fā)現(xiàn)；
4)、如果路由發(fā)現(xiàn)多次失敗，且扇形區(qū)域圓心角已增至2 π時，不再限定路由請求 范圍，采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文的方式進行路由發(fā)現(xiàn)。當設備為源節(jié)點時，節(jié)點的工作周期流程為1)、節(jié)點有 信息發(fā)送給目的節(jié)點時，首先查找本地節(jié)點位置信息表中的目的節(jié)點 地址，若沒有則直接采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文的方式進行路由發(fā)現(xiàn)；2)、節(jié)點如果有目的節(jié)點位置信息，設目的節(jié)點在、時刻的位置為(Xd, Yd)，網(wǎng) 絡中節(jié)點最大移動速度為Vmax，則目的節(jié)點在、時刻的期望域就是以(Xd，Yd)為圓心，以 VfflaxX (trt0)為半徑的圓形區(qū)域，若源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域中則洪泛路由查詢報文進 行路由發(fā)現(xiàn)；3)、如果源節(jié)點不在目的節(jié)點期望域中，設源節(jié)點位置為(XS，YS)，以(XS，YS)為端 點向期望域做兩條切線，則兩條切線間的扇形區(qū)域就是初始路由請求區(qū)域，扇形的半徑為
圓心角為
鮮點
將本節(jié)點位置、目的節(jié)點位置和本節(jié)點記錄目的節(jié)點位置的時刻、，扇形區(qū)域的圓心角和 半徑附在路由查詢報文中，廣播此報文并設置路由查詢定時器，限定等待路由查詢結果的 時間；4)、如果源節(jié)點在路由查詢定時器超時前接收到路由應答報文，則判定本次路由 發(fā)現(xiàn)成功，源節(jié)點根據(jù)應答報文的信息更新本地路由表，發(fā)送數(shù)據(jù)報文；如果源節(jié)點在路由 查詢定時器超時后仍未接收到路由應答報文，則判定本次路由發(fā)現(xiàn)失敗，源節(jié)點增大路由 請求區(qū)域的范圍，再次進行路由發(fā)現(xiàn)，請求區(qū)域的增大通過增大扇形區(qū)域的圓心角實現(xiàn)，圓
心角設有f 2π三種閾值，選擇最接近初始扇形區(qū)域圓心角且比初始扇形區(qū)域圓心角
大的一級閾值作為更新后的扇形區(qū)域圓心角；如果更新后的扇形區(qū)域圓心角為2 π，則不 再限定請求區(qū)域范圍，全網(wǎng)洪泛路由查詢報文，否則將更新后的扇形區(qū)域信息附在路由查 詢報文中并廣播此報文，進行新一輪查詢。當設備為中間節(jié)點或目的節(jié)點時，也就是非源節(jié)點時，工作周期流程為1)、非源節(jié)點接收到路由查詢報文時，首先判斷此報文是否為重復接收報文，若節(jié) 點已接收過此報文則丟棄該重復報文，不做重復處理；2)、如果非源節(jié)點首次接收到此路由查詢報文，則判斷本節(jié)點是否為目的節(jié)點，若 為目的節(jié)點則回復路由應答報文；3)、如果非源節(jié)點不是目的節(jié)點，則檢查該路由查詢報文生存時間，若該報文生存 時間已耗盡則丟棄該報文；4)、如果路由查詢報文生存時間未耗盡，則判斷該路由查詢報文的類型，若是全網(wǎng) 洪泛路由查詢報文，則將本節(jié)點信息附在該報文中，向鄰居節(jié)點廣播該路由查詢報文；5)、如果路由查詢報文為范圍受限的洪泛報文，則根據(jù)報文中的信息判斷本節(jié)點 是否處在路由請求區(qū)域之內(nèi)，若不在該區(qū)域之內(nèi)則丟棄該報文不做處理；6)、如果本節(jié)點處于路由請求區(qū)域之內(nèi)，則比較路由查詢報文中目的節(jié)點位置的 記錄時刻、和本節(jié)點中目的節(jié)點位置的記錄時刻、'，若t/ >、，即如果本節(jié)點對于目 的節(jié)點位置的記錄時間比源節(jié)點對于目的節(jié)點的記錄時間更接近當前時刻，則重新計算目的節(jié)點的期望域，并以本節(jié)點為頂點重新計算扇形請求區(qū)域的覆蓋范圍，更新路由查詢報 文中的相關信息，然后節(jié)點將本節(jié)點信息附在路由查詢報文中，向鄰居節(jié)點廣播該路由查 詢報文。本發(fā)明在ECMA-368WPAN的基礎上，提出了一種請求區(qū)域動態(tài)調整的超寬帶定位 輔助路由協(xié)議實現(xiàn)方法，采用對稱的扇形路由請求區(qū)域，在路由發(fā)現(xiàn)的過程中根據(jù)中間節(jié) 點記錄的目的節(jié)點位置信息及時更新路由請求區(qū)域。在路由發(fā)現(xiàn)失敗后，該協(xié)議將動態(tài)調 整扇形路由請求區(qū)域的面積，再次進行范圍擴大的有限洪泛路由發(fā)現(xiàn)，如果路由發(fā)現(xiàn)仍然 失敗，扇形路由請求區(qū)域的覆蓋范圍可以逐步增大直至全網(wǎng)洪泛。本發(fā)明在覆蓋范圍較小，節(jié)點分布密度較高的網(wǎng)絡環(huán)境中，耗費少量節(jié)點能量進 行節(jié)點定位，經(jīng)過路由請求區(qū)域計算和更新之后，有效降低路由協(xié)議的控制開銷，減小數(shù)據(jù) 報文端到端平均時延，并針對目的節(jié)點的移動，提高路由發(fā)現(xiàn)概率。相比LAR協(xié)議，本協(xié)議 使用了對稱的扇形路由請求區(qū)域，中間節(jié)點可以根據(jù)本節(jié)點記錄信息更新請求區(qū)域的范 圍，路由發(fā)現(xiàn)概率高，在路由發(fā)現(xiàn)失敗的情況下，本協(xié)議逐步增大路由請求區(qū)域的范圍，降 低了路由協(xié)議的能耗。本發(fā)明主要應用在需要提供高質量多媒體業(yè)務的無線個域網(wǎng)絡中。


圖1為LAR協(xié)議方式的請求區(qū)域，(a)為源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域外，(b)為源 節(jié)點在目的節(jié)點的期望域內(nèi)，源節(jié)點為S，目的節(jié)點D，A、B、C、E為中間節(jié)點。圖2為LAR協(xié)議中源節(jié)點和目的節(jié)點相對位置不同時的請求區(qū)域。圖3為本發(fā)明源節(jié)點和非源節(jié)點的工作流程圖。圖4為本發(fā)明中源節(jié)點在期望域外時初始路由請求區(qū)域。圖5為本發(fā)明路由請求區(qū)域動態(tài)調整方法示意。圖6為本發(fā)明中間節(jié)點路由請求區(qū)域更新方法。圖7為實施例網(wǎng)絡仿真場景。圖8為本發(fā)明和LAR協(xié)議路由控制開銷的對比示意圖。圖9為本發(fā)明和LAR協(xié)議路由數(shù)據(jù)報文平均端到端時延對比示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明是無線個域網(wǎng)中一種基于超寬帶定位輔助的路由技術，適用于提供高質量 多媒體業(yè)務的無線個域網(wǎng)絡應用，屬于無線通信技術領域。本發(fā)明中節(jié)點首先利用超寬帶 的定位技術獲得網(wǎng)絡中各個節(jié)點的坐標，隨后節(jié)點基于定位信息進行范圍受限的洪泛路由 發(fā)現(xiàn)，收到路由查詢報文的中間節(jié)點可以根據(jù)本節(jié)點記錄位置信息更新路由請求區(qū)域，在 路由請求區(qū)域的選擇上采用范圍可動態(tài)調節(jié)的扇形區(qū)域，仿真及分析結果表明，與LAR協(xié) 議相比，本發(fā)明在消耗少量節(jié)點能量進行節(jié)點定位和路由請求區(qū)域的計算更新之后減小了 路由控制報文的開銷，縮短了數(shù)據(jù)報文端到端平均時延，改進效果明顯。節(jié)點首先利用超寬帶定位技術獲得網(wǎng)絡中各個節(jié)點的坐標，隨后各節(jié)點基于定位 信息進行路由發(fā)現(xiàn)，路由請求區(qū)域采用扇形區(qū)域，所述扇形區(qū)域范圍可動態(tài)調節(jié)1)、首先在網(wǎng)絡的初始化階段，各節(jié)點利用超寬帶定位和測距技術計算本節(jié)點和 鄰居節(jié)點的距離，在網(wǎng)絡中有固定位置的參考節(jié)點，參考節(jié)點預先已知自身坐標，在參考節(jié)點的幫助下利用三角定位法計算本節(jié)點坐標并記錄下當前時刻作為該位置的記錄時間，然 后將本節(jié)點位置和該位置的記錄時間全網(wǎng)洪泛使網(wǎng)絡中每個節(jié)點都擁有整個網(wǎng)絡的拓撲 圖，整個網(wǎng)絡的拓撲圖也就是網(wǎng)絡中所有節(jié)點的坐標；2)、當源節(jié)點準備向目的節(jié)點發(fā)送信息，但沒有通往目的節(jié)點的路由時進行路由 發(fā)現(xiàn)源節(jié)點首先根據(jù)目的節(jié)點的位置和網(wǎng)絡中節(jié)點的最大移動速度計算目的節(jié)點的期望 域；源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域內(nèi)，洪泛查找可用路由；當源節(jié)點在期望域外，計算以源節(jié) 點為頂點的扇形路由請求區(qū)域，所述扇形路由請求區(qū)域覆蓋目的節(jié)點的期望域；將源節(jié)點和目的節(jié)點的位置信息、目的節(jié)點位置的記錄時間、扇形區(qū)域圓心角和 半徑附在路由查詢報文中，廣播此路由查詢報文；中間節(jié)點收到此查詢報文后首先判斷本 節(jié)點是否處在扇形路由請求區(qū)域之中，如不在則丟棄此報文；如果中間節(jié)點對于目的節(jié)點 位置的記錄時間比源節(jié)點對于目的節(jié)點的記錄時間更接近當前時刻，則中間節(jié)點以本節(jié)點 為頂點重新計算扇形路由請求區(qū)域，以中間節(jié)點為新的源節(jié)點做新路由查詢報文進行廣 播，并將查詢結果返回原源節(jié)點；也就是如果目的節(jié)點位置在源節(jié)點發(fā)出路由查詢請求期 間發(fā)生了變化，中間節(jié)點記錄到最新的目的節(jié)點位置坐標，中間節(jié)點重新確定扇形路由請 求區(qū)域，進行路由發(fā)現(xiàn)，并將發(fā)現(xiàn)的路由結果返回給原源節(jié)點；這樣就大大增加了目的節(jié)點 的路由發(fā)現(xiàn)概率。3)、如果路由發(fā)現(xiàn)失敗，則源節(jié)點增大扇形請求區(qū)域的圓心角，擴大路由請求區(qū)域 覆蓋范圍，再次進行路由發(fā)現(xiàn)；4)、如果路由發(fā)現(xiàn)多次失敗，且扇形區(qū)域圓心角已增至2 π時，不再限定路由請求 范圍，采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文的方式進行路由發(fā)現(xiàn)。如圖3所示的節(jié)點工作流程圖，本發(fā)明方法具體步驟如下首先網(wǎng)絡初始化階段，節(jié)點將定位本節(jié)點位置信息并全網(wǎng)洪泛。每個節(jié)點設備地 位平等。當設備為源節(jié)點時1)節(jié)點有信息發(fā)送給目的節(jié)點時，首先查找本地節(jié)點位置信息表中的目的節(jié)點 地址，若沒有則直接采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文的方式進行路由發(fā)現(xiàn)；2)源節(jié)點如果有目的節(jié)點位置信息，假定目的節(jié)點在、時刻的位置為(Xd，Yd), 網(wǎng)絡中節(jié)點最大移動速度為Vmax，則目的節(jié)點在、時刻的期望域就是以(Xd，Yd)為圓心，以 VmaxX (trt0)為半徑的圓形區(qū)域。若源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域中則洪泛路由查詢報文進 行路由發(fā)現(xiàn)；3)如果源節(jié)點不在目的節(jié)點期望域中，假定節(jié)點位置為(XS，YS)，以(XS，YS)為端 點向期望域做兩條切線，則兩條切線間的扇形區(qū)域就是初始路由請求區(qū)域，扇形的半徑為
圓心角為
,初始
扇形路由請求區(qū)域如圖4所示。源節(jié)點將本節(jié)點位置，目的節(jié)點位置和本節(jié)點記錄該位置 的時刻、，扇形區(qū)域的圓心角和半徑附在路由查詢報文中，廣播此報文并設置路由查詢定 時器；4):如果節(jié)點在路由查詢定時器超時前接收到路由應答報文，則判定本次路由發(fā) 現(xiàn)成功，節(jié)點根據(jù)應答報文的信息更新本地路由表，發(fā)送數(shù)據(jù)報文。如果節(jié)點在路由請求定時器超時后仍未接收到路由應答報文，則判定本次路由發(fā)現(xiàn)失敗，節(jié)點增大路由請求區(qū)域 的范圍，再次進行路由發(fā)現(xiàn)。請求區(qū)域的增大通過增大扇形區(qū)域的圓心角來實現(xiàn)，圓心角共
有π/2，π，2π三種閾值，選擇最接近初始扇形區(qū)域圓心角且比初始扇形區(qū)域圓心角大的一
級閾值作為更新后的扇形區(qū)域圓心角。如果更新后的扇形區(qū)域圓心角為2^1，則不再限定請 求區(qū)域范圍，全網(wǎng)洪泛路由查詢報文，否則將更新后的扇形區(qū)域信息附在路由查詢報文中 并廣播此報文，路由請求區(qū)域的動態(tài)調整如圖5所示。當設備為中間節(jié)點或目的節(jié)點時1)節(jié)點接收到路由查詢報文時，首先判斷此報文是否為重復接收報文，若節(jié)點已 接收過此報文則丟棄該重復報文，不做重復處理；2)如果節(jié)點首次接收到此路由查詢報文，則判斷本節(jié)點是否為目的節(jié)點，若為目 的節(jié)點則回復路由應答報文；3)如果節(jié)點不是目的節(jié)點，則檢查該路由查詢報文生存時間，若該報文生存時間 已耗盡則丟棄該報文，報文生存時間為無線個域網(wǎng)系統(tǒng)默認值；4)如果路由查詢報文生存時間未耗盡，則判斷該路由查詢報文的類型，若是全網(wǎng) 洪泛路由查詢報文，則將本節(jié)點信息附在該報文中，向鄰居節(jié)點廣播該路由查詢報文；5)如果路由查詢報文為范圍受限的洪泛報文，則根據(jù)報文中的信息判斷本節(jié)點 是否處在路由請求區(qū)域之內(nèi)，若不在該區(qū)域之內(nèi)則丟棄該報文不做處理；6)如果本節(jié)點處于路由請求區(qū)域之內(nèi)，則比較路由查詢報文中目的節(jié)點位置的 記錄時刻、和本節(jié)點中目的節(jié)點位置的記錄時刻、'，若t/ >、則重新計算目的節(jié)點的 期望域，并以本節(jié)點為頂點重新計算扇形請求區(qū)域的覆蓋范圍，更新路由查詢報文中的相 關信息，中間節(jié)點對于路由請求區(qū)域的更新方法如圖6所示。然后節(jié)點將本節(jié)點信息附在 路由查詢報文中，向鄰居節(jié)點廣播該路由查詢報文。為了說明本發(fā)明的有效性，我們用0PNET 10. 0仿真了該算法，仿真環(huán)境如下1.如圖7在50m*50m的空間內(nèi)，由若干普通節(jié)點構成，節(jié)點的通信半徑為10m，節(jié) 點位置隨機放置。2.節(jié)點采用隨機移動的方式，移動速度為5m/s。3.節(jié)點的MAC層使用ECMA-368MAC層協(xié)議的PCA機制。物理層使用ECMA-368PHY 層協(xié)議，數(shù)據(jù)報文的傳輸速率為480Mbps。4.節(jié)點的報文生成速率為lOpackets/s，數(shù)據(jù)報文的大小為512bytes，控制報文 的大小為8bytes。5.仿真期間認為信道是理想的，只考慮報文碰撞引起的丟包和節(jié)點移動造成的路 由失效丟包。控制報文開銷定義為所有控制報文字節(jié)數(shù)與所有成功接收的報文字節(jié)數(shù)的比 值，該值越小證明協(xié)議需要額外的開銷越小，協(xié)議的效率就越高。控制報文開銷的公式為 數(shù)據(jù)報文端到端平均時延的定義為該參數(shù)是在接收數(shù)據(jù)時由路由層統(tǒng)計的，其 統(tǒng)計的是一個數(shù)據(jù)包從源節(jié)點路由層成功到達目的節(jié)點路由層所平均經(jīng)過的時間。該參數(shù)能反映網(wǎng)絡是否通暢，時延越小證明網(wǎng)絡越通暢。在相同的場景中，分別仿真了節(jié)點數(shù)為10、15、20、25、30、35、40的情況下，LAR協(xié)
議和本發(fā)明路由協(xié)議的控制報文開銷和數(shù)據(jù)報文端到端平均時延。從控制開銷的仿真結果 圖8可以看出隨著節(jié)點數(shù)的增加，路由請求區(qū)域內(nèi)的節(jié)點密度增大，兩種協(xié)議的控制報文 開銷都逐漸增加，但在不同節(jié)點數(shù)量的情況下本發(fā)明路由協(xié)議的開銷始終低于LAR協(xié)議， 并且在節(jié)點密度較大時差距更為明顯，這是由于本發(fā)明的初始路由請求區(qū)域比LAR協(xié)議 小，當節(jié)點密度增大時第一次路由發(fā)現(xiàn)就可以成功查找到可用路由的概率增加，本發(fā)明路 由協(xié)議因此節(jié)省了更多的控制開銷。從時延的仿真結果圖9可以看出隨著節(jié)點數(shù)的增加， 兩種協(xié)議報文端到端平均時延逐漸增加。在不同節(jié)點數(shù)量的情況下，本發(fā)明路由協(xié)議的報 文時延均小于LAR協(xié)議，這是由于在節(jié)點數(shù)量增多時，不同節(jié)點接入信道時碰撞的概率增 大，數(shù)據(jù)報文在節(jié)點緩存隊列中排隊等待的時間增加，本發(fā)明路由協(xié)議相比LAR協(xié)議減少 了控制報文的數(shù)量，降低了控制報文和數(shù)據(jù)報文的碰撞概率，縮短了報文在節(jié)點緩存隊列 中的排隊等待時間。本方法采用基于超寬帶定位輔助的路由協(xié)議，路由請求區(qū)域的覆蓋范圍動態(tài)可 調，本方法減小了路由層控制報文的開銷，降低了數(shù)據(jù)報文端到端平均時延，在無線個域網(wǎng) 的應用中具有重要參考價值。
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權利要求
基于超寬帶定位輔助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法，其特征是節(jié)點首先利用超寬帶定位技術獲得網(wǎng)絡中各個節(jié)點的坐標，隨后各節(jié)點基于定位信息進行路由發(fā)現(xiàn)，路由請求區(qū)域采用扇形區(qū)域，所述扇形區(qū)域范圍可動態(tài)調節(jié)，包括以下步驟1)、首先在網(wǎng)絡的初始化階段，各節(jié)點利用超寬帶定位和測距技術計算本節(jié)點和鄰居節(jié)點的距離，在網(wǎng)絡中有固定位置的參考節(jié)點，參考節(jié)點預先已知自身坐標，在參考節(jié)點的幫助下利用三角定位法計算本節(jié)點坐標并記錄下當前時刻作為該位置的記錄時間，然后將本節(jié)點位置和該位置的記錄時間全網(wǎng)洪泛，使網(wǎng)絡中每個節(jié)點都擁有整個網(wǎng)絡的拓撲圖；2)、當源節(jié)點準備向目的節(jié)點發(fā)送信息，但沒有通往目的節(jié)點的路由時進行路由發(fā)現(xiàn)源節(jié)點首先根據(jù)目的節(jié)點的位置和網(wǎng)絡中節(jié)點的最大移動速度計算目的節(jié)點的期望域；源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域內(nèi)，洪泛查找可用路由；當源節(jié)點在期望域外，計算以源節(jié)點為頂點的扇形路由請求區(qū)域，所述扇形路由請求區(qū)域覆蓋目的節(jié)點的期望域；將源節(jié)點和目的節(jié)點的位置信息、目的節(jié)點位置的記錄時間、扇形區(qū)域圓心角和半徑附在路由查詢報文中，廣播此路由查詢報文；中間節(jié)點收到此查詢報文后首先判斷本節(jié)點是否處在扇形路由請求區(qū)域之中，如不在則丟棄此報文；如果中間節(jié)點對于目的節(jié)點位置的記錄時間比源節(jié)點對于目的節(jié)點的記錄時間更接近當前時刻，則中間節(jié)點以本節(jié)點為頂點重新計算扇形路由請求區(qū)域，以中間節(jié)點為新的源節(jié)點做新路由查詢報文進行廣播，并將查詢結果返回原源節(jié)點；3)、如果路由發(fā)現(xiàn)失敗，則源節(jié)點增大扇形請求區(qū)域的圓心角，擴大路由請求區(qū)域覆蓋范圍，再次進行路由發(fā)現(xiàn)；4)、如果路由發(fā)現(xiàn)多次失敗，且扇形區(qū)域圓心角已增至2π時，不再限定路由請求范圍，采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文的方式進行路由發(fā)現(xiàn)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于超寬帶定位輔助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法，其特 征是當設備為源節(jié)點時，節(jié)點的工作周期流程為1)、節(jié)點有信息發(fā)送給目的節(jié)點時，首先查找本地節(jié)點位置信息表中的目的節(jié)點地址， 若沒有則直接采用全網(wǎng)洪泛路由查詢報文的方式進行路由發(fā)現(xiàn)；2)、節(jié)點如果有目的節(jié)點位置信息，設目的節(jié)點在、時刻的位置為(Xd，Yd)，網(wǎng)絡 中節(jié)點最大移動速度為Vmax，則目的節(jié)點在、時刻的期望域就是以(Xd，Yd)為圓心，以 VfflaxX (trt0)為半徑的圓形區(qū)域，若源節(jié)點在目的節(jié)點的期望域中則洪泛路由查詢報文進 行路由發(fā)現(xiàn)；3)、如果源節(jié)點不在目的節(jié)點期望域中，設源節(jié)點位置為(Xs,Ys)，以(Xs, Ys)為端點 向期望域做兩條切線，則兩條切線間的扇形區(qū)域就是初始路由請求區(qū)域，扇形的半徑為紅—燈丨-ο圓心角為源節(jié)點將本節(jié)點位置、目的節(jié)點位置和本節(jié)點記錄目的節(jié)點位置的時刻、，扇形區(qū)域的圓心角和 半徑附在路由查詢報文中，廣播此報文并設置路由查詢定時器，限定等待路由查詢結果的 時間；4)、如果源節(jié)點在路由查詢定時器超時前接收到路由應答報文，則判定本次路由發(fā)現(xiàn) 成功，源節(jié)點根據(jù)應答報文的信息更新本地路由表，發(fā)送數(shù)據(jù)報文；如果源節(jié)點在路由查詢定時器超時后仍未接收到路由應答報文，則判定本次路由發(fā)現(xiàn)失敗，源節(jié)點增大路由請求 區(qū)域的范圍，再次進行路由發(fā)現(xiàn)，請求區(qū)域的增大通過增大扇形區(qū)域的圓心角實現(xiàn)，圓心角設有f π,2π三種閾值，選擇最接近初始扇形區(qū)域圓心角且比初始扇形區(qū)域圓心角大的 一級閾值作為更新后的扇形區(qū)域圓心角；如果更新后的扇形區(qū)域圓心角為2 π，則不再限 定請求區(qū)域范圍，全網(wǎng)洪泛路由查詢報文，否則將更新后的扇形區(qū)域信息附在路由查詢報 文中并廣播此報文，進行新一輪查詢。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于超寬帶定位輔助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法， 其特征是當設備為中間節(jié)點或目的節(jié)點時，也就是非源節(jié)點時，工作周期流程為1)、非源節(jié)點接收到路由查詢報文時，首先判斷此報文是否為重復接收報文，若節(jié)點已 接收過此報文則丟棄該重復報文，不做重復處理；2)、如果非源節(jié)點首次接收到此路由查詢報文，則判斷本節(jié)點是否為目的節(jié)點，若為目 的節(jié)點則回復路由應答報文；3)、如果非源節(jié)點不是目的節(jié)點，則檢查該路由查詢報文生存時間，若該報文生存時間 已耗盡則丟棄該報文；4)、如果路由查詢報文生存時間未耗盡，則判斷該路由查詢報文的類型，若是全網(wǎng)洪泛 路由查詢報文，則將本節(jié)點信息附在該報文中，向鄰居節(jié)點廣播該路由查詢報文；5)、如果路由查詢報文為范圍受限的洪泛報文，則根據(jù)報文中的信息判斷本節(jié)點是否 處在路由請求區(qū)域之內(nèi)，若不在該區(qū)域之內(nèi)則丟棄該報文不做處理；6)、如果本節(jié)點處于路由請求區(qū)域之內(nèi)，則比較路由查詢報文中目的節(jié)點位置的記錄 時刻、和本節(jié)點中目的節(jié)點位置的記錄時刻t' ^，若t' ^ >、，即如果本節(jié)點對于目的節(jié) 點位置的記錄時間比源節(jié)點對于目的節(jié)點的記錄時間更接近當前時刻，則重新計算目的節(jié) 點的期望域，并以本節(jié)點為頂點重新計算扇形請求區(qū)域的覆蓋范圍，更新路由查詢報文中 的相關信息，然后節(jié)點將本節(jié)點信息附在路由查詢報文中，向鄰居節(jié)點廣播該路由查詢報 文。
全文摘要
基于超寬帶定位輔助的無線個域網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)方法，節(jié)點首先利用超寬帶的定位技術獲得網(wǎng)絡中各個節(jié)點的坐標，隨后節(jié)點基于定位信息進行范圍受限的洪泛路由發(fā)現(xiàn)，收到路由查詢報文的中間節(jié)點可以根據(jù)本節(jié)點記錄位置信息更新路由請求區(qū)域，在路由請求區(qū)域的選擇上采用范圍可動態(tài)調節(jié)的扇形區(qū)域，仿真及分析結果表明，與LAR協(xié)議相比，本發(fā)明在消耗少量節(jié)點能量進行節(jié)點定位和路由請求區(qū)域的計算更新之后減小了路由控制報文的開銷，縮短了數(shù)據(jù)報文端到端平均時延，改進效果明顯。
文檔編號H04W40/24GK101888682SQ20101015205
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月21日 優(yōu)先權日2010年4月21日
發(fā)明者冷汶鍇, 周倩, 徐平平, 王巖, 馬遠 申請人:東南大學