專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多接口多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是涉及支持協(xié)作通信技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具體為ー種多接ロ多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法。
背景技術(shù)：
MIMO (Multiple Input Multiple Output)技術(shù)利用多天線來(lái)抑制信道衰落,是下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的主流性能優(yōu)化技木。但是，MMO技術(shù)需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上安裝多根天線，帶來(lái)了高復(fù)雜、高成本和高能耗等問(wèn)題。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如多跳無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)，多跳無(wú)線ad hoc網(wǎng)絡(luò)，多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))節(jié)點(diǎn)的設(shè)備體積和硬件成本的限制，MIMO技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。與MIMO技術(shù)相比，物理層的協(xié)作通信技術(shù)(Cooperative Communication)是適合于單天線用戶(hù)的空間分集技木。它利用無(wú)線信道的廣播特性，允許單天線終端設(shè)備在多用戶(hù)環(huán)境中共享它們的物理資源來(lái)進(jìn)行通信，形成虛擬天線陣列。參與協(xié)作通信的設(shè)備可相互轉(zhuǎn)發(fā)信息，同一信息的多個(gè)復(fù)本能夠通過(guò)相互獨(dú)立的無(wú)線信道到達(dá)接收端，從而獲得空間分集増益一協(xié)作分集増益。如圖1是ー個(gè)簡(jiǎn)單的3節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信模型。信源S和協(xié)作節(jié)點(diǎn)R形成相互獨(dú)立的通信信道。發(fā)送端發(fā)送的多個(gè)信號(hào)復(fù)本通過(guò)相互獨(dú)立的信道到達(dá)接收端，便可產(chǎn)生分集增益。按照協(xié)作節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的不同處理方式，目前主要存在2種協(xié)作分集方案:放大-轉(zhuǎn)發(fā)(AF, amplify and forward)、解碼-轉(zhuǎn)發(fā)(D F，decode and forward)。作為一種可以克服信道衰落、提高傳輸容量和可靠性、擴(kuò)展覆蓋范圍以及降低能量消耗的有效方法，協(xié)作通信在單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得以證實(shí)，然而將協(xié)作通信應(yīng)用于多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，仍然是極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。將物理層協(xié)作通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層路由選擇結(jié)合設(shè)計(jì)跨層路由方案一協(xié)作路由，成為協(xié)作通信應(yīng)用于多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的解決方案。該方案充分利用無(wú)線信道的廣播特性，將多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成協(xié)作通信模塊來(lái)選擇最優(yōu)路徑，使得同一信息能夠通過(guò)不同獨(dú)立無(wú)線信道到達(dá)路由的下一跳。這樣，即使在信道條件比較惡劣的情況下，仍然能夠保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，保持良好的網(wǎng)絡(luò)性能。如圖2所示為ー種典型的協(xié)作路由方案，數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)S經(jīng)過(guò)多跳傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)D。其中協(xié)作傳輸(CT)和直接傳輸(DT)構(gòu)成了路由的基本単元，如節(jié)點(diǎn)3，4，5構(gòu)成ー個(gè)協(xié)作通信模塊(節(jié)點(diǎn)3可以通過(guò)3->5和3->4->5兩路傳輸數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)5)，節(jié)點(diǎn)6，7，8，9也構(gòu)成ー個(gè)協(xié)作通信模塊。協(xié)作路由作為探索協(xié)作通信技術(shù)在多跳網(wǎng)絡(luò)中的嘗試，已越來(lái)越引起研究人員的重視。按照其實(shí)現(xiàn)目的的不同，現(xiàn)有的協(xié)作路由主要可以分為能量?jī)?yōu)化的協(xié)作路由、傳輸中斷優(yōu)化的協(xié)作路由、傳輸時(shí)延優(yōu)化的協(xié)作路由和傳輸速率優(yōu)化的協(xié)作路由等。多接ロ無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以為每ー個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)配備多接ロ?，F(xiàn)有的研究表明，相比于單接ロ網(wǎng)絡(luò)，多接ロ網(wǎng)絡(luò)可以提高傳輸性能和可靠性。然而，現(xiàn)有的協(xié)作路由方法主要集中在單接ロ多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，研究多接ロ多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)作路由方法，極具挑戰(zhàn)性。
多接ロ無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以為協(xié)作通信和協(xié)作路由提供更多的資源，使得節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中能夠有更大的空間來(lái)選擇下ー跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。在多接ロ協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的多個(gè)接ロ既可以服務(wù)某些數(shù)據(jù)流進(jìn)行直接傳輸，又可以用作協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)為另外一些數(shù)據(jù)流進(jìn)行協(xié)作通信服務(wù)。如何在多個(gè)數(shù)據(jù)流存在的情況下，合理的將節(jié)點(diǎn)中的接ロ在多個(gè)數(shù)據(jù)流中進(jìn)行接ロ分配，聯(lián)合中繼選擇來(lái)設(shè)計(jì)多接ロ網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法，成為極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，亦成為多跳多接ロ網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種多接ロ多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法，分布式地為網(wǎng)絡(luò)中的多條數(shù)據(jù)流選擇最優(yōu)的協(xié)作路由，同時(shí)確定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)接ロ在多條數(shù)據(jù)流中的合理分配，從而最大化最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的端到端
吞吐量。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種多接ロ多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法，該方法為:I)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) i與其每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)j之間進(jìn)行直接傳輸?shù)逆溌啡萘浚?jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i和其鄰居節(jié)點(diǎn)j通過(guò)節(jié)點(diǎn)k采用協(xié)作傳輸?shù)逆溌啡萘?，其中，j G N(i),N(i)為節(jié)點(diǎn)i的所有鄰居節(jié)點(diǎn)集合，k G N(i)且kデj ;2)取步驟I)所計(jì)算的所有容量值的最大值為鏈路(i，j)的鏈路容量，如果鏈路(i，j)的容量是通過(guò)節(jié)點(diǎn)k采用協(xié)作傳輸達(dá)到的，則節(jié)點(diǎn)i，j，k構(gòu)成協(xié)作傳輸模塊，鏈路(i，j)采用協(xié)作傳輸方式，否則鏈路(i，j)就采用直接傳輸方式；3)給定數(shù)據(jù)流的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，將步驟2)中計(jì)算的(i，j)的鏈路容量應(yīng)用到分布式Bellman-Ford最短路徑算法中，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都迭代執(zhí)行$ =ま、(iI;:ち)來(lái)獲得節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的端到端容量，其中P〗代表從節(jié)點(diǎn)j到目的節(jié)點(diǎn)的端到端容量，Py是步驟2)所計(jì)算的鏈路(i，j)的鏈路容量，在經(jīng)過(guò)多輪迭代后，數(shù)據(jù)流的源節(jié)點(diǎn)就獲得了最大的端到端的路徑和容量，選擇這個(gè)路徑為初始的協(xié)作路由路徑；4)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i統(tǒng)計(jì)參與數(shù)據(jù)流協(xié)作路由的次數(shù)，記為L(zhǎng)(i)，比較L(i)和R(i)的大小，其中R(i)是節(jié)點(diǎn)i配置的網(wǎng)絡(luò)接ロ的數(shù)目，如果L(i)〈R(i)，則節(jié)點(diǎn)i為每條經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)流分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接ロ ；否則進(jìn)入步驟5)；5)對(duì)于任意通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)流P，根據(jù)步驟3)所選擇的初始協(xié)作路由路徑，確定節(jié)點(diǎn)i的上一跳節(jié)點(diǎn)jp和下一跳節(jié)點(diǎn)kp,記數(shù)據(jù)流的當(dāng)前路徑為Optp (jp, kp),在節(jié)點(diǎn)jp和節(jié)點(diǎn)kp之間選擇一條不通過(guò)節(jié)點(diǎn)i的備用路徑段Canp (jp, kp)，而且該備用路徑段中的節(jié)點(diǎn)不包含參與數(shù)據(jù)流協(xié)作路由的次數(shù)大于所配置的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)的節(jié)點(diǎn)，其中P G Flow(i),Flow(i)表示通過(guò)節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)流集合，；6)統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的所有數(shù)據(jù)流Flow(i)中備用路徑段容量大于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，記為nl，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的所有Flow(i)中備用路徑段容量等于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，記為n2，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的所有Flow (i)中備用路徑段容量小于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，記為n3 ；7)如果0彡n2+n3彡R(i)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i在所有的Flow⑴集合中選擇L (i)-R(i)條備用路徑段容量大于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流進(jìn)行切換，將該數(shù)據(jù)流從當(dāng)前路徑段Optp(jp, kp)切換到對(duì)應(yīng)的備用路徑段Canp(jp，kp)，否則n2+n3>R(i)，進(jìn)入步驟8)；8)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i首先將所有的備用路徑段Canp(jp，kp)容量大于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流切換到對(duì)應(yīng)的備用路徑段，然后對(duì)剰余的n2+n3條數(shù)據(jù)流按相應(yīng)的備用路徑段容量進(jìn)行升序排列，然后將排序在前的n2+n3-R (i)條數(shù)據(jù)流從當(dāng)前路徑段Optp(jp，kp)切換到對(duì)應(yīng)的備用路徑段Canp (jp, kp)。與現(xiàn)有 技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明的方法可以分布式地為網(wǎng)絡(luò)中的多條數(shù)據(jù)流選擇最優(yōu)的協(xié)作路由，同時(shí)確定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)接ロ在多條數(shù)據(jù)流中的合理分配，從而最大化最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的端到端呑吐量。


圖1為協(xié)作通信模型示意圖；圖2為協(xié)作路由原理示意圖；圖3為發(fā)明方法中步驟3)通過(guò)迭代方法獲得初始協(xié)作路由路徑；圖3(a)獲得鏈路容量后的網(wǎng)絡(luò)圖；圖3 (b)第一輪迭代；圖3 (c)第二輪迭代；圖3⑷第三輪迭代；圖3 (e)第四輪迭代；圖3(f)第五輪迭代；圖3(g)第六輪迭代；圖3(h)第七輪迭代；圖4為數(shù)據(jù)流路徑段調(diào)整示例I ;圖4(a)協(xié)作路由調(diào)整前；圖4(b)各路由的備用路徑段；圖4(c)協(xié)作路由調(diào)整后；圖5為數(shù)據(jù)流路徑段調(diào)整示例2 ;圖5(a)協(xié)作路由調(diào)整前；圖5(b)各路由的備用路徑段；圖5(c)協(xié)作路由調(diào)整后；圖6為相同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓煌瑢?shí)驗(yàn)配置下的路由結(jié)果示意圖；圖6(a)為CFRRA-MR-CC路由結(jié)果示意圖；圖6 (b)為DFRRA-MR-CC路由結(jié)果示意圖；圖6 (c)為CRS-TDMA-MR-CC路由結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法包括以下步驟:步驟1:每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i計(jì)算它與每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)j之間進(jìn)行直接傳輸?shù)逆溌啡萘?，這里j G N(i), N(i)為節(jié)點(diǎn)i的所有鄰居節(jié)點(diǎn)集合，另外每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i還需計(jì)算它和鄰居節(jié)點(diǎn)j通過(guò)節(jié)點(diǎn)k采用協(xié)作傳輸?shù)逆溌啡萘浚@里k E N(i)并且kデj ;步驟2:鏈路(i，j)之間的鏈路容量取值為步驟I所計(jì)算的所有容量值的最大值，如果鏈路(i，j)的容量是通過(guò)另外節(jié)點(diǎn)k幫助下采用協(xié)作傳輸達(dá)到的，則節(jié)點(diǎn)i，j，k構(gòu)成協(xié)作傳輸模塊，鏈路(i，j)采用協(xié)作傳輸方式，否則鏈路(i，j)就采用直接傳輸方式；步驟3:給定數(shù)據(jù)流的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，將步驟2中計(jì)算的鏈路容量應(yīng)用到分布式Bellman-Ford最短路徑算法中，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的端到端容量取決于該數(shù)據(jù)流中多跳鏈路的最小鏈路容量，因此，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都迭代執(zhí)行
權(quán)利要求
1.一種多接ロ多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法，其特征在于，該方法 為: 1)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i與其每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)j之間進(jìn)行直接傳輸?shù)逆溌啡萘?，?jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i和其鄰居節(jié)點(diǎn)j通過(guò)節(jié)點(diǎn)k采用協(xié)作傳輸?shù)逆溌啡萘浚渲?，j G N(i),N(i)為節(jié)點(diǎn)i的所有鄰居節(jié)點(diǎn)集合，k G N(i)且kデj ; 2)取步驟 1)所計(jì)算的所有容量值的最大值為鏈路(i，j)的鏈路容量，如果鏈路(i，j)的容量是通過(guò)節(jié)點(diǎn)k采用協(xié)作傳輸達(dá)到的，則節(jié)點(diǎn)i，j，k構(gòu)成協(xié)作傳輸模塊，鏈路(i，j)采用協(xié)作傳輸方式，否則鏈路(i，j)就采用直接傳輸方式； 3)給定數(shù)據(jù)流的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，將步驟2)中計(jì)算的鏈路(i，j)的鏈路容量應(yīng)用到分布式Bellman-Ford最短路徑算法中，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都迭代執(zhí)行；=巧)來(lái)獲得節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的端到端容量，其中P〗代表從節(jié)點(diǎn)j到目的節(jié)點(diǎn)的端到端容量，Py是步驟2)所計(jì)算的鏈路(i，j)的鏈路容量，在經(jīng)過(guò)多輪迭代后，數(shù)據(jù)流的源節(jié)點(diǎn)就獲得了最大的端到端的路徑和容量，選擇這個(gè)路徑為初始的協(xié)作路由路徑； 4)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i統(tǒng)計(jì)參與數(shù)據(jù)流協(xié)作路由的次數(shù)，記為L(zhǎng)(i)，比較L(i)和R(i)的大小，其中R(i)是節(jié)點(diǎn)i配置的網(wǎng)絡(luò)接ロ的數(shù)目，如果L(i)〈R(i)，則節(jié)點(diǎn)i為每條經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)流分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接ロ ；否則進(jìn)入步驟5)； 5)對(duì)于任意通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)流P，根據(jù)步驟3)所選擇的初始協(xié)作路由路徑，確定節(jié)點(diǎn)i的上一跳節(jié)點(diǎn)jp和下一跳節(jié)點(diǎn)kp,記數(shù)據(jù)流的當(dāng)前路徑為Optp (jp, kp),在節(jié)點(diǎn)jp和節(jié)點(diǎn)kp之間選擇一條不通過(guò)節(jié)點(diǎn)i的備用路徑段Canp (jp, kp)，而且該備用路徑段中的節(jié)點(diǎn)不包含參與數(shù)據(jù)流協(xié)作路由的次數(shù)大于所配置的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)的節(jié)點(diǎn)，其中P G Flow(i),Flow(i)表示通過(guò)節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)流集合； 6)統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的所有數(shù)據(jù)流Flow(i)中備用路徑段容量大于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，記為nl，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的所有Flow(i)中備用路徑段容量等于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，記為n2，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的所有Flow⑴中備用路徑段容量小于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，記為n3 ； 7)如果0≤n2+n3 ≤R(i)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i在所有的Flow⑴集合中選擇(L⑴-R⑴)條備用路徑段容量大于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流進(jìn)行切換，將該數(shù)據(jù)流從當(dāng)前路徑段Optp(jp，kp)切換到對(duì)應(yīng)的備用路徑段Canp (jp，kp)，否則(n2+n3)>R(i)，進(jìn)入步驟8)； 8)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i首先將所有的備用路徑段Canp(jp，kp)容量大于該數(shù)據(jù)流端到端容量的數(shù)據(jù)流切換到對(duì)應(yīng)的備用路徑段，然后對(duì)剰余的(n2+n3)條數(shù)據(jù)流按相應(yīng)的備用路徑段容量進(jìn)行升序排列，然后將排序在前的(n2+n3-R(i))條數(shù)據(jù)流從當(dāng)前路徑段Optp(jp，kp)切換到對(duì)應(yīng)的備用路徑段Canp (jp, kp)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多接口多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下分布式協(xié)作路由方法，包括多接口多跳協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該無(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間可以采用協(xié)作傳輸和直接傳輸兩種傳輸方式，本發(fā)明在多接口多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)一種分布式的協(xié)作路由方法，該方法能為每個(gè)數(shù)據(jù)流找到一條協(xié)作路由路徑，而且可以使得網(wǎng)絡(luò)接口在多個(gè)數(shù)據(jù)流中進(jìn)行合理的分配，從而最大化最小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的吞吐量。
文檔編號(hào)H04W40/04GK103096413SQ201310055368
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21日
發(fā)明者謝鯤, 王玲, 文吉?jiǎng)?申請(qǐng)人:湖南大學(xué)