專利名稱：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于信息熵的分布式Qos多播路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種移動網(wǎng)絡(luò)通信中的多媒體應(yīng)用方法，特別是一種基于移動網(wǎng)絡(luò)的最穩(wěn)定性、長壽命性路徑的Ad Hoc(自主、自組)網(wǎng)絡(luò)中基于信息熵的分布式QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)多播路由方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著Internet、移動網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展和移動計算的大量涌現(xiàn)，推動了移動計算機無線接入的研究，特別是無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)在支持移動性方面的研究，已成為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的一類重要課題。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種自治的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，也沒有固定的路由器，所有節(jié)點都是移動的，并且都可以以任意拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)地保持與其他節(jié)點的聯(lián)系，節(jié)點還能發(fā)現(xiàn)、保持到網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的路由。使得無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、自然災(zāi)害、科學(xué)考察、探險、交互式演講、共享信息的商業(yè)會議、緊急通信等等領(lǐng)域。
在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，隨著節(jié)點移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在不斷變化。如何迅速準(zhǔn)確地選擇到達目的節(jié)點的路由，是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一個重要和核心的問題。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點的移動以及無線信道的衰耗、干擾等原因造成了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的頻繁變化，同時考慮到單向信道問題以及無線傳輸信道較窄等原因，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，其路由問題比固定網(wǎng)絡(luò)要復(fù)雜得多。
目前的路由選擇主要有兩種方法集中式和分布式，集中式集中式路由選擇方法假定存在一個全局網(wǎng)絡(luò)管理器來維護所有已建立信道和網(wǎng)絡(luò)拓撲的信息，因此能夠?qū)γ總€實時信道請求一條合適的路由。雖然這種方法可以比分布式方法更能有效地選擇符合要求的路由，但是由于很難得到完整的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息以及集中控制的本質(zhì)，導(dǎo)致在性能和可行性方面比較差；分布式相對于集中式方法來說，分布式路由方法具有更好的性能、可擴展性和可靠性。由于在源和目的之間可能存在的路由數(shù)目很多，對于實時信道來說，選擇一條合格的路由并不容易。任何路由方法的目標(biāo)都是利用最小的開銷找到合格的路徑。
自20世紀(jì)70年代美軍DARPA資助研究的分組無線網(wǎng)絡(luò)項目展開以來，國內(nèi)外許多學(xué)者從不同的角度提出了一系列的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由方法研究方面，鑒于路由協(xié)議的重要性，IETF的MANET(Mobile Ad Hoc Networks)工作組目前專注于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究。這些協(xié)議能夠較好地滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的典型環(huán)境，包括能量消損、低帶寬、高誤碼率等。根據(jù)發(fā)現(xiàn)路由的驅(qū)動模式的不同，可以將這些路由協(xié)議分為表驅(qū)動路由協(xié)議(FSR、WRP、DSDV、OLSR、TBRPF、STARA等)和按需路由協(xié)議(AODV、DSR、TORA、ABR、SSR等)；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的差異，又可以將它們分為平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議(CBRP、HSRCGSR、ZRP、ZHLS、LANMAR、CEDAR等)；根據(jù)是否使用GPS系統(tǒng)作為路由輔助條件的角度出發(fā)，可分為地理定位輔助路由(LAR、RDMAR、GeoCast、DREAM、GPSR等)和無地理定位輔助路由。這些協(xié)議不管什么時候檢測到鏈路狀態(tài)發(fā)生了變化，路由信息將觸發(fā)其他的移動主機重新計算自己的路由表并且把相關(guān)的路由信息進一步傳播出去，顯然，每一次要傳播的路由信息都正比于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，這些協(xié)議基本上不具有QoS保障。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)依賴與廣播和移動的特性使得在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中提供QoS變得非常困難。首先，無線鏈路和有線鏈路不一樣，它的帶寬受到它緊鄰鏈路的傳輸活動的影響；其次，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中只需要保證一跳的服務(wù)質(zhì)量就可以了，而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)必須保證一條路徑上所有跳數(shù)的服務(wù)質(zhì)量；再次，移動主機可以隨機隨地加入、離開或者重新加入網(wǎng)絡(luò)，隨著主機的移動已存在的鏈路可能斷開或者又形成了新的鏈路。
網(wǎng)絡(luò)所能提供的QoS能力將直接影響到它所支持和滿足的業(yè)務(wù)。隨著各類多媒體業(yè)務(wù)和實時業(yè)務(wù)的普及和推廣，要求網(wǎng)絡(luò)在帶寬、時延、移動速度等方面提供保證，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS問題已成為當(dāng)前研究的一個新熱點。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)的QoS保障機制主要包括這幾個問題QoS模型、QoS資源預(yù)留信令、QoS路由、MAC層的QoS支持。QoS路由技術(shù)主要由兩個部分組成一是為到達業(yè)務(wù)選擇路徑并發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程，即尋路過程，另一是節(jié)點間路由信息的交互過程。在尋路過程中涉及兩個方面的問題一是依據(jù)哪些約束參數(shù)作為尋路標(biāo)準(zhǔn)，另一是在尋路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定后，如何找到滿足業(yè)務(wù)需求的路徑，并保證數(shù)據(jù)經(jīng)由選定路徑傳輸?shù)侥康墓?jié)點。在目前的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究中，大多數(shù)路由協(xié)議重點放在如何在動態(tài)環(huán)境中提供最短路徑路由、高可用度路由以及最穩(wěn)定路由等。
多播(Multicast)業(yè)務(wù)是支持多方通信的高效業(yè)務(wù)模式，其基本特點是發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)不是通過向逐個接收節(jié)點發(fā)送來傳送到多方，而是發(fā)送節(jié)點只向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的一份實例，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點復(fù)制并發(fā)送到多個接收節(jié)點。多播在傳輸多方通信的數(shù)據(jù)時，不僅減輕了發(fā)送源系統(tǒng)的處理負荷，也降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用，尤其是在通信帶寬極其受限的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，采用多播機制對實現(xiàn)多方通信是非常有必要的。實現(xiàn)多播業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)和機制是多播路由機制、多播傳輸機制、多播安全機制等，這些方面的問題是當(dāng)前移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多播研究中最迫切、最重要的問題。但是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)本身的網(wǎng)絡(luò)特征決定了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多播路由協(xié)議必須具有更好的可靠性和數(shù)據(jù)傳送性能。
目前多播路由協(xié)議主要有下面這些難點1)最小化網(wǎng)絡(luò)負載；2)為可靠傳輸提供基本支持；3)提供多播路由時考慮不同的代價參數(shù)；4)路由器中保存的狀態(tài)數(shù)量盡可能少；5)盡可能降低路由器的處理負擔(dān)；6)盡可能地提供穩(wěn)定或長壽命的路徑(多播樹)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有QoS路由方法的性能度量標(biāo)準(zhǔn)、多播路由方法以及分布式路由選擇方法相結(jié)合的基礎(chǔ)上，并對現(xiàn)有的方法進行完善而提供的一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法，建立一棵具有較好穩(wěn)定性、長壽命性的多播樹，以克服上述的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體步驟如下第一步驟確定Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS約束多播路由方法的網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)由交換節(jié)點和鏈路以及主機組成，本發(fā)明將其抽象為有權(quán)圖G(V，E)，其中V稱為圖G的頂點集或節(jié)點集。在G中，元素e∈E具有一組有序數(shù)列(w1，w2，...，wk)作為e的屬性，或稱為弧e的權(quán)。這些屬性可以是可用帶寬、節(jié)點的移動速度、鏈路傳輸延遲、分組丟失率、抖動、網(wǎng)絡(luò)代價等不同的網(wǎng)絡(luò)特征值度量。
由于網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)和分布等特性，為了支持更大范圍的QoS需求，路由方法需要一個更復(fù)雜的模型，該模型將采用多個特征值(如移動信息熵、帶寬、延遲、包丟失率等)來描述。
第二步驟確定Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息是指與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)的各種信息，是分布式路由方法的基礎(chǔ)。因此在搜索可行路徑時，分布式路由方法所依賴的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的新舊程度和詳細程度密切相關(guān)。
第三步驟確定Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的信息熵度量方法移動節(jié)點的信息熵是網(wǎng)絡(luò)路徑穩(wěn)定性、長壽命性的重要度量參數(shù)，減少路徑的重構(gòu)或路徑的修復(fù)次數(shù)，提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和提供QoS保證；在本發(fā)明中，其主要內(nèi)容包括兩個方面(1)測量、收集并維護網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；(2)根據(jù)維護的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息計算移動節(jié)點的信息熵；(3)根據(jù)信息熵確定穩(wěn)定性、長壽命性的并提供QoS保證的可行路徑(多播樹)。每個節(jié)點收集和維護，大大減少控制信息的開銷。
第四步驟確定回路檢測方法在本發(fā)明中，由于各個節(jié)點依靠本地維護的全局信息獨立計算可行路徑，因此由于信息不一致可能造成回路，該方法采用較好的回路檢測方法檢測回路的產(chǎn)生，從而所有被搜索的可行路徑是無環(huán)的。
第五步驟降低計算復(fù)雜性在本發(fā)明中，每個節(jié)點并不知道完整的可行路徑，只知道可行路徑中的下一跳節(jié)點，分布式路由將計算分散在各個中間節(jié)點，對路由要求的計算量小，響應(yīng)快，減少了計算復(fù)雜程度；由于節(jié)點不需要保存全局信息，只要求節(jié)點具有本地狀態(tài)，因而具有較好的可擴展性，該方法還可有效地減少生成多播樹的開銷，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。
本發(fā)明由于其信息熵的空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度以及分布式地進行路由選擇等特征，使其具有可擴展性、穩(wěn)定性、長壽命性，可以應(yīng)用于較大規(guī)模的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。有助于提高無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本。將有利于我國無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，對我國軍事領(lǐng)域、自然災(zāi)害應(yīng)急處理、科學(xué)考察、探險、交互式演講、共享信息的商業(yè)會議等等領(lǐng)域?qū)⑷〉弥匾淖饔谩?br> 具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的描述，但該實施例不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明的具體步驟如下第一步驟確定移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS約束多播路由方法的網(wǎng)絡(luò)模型在G(N，E)中，考慮一個源節(jié)點到多個目的節(jié)點的QoS約束多播路由問題，即給定一個非空集M＝{s，u1，u2，...，um}，其中，MN，s是源節(jié)點，U＝{u1，u2，...，um}為目的節(jié)點集。多播樹T＝(NT，ET)，其中NTN，ETE，若用C(T)表示T的開銷，PT(s，u)表示T中從源節(jié)點s到目的節(jié)點u∈U的路徑，用DT(s，u)和BT(s，u)分別表示PT(s，u)的延時和可用帶寬。
假定多播樹最小帶寬約束為B，最大時延約束為D，節(jié)點的移動最大速度為V，節(jié)點的最小電源剩余量為W，給定一個多播請求R，則Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS約束多播路由問題就是尋找一棵多播樹T滿足(1)帶寬約束BT(s，u)≥B，u∈U.
(2)時延約束DT(s，u)≤D，u∈U.
(3)節(jié)點的移動速度約束Vi≤V，i∈N.
(4)節(jié)點的電源剩余量約束Wi≥W，i∈N.
假定S(R)為滿足上述條件的多播樹的集合，則我們要尋找的多播樹T為C(T)＝min(C(Ts)，Ts∈S(R)).
在G(N，E)中，對于(i，j)∈E，P(i，j)為從節(jié)點i到節(jié)點j的鏈路，若P(i，j)滿足P(i，j)＝(B(i，j)≥B)∧(D(i，j)≤D)∧(Vi≤V)∧(Wi≥W)則稱此P(i，j)為可行路徑。
第二步驟確定移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動速度的信息熵的度量方法在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，多播路徑的穩(wěn)定或者長壽命，將大大地減少路徑的重構(gòu)或路徑的修復(fù)次數(shù)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動信息主要有各個移動節(jié)點的位置、各個移動節(jié)點的速度和各個移動節(jié)點的發(fā)射距離。為此需要構(gòu)造移動節(jié)點的信息熵函數(shù)，以此熵的意義和信息熵函數(shù)來表征路徑的穩(wěn)定性或者路徑的長壽命性。
v(m，n，t＝v(m，t)-v(n，t)p(m，n，t)＝p(m，t)-p(n，t)am,n=1NΣi=1N|p(m,n,ti)+v(m,n,ti)×Δti|-|p(m,n,ti+1)|R]]>Hm(t,Δt)=-Σk∈FmPk(t,Δt)logPk(t,Δt)logC(Fm),]]>Pk(t,Δt)=(am,k/Σt∈Fmam,i).]]>第三步驟確定移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的度量參數(shù)衡量QoS的指標(biāo)很多，包括帶寬、時延、時延抖動、分組丟失率、節(jié)點的移動速度、范圍及能量等等。尋找一條滿足多個約束條件的QoS路徑通常是NP完全問題，所以實現(xiàn)多維QoS指標(biāo)的方法一般是不可取的。為了滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS需求，本方法采用帶寬、時延、節(jié)點的移動速度及信息熵作為度量參數(shù)。而應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇某兩個或三個合適的指標(biāo)，而且這幾個指標(biāo)要能反映無線信道的質(zhì)量和鏈路狀態(tài)的變化，并且獲取這幾個指標(biāo)的代價相對較低。QoS多播路由方法的度量參數(shù)的研究是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS多播路由方法的關(guān)鍵，度量參數(shù)的確定能提高網(wǎng)絡(luò)的性能及減少控制信息帶來的附加開銷。
第四步驟確定移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的回路檢測方法由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的路徑搜尋需要發(fā)送探測幀，而探測幀容易產(chǎn)生回路，所以回路檢測方法是非常重要的，本發(fā)明采用在探測幀中增加選項的方法解決探測幀的回路產(chǎn)生。
第五步驟分析移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的計算復(fù)雜性任何算法重要的理論研究是計算的復(fù)雜性分析，本方法最壞情況下的時間復(fù)雜度是O(2|V|)，最壞情況下的消息復(fù)雜度是O(|E|+|V|)，其中|V|是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)，|E|是其鏈路數(shù)。主要對本發(fā)明的復(fù)雜性進行理論分析研究，從中研究出復(fù)雜程度最低的算法。
第六步驟移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的仿真實驗由于實際的原因不可能建立一個實驗移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，所以國內(nèi)外的一些學(xué)者及著名研究機構(gòu)都采用計算機仿真方法來進行仿真實驗。本發(fā)明采用IETF推薦采用的NS2作為多播路由協(xié)議仿真的公共平臺，對設(shè)計的無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS多播路由協(xié)議或算法進行仿真實驗和性能評價。
第七步驟移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的實現(xiàn)編碼
編碼是實現(xiàn)方法的重要保證，本發(fā)明采用TK/TCL和C相結(jié)合，編寫實現(xiàn)方法的編碼。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)的分布式QoS多播路由方法，該方法的具體步驟如下第一步驟確定Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS約束多播路由方法的網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)由交換節(jié)點和鏈路以及主機組成，該方法將其抽象為有權(quán)圖G(V，E)，其中V稱為圖G的頂點集或節(jié)點集，在G中，元素e∈E具有一組有序數(shù)列(W1，W2，...，wk)作為e的屬性，或稱為弧e的權(quán)，這些屬性是用帶寬、信息熵、鏈路傳輸延遲、分組丟失率、抖動、網(wǎng)絡(luò)代價不同的網(wǎng)絡(luò)特征值度量；第二步驟確定Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息是指與網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)有關(guān)的各種信息，是分布式路由方法的基礎(chǔ)；第三步驟確定網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的信息熵度量參數(shù)移動節(jié)點的信息熵是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路徑穩(wěn)定性、長壽命性的重要度量參數(shù)，減少路徑的重構(gòu)或路徑的修復(fù)次數(shù)，提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和提供QoS的保證；第四步驟確定回路檢測方法在該方法中，由于各個節(jié)點依靠本地維護的全局信息獨立計算可行路徑，因此由于信息不一致可能造成回路，該方法所有被搜索的可行路徑是無環(huán)的；第五步驟降低Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的空間計算復(fù)雜性和時間計算復(fù)雜性在該方法中，由于每個節(jié)點都是移動的，每個節(jié)點并不知道完整的可行路徑，只知道可行路徑中的下一跳節(jié)點，分布式路由將計算分散在各個中間節(jié)點，對路由要求的計算量小，響應(yīng)快，減少了計算復(fù)雜程度。
2.如權(quán)利要求1所述的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法，其特征在于在該方法的第二、三步驟中，其主要內(nèi)容包括測量、收集并維護網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；根據(jù)維護的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息計算移動節(jié)點的信息熵；根據(jù)信息熵確定穩(wěn)定性、長壽命性的并提供QoS保證的可行路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法，該方法的具體步驟如下第一步驟確定QoS約束多播路由方法的網(wǎng)絡(luò)模型；第二步驟確定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；第三步驟確定信息熵的度量；第四步驟確定回路檢測方法；第五步驟空間復(fù)雜性和時間復(fù)雜性分析。本發(fā)明是基于信息熵的空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度以及分布式地進行路由選擇等特征，使其路徑具有較好的可擴展性、穩(wěn)定性、長壽命性的多播樹，可以應(yīng)用于較大規(guī)模的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。有助于提高無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本，對我國軍事領(lǐng)域、自然災(zāi)害應(yīng)急處理、科學(xué)考察、探險、交互式演講、共享信息的商業(yè)會議等領(lǐng)域?qū)⑵鹬匾淖饔谩?br> 文檔編號H04L12/56GK1731763SQ20051001933
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月22日
發(fā)明者李臘元, 孫寶林, 李春林 申請人:武漢理工大學(xué)