專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法。
背景技術(shù)：
在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，尤其是在無(wú)線(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)有限的能量?jī)?chǔ)備，其壽命往往會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間通信所需較高的發(fā)送功率而迅速降低。而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的壽命優(yōu)勢(shì)是影響組播生存時(shí)間的重要因素。無(wú)線(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的組播是一種有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，相同的數(shù)據(jù)在源節(jié)點(diǎn)到多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的組播樹(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸。其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的有效性和組播網(wǎng)絡(luò)的連通性往往在很大程度上受制于組播樹(shù)的生存時(shí)間。所以，如何最大化組播樹(shù)生存時(shí)間是ad hoc無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的主要研究?jī)?nèi)容。此外，網(wǎng)絡(luò)流量本身的特性以及流量疏導(dǎo)等也會(huì)影響到組播的性能表現(xiàn)。所以，需要一個(gè)最優(yōu)的組播網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)獲得組播樹(shù)，而如何有效地提高組播樹(shù)的生存時(shí)間更加具有重要的意義。當(dāng)前，很多研究人員提出了基于定向天線(xiàn)模型的啟發(fā)式組播路由算法來(lái)解決延長(zhǎng)組播樹(shù)生存時(shí)間的問(wèn)題。DRIP就是其中的一種，其性能已被證明接近于理論最優(yōu)的MILP算法。然而，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)往往具有泛在、異構(gòu)的特性。在這種網(wǎng)絡(luò)中，多種節(jié)點(diǎn)共存，協(xié)同工作且支持不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫切換。同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)也必須是一個(gè)智能的通信系統(tǒng)，不但可以隨周?chē)h(huán)境的變化，而且還能夠根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行自我配置和自我調(diào)整。因?yàn)橛邢薜木W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、參數(shù)變化范圍和相對(duì)有限的反饋機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)要素(包括節(jié)點(diǎn)、協(xié)議棧、策略和行為)，當(dāng)前的技術(shù)通常集中于如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化以及處理網(wǎng)絡(luò)中各種交互，這類(lèi)處理問(wèn)題的方式往往會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的次優(yōu)，而當(dāng)前已存在的組播樹(shù)都是在這種次優(yōu)的條件下獲得的，不能做出動(dòng)態(tài)化的調(diào)整。而且，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境的時(shí)變特性，很難獲得一個(gè)滿(mǎn)足端到端最優(yōu)的組播樹(shù)，并將這種最優(yōu)一直保持下去。此外，網(wǎng)絡(luò)的各種狀態(tài)信息被現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)所分割，這就使得處于不同層次的網(wǎng)絡(luò)要素不清楚處于其他網(wǎng)絡(luò)層次要素的狀態(tài)。所以，針對(duì)單一層次所做出的優(yōu)化往往都是次優(yōu)的?，F(xiàn)有組播樹(shù)生存時(shí)間僅僅是在次優(yōu)條件下獲得，這要獲得最大組播樹(shù)生存時(shí)間是困難的，特別是外在環(huán)境時(shí)刻變化的情況下，組播樹(shù)生存時(shí)間也在時(shí)刻變化。這需要網(wǎng)絡(luò)具有認(rèn)知能力，即通過(guò)觀察、行動(dòng)、學(xué)習(xí)和推理，以獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)的全面認(rèn)識(shí)，達(dá)到最優(yōu)化的端到端網(wǎng)絡(luò)性能，從而最大化組播樹(shù)生存時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，解決最大化組播樹(shù)生存時(shí)間的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，該方法可以獲得最大的組播時(shí)間。一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，具體步驟如下步驟一尋找瓶頸節(jié)點(diǎn)使用DRIP算法構(gòu)造初始組播樹(shù)，以每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)k跳范圍的組播樹(shù)為單位，尋找瓶頸節(jié)點(diǎn)；步驟二 尋找瓶頸鏈路計(jì)算瓶頸節(jié)點(diǎn)與其子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的代價(jià)，確定最耗能子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而找到瓶頸鏈路；步驟三調(diào)整組播樹(shù)的拓?fù)淅媒M播樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)或未參與組播的節(jié)點(diǎn)來(lái)改造組播樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟四調(diào)整各接收節(jié)點(diǎn)的接收方向根據(jù)定向天線(xiàn)調(diào)整各接收節(jié)點(diǎn)的接收方向；步驟五調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率通過(guò)博弈調(diào)整各個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；步驟六判斷是否更新拓?fù)涓鶕?jù)組播樹(shù)的生存時(shí)間是否能繼續(xù)提高來(lái)進(jìn)行判斷是否能繼續(xù)更新拓?fù)?；?dāng)組播樹(shù)的生存時(shí)間能繼續(xù)提高，則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑽催_(dá)到最優(yōu)，返回執(zhí)行步驟一；否則，算法結(jié)束。步驟一所述的尋找瓶頸節(jié)點(diǎn)，具體過(guò)程如下使用DRIP算法建立一顆組播樹(shù)，選擇一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，在它的k跳范圍內(nèi)尋找預(yù)期壽命最短的節(jié)點(diǎn)，即瓶頸節(jié)點(diǎn)；具體方法為按照公式(1)計(jì)算組播樹(shù)中每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的期望壽命，從中選出一個(gè)期望壽命最短的節(jié)點(diǎn)作為瓶頸節(jié)點(diǎn)，其期望壽命同時(shí)也是這個(gè)局部組播樹(shù)的期望壽命；具體計(jì)算方式如下在這里使用的模型中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的預(yù)期壽命與它的發(fā)送功率成反比、與它的能量?jī)?chǔ)備成正比，即式⑴中的&表示節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，&表示該節(jié)點(diǎn)的電池能量?jī)?chǔ)備，所以整個(gè)組播樹(shù)T的壽命等于預(yù)期壽命最短的節(jié)點(diǎn)
權(quán)利要求
1.一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于，具體步驟如下 步驟一尋找瓶頸節(jié)點(diǎn)使用DRIP算法構(gòu)造初始組播樹(shù)，以每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)k跳范圍的組播樹(shù)為單位，尋找瓶頸節(jié)占.I— /、、、 步驟二 尋找瓶頸鏈路計(jì)算瓶頸節(jié)點(diǎn)與其子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的代價(jià)，確定最耗能子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而找到瓶頸鏈路； 步驟三調(diào)整組播樹(shù)的拓?fù)淅媒M播樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)或未參與組播的節(jié)點(diǎn)來(lái)改造組播樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟四調(diào)整各接收節(jié)點(diǎn)的接收方向根據(jù)定向天線(xiàn)調(diào)整各接收節(jié)點(diǎn)的接收方向；步驟五調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率通過(guò)博弈調(diào)整各個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；步驟六判斷是否更新拓?fù)涓鶕?jù)組播樹(shù)的生存時(shí)間是否能繼續(xù)提高來(lái)判斷是否能繼續(xù)更新拓?fù)?；?dāng)組播樹(shù)的生存時(shí)間能繼續(xù)提高，則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑽催_(dá)到最優(yōu)，返回執(zhí)行步驟一；否則，算法結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于步驟一所述的尋找瓶頸節(jié)點(diǎn)，具體過(guò)程如下使用DRIP算法建立一顆組播樹(shù)，選擇一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，在它的k跳范圍內(nèi)尋找預(yù)期壽命最短的節(jié)點(diǎn)，即瓶頸節(jié)點(diǎn)；具體方法為按照公式(1)計(jì)算組播樹(shù)中每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的期望壽命，從中選出一個(gè)期望壽命最短的節(jié)點(diǎn)作為瓶頸節(jié)點(diǎn)，其期望壽命同時(shí)也是這個(gè)局部組播樹(shù)的期望壽命； 具體計(jì)算方式如下在這里使用的模型中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的預(yù)期壽命與它的發(fā)送功率成反比、與它的能量?jī)?chǔ)備成正比，即式(1)中的A表示節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率表示該節(jié)點(diǎn)的電池能量?jī)?chǔ)備，所以整個(gè)組播樹(shù)T 的壽命等于預(yù)期壽命最短的節(jié)點(diǎn) Tt =min{r.}T ieT 1 'f(2)T表示組播樹(shù)，i表示組播樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，τ i表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于步驟二所述的尋找瓶頸鏈路，具體過(guò)程如下在局部組播樹(shù)中找到瓶頸節(jié)點(diǎn)的最耗能子節(jié)點(diǎn)，即在考慮鏈路衰減因素、熱噪聲和干擾的前提下，計(jì)算瓶頸節(jié)點(diǎn)與其每個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信所需要付出的功率代價(jià)，從而能找到這個(gè)最耗能子節(jié)點(diǎn)；從瓶頸節(jié)點(diǎn)到這個(gè)最耗能子節(jié)點(diǎn)之間的鏈路稱(chēng)為瓶頸鏈路；設(shè)波束寬度，360° ]，處在主瓣以外的能量會(huì)發(fā)生泄漏；信號(hào)在主瓣內(nèi)的比率Srra，在主瓣范圍外的比率為；每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)波束可以選擇，且波束寬度為一個(gè)固定值；處在主波束內(nèi)的能量集中了全部能量的70%，即等于0. 7 ;du, v指u、ν兩點(diǎn)的距離，α是鏈路損失指數(shù)，一般取值為2-4，從節(jié)點(diǎn)u到節(jié)點(diǎn)ν的整體增益為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于步驟三所述的調(diào)整組播樹(shù)的拓?fù)?，具體過(guò)程如下利用網(wǎng)絡(luò)中未參與組播的節(jié)點(diǎn)來(lái)改造瓶頸鏈路，即在合法候選節(jié)點(diǎn)集合中為瓶頸鏈路找到一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，把原來(lái)的“瓶頸節(jié)點(diǎn)一最耗能子節(jié)點(diǎn)”鏈路改造為“瓶頸節(jié)點(diǎn)一一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)一最耗能子節(jié)點(diǎn)”；若選擇組播樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，需排除掉k跳范圍內(nèi)最耗能子節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)及瓶頸節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)；確定好合法的中繼候選節(jié)點(diǎn)集合后，從其中選擇其中一個(gè)符合條件的節(jié)點(diǎn)作為瓶頸節(jié)點(diǎn)和最耗能子節(jié)點(diǎn)之間的中繼節(jié)點(diǎn)，保存新的組播拓?fù)洹?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于步驟四所述的調(diào)整接收節(jié)點(diǎn)的接收方向，具體過(guò)程如下在由k跳相鄰節(jié)點(diǎn)組成的、新的局部組播樹(shù)中，計(jì)算每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的接收方向；每個(gè)未參與組播的節(jié)點(diǎn)需要調(diào)整其方向到能夠獲得最大SINR值的方向，稱(chēng)為方向控制；方向控制的計(jì)算公式如下Φν = a(u, v)(11) ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于步驟五所述的調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，具體過(guò)程如下在由k跳相鄰節(jié)點(diǎn)組成的、新的局部組播樹(shù)中，充分考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前接收節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的干擾和本地?zé)嵩肼暎捎貌┺牡姆椒ㄓ?jì)算每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，經(jīng)過(guò)多倫博弈達(dá)到納什均衡時(shí)，每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率恰好能夠克服所受到的干擾和周?chē)臒嵩肼?；組播問(wèn)題涉及到點(diǎn)到多點(diǎn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都和它的所有子節(jié)點(diǎn)通信，設(shè)組播樹(shù)和波束寬度都是固定的，組播請(qǐng)求的效用函數(shù)表示為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，其特征在于步驟六所述的判斷是否更新拓?fù)?，具體過(guò)程如下重新計(jì)算該局部組播樹(shù)的生存時(shí)間，并與原組播樹(shù)的生存時(shí)間進(jìn)行比較，若生存時(shí)間有所提高則更新k跳范圍網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；若沒(méi)有提高，則保持原拓?fù)洳蛔?，這個(gè)步驟稱(chēng)為路由控制；路由控制采用如下策略通過(guò)比較k跳范圍內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗來(lái)找到預(yù)期壽命最短的節(jié)點(diǎn)；之后，這個(gè)預(yù)期壽命最短節(jié)點(diǎn)成為控制該k跳范圍內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)路由表的“控制節(jié)點(diǎn)”;接下來(lái)尋找控制節(jié)點(diǎn)的最耗能子節(jié)點(diǎn)，并做如下處理斷開(kāi)這對(duì)父子節(jié)點(diǎn)的連接；尋找該子節(jié)點(diǎn)另一個(gè)合理的父節(jié)點(diǎn)；按控制節(jié)點(diǎn)、新的父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)的順序?qū)⑷齻€(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)形成從控制節(jié)點(diǎn)到子節(jié)點(diǎn)的新的拓?fù)錁?shù)；判斷新拓?fù)錁?shù)的生存時(shí)間是否有所提高，倘若有提高，則進(jìn)一步尋找下一個(gè)“最耗能節(jié)點(diǎn)”，并重復(fù)以上處理步驟；若沒(méi)有提高，則重新恢復(fù)原組播樹(shù)，以上過(guò)程不斷執(zhí)行，直至不能找到一個(gè)合理的節(jié)點(diǎn)加入組播樹(shù)來(lái)提高組播樹(shù)的生存時(shí)間為止，這樣，一個(gè)新的組播樹(shù)Tmw就建立完成了 ； 判斷條件如下兩顆組播樹(shù)T和Tmw的生存時(shí)間分別為
全文摘要
一種適用于多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知路由方法，屬于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明可以獲得最大的組播時(shí)間。具體步驟如下步驟一使用DRIP算法構(gòu)造初始組播樹(shù)，尋找瓶頸節(jié)點(diǎn)；步驟二尋找瓶頸鏈路，步驟三調(diào)整組播樹(shù)的拓?fù)?，利用組播樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)或未參與組播的節(jié)點(diǎn)來(lái)改造組播樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟四調(diào)整各接收節(jié)點(diǎn)的接收方向，根據(jù)定向天線(xiàn)調(diào)整各接收節(jié)點(diǎn)的接收方向；步驟五調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，通過(guò)博弈調(diào)整各個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率；步驟六判斷是否更新拓?fù)?，根?jù)組播樹(shù)的生存時(shí)間是否能繼續(xù)提高來(lái)進(jìn)行判斷是否能繼續(xù)更新拓?fù)?；?dāng)組播樹(shù)的生存時(shí)間能繼續(xù)提高，則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑽催_(dá)到最優(yōu)，返回執(zhí)行步驟一；否則，算法結(jié)束。
文檔編號(hào)H04W40/10GK102244914SQ20111020598
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者蔣定德, 許爭(zhēng)爭(zhēng), 陳振華 申請(qǐng)人:東北大學(xué)