CN108495338B - 应用于tdma自组网的跨层路由协议实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于TDMA自组网的跨层路由协议实现方法，主要解决现有的多径路由协议网络时延大和吞吐量低的问题。其方案是：1.每个节点的网络层通过跨层方式获取本节点占用的时隙个数、本节点到各个邻居节点的链路最大传输单元以及本节点的排队时延；2.每个节点周期性地广播各条路径的路径时延、路径最大传输单元和路径上节点占用的时隙数总和；3.网络层收到路由广播报文，计算本节点到目的节点各条路径的权值，将最优路径与备选路径通知给MAC层；4.MAC层在队列调度时结合多径信息进行帧聚合。本发明既达到了对服务质量的保障，降低了网络时延，又充分利用了链路多速率，提高了网络吞吐量，可用于无线自组织网络。

Description

应用于TDMA自组网的跨层路由协议实现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更进一步涉及跨层路由协议实现方法，可用于时分多址TDMA和链路多速率传输的无线自组织网络中。

背景技术

当前针对自组织网络研究的路由协议大部分都是基于载波侦听多址访问或冲突避免CSMA/CA的信道接入方式，但是由于CSMA/CA不能提供服务质量保障，对于网络堵塞或者碰撞的问题很难保证网络传输的实时性。另一方面，无论是表驱动方式的DSDV路由算法还是按需方式的DSR和AODV等路由算法，都是基于单速率环境下设计的，大部分都是简单地以源节点与目的节点之间的跳数作为路由选择的权衡依据。然而，随着物理层能提供多速率能力，最小跳数的算法倾向于选择长距离低速率的链路，严重限制了吞吐量的提高。因此，为了能充分利用链路多速率传输，提高吞吐量，路由协议的设计也需要考虑链路速率自适应带来的影响。

目前，还没有较成熟的路由协议算法既考虑物理层TDMA的多址接入方式又综合利用链路多速率传输。作者鲁顶芝在其发表的论文“多速率环境下无线 Adhoc网络的路由研究”(《合肥工业大学》，2011年)中，通过在按需路由的RREQ 分组头部添加累计的端到端延迟值，通过评估CSMA/CA的接入延迟与冲突重传来计算该值，之后源节点选择到目的节点的延迟值最小值来作为传输路径。但是该方法仍然是基于CSMA/CA的多址接入方式，同时存在着没有考虑负载均衡与无法适应快速移动的Ad hoc网络等弊端。

作者姜少峰在其发表的论文“Ad hoc网络中一种负载均衡的多速率路由算法”(《北京理工大学学报》，2006年5月)中提出一种基于表驱动的路由算法，该算法根据收集到的邻居节点排队队列的长度，在转发数据包时，通过选择一条时延低的邻居节点来多跳转发到原定的下一跳节点，以避免加重局部拥塞。但是该方法仍做不到对源节点到目的节点整条路径的时延权衡，因而无法实现全网络的负载均衡。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有多速率传输条件下的路由协议算法的不足，提出一种应用于TDMA自组网的跨层路由协议实现方法，以通过对源节点到目的节点整条路径的时延权衡，降低时延，实现全网络的负载均衡。

本发明技术思路是：根据TDMA时隙长度固定的特性，发送不同长度的数据包使其链路利用率也随之变化，同时为了充分利用链路传输能力，通过帧聚合方式获得较高的链路利用率，其实现方案包括如下：

(1)MAC层采用TDMA的多址接入方式，路由采用表驱动的方式；

(2)MAC层计算本节点到每个邻居节点n_i的链路最大传输单元lm_ni，并计算本节点的排队时延t_i；

(3)确定路由协议的报文携带内容，该内容包括本节点到各个可达的目的节点d_i的最优路由路径信息，每条路径信息包括本条路径的排队时延t_delay、本条路径的最大传输单元pm、本条路径上节点占用的时隙数总和slot、本条路径的跳数hop和完整路径信息，即该条路由经过的每一个节点号；

(4)MAC层将链路最大传输单元lm_ni、本节点的排队时延t_i和本节点在一个帧长内占用的时隙数slot_i这三种反馈给网络层；

(5)网络层根据MAC层反馈的信息，计算本节点到各个目的节点d_i的各条路径的权值；

(6)网络层根据路径的权值和路径的信息，从各条路径中选出一条路径做为最优路径，其他路径作为备选路径；

(7)网络层将本节点到每个目的节点d_i的最优路径以及各条备选路径这两种路径传递给MAC层；

(8)MAC层将待发送的数据包进行入队：

(8a)MAC层将本节点上层发下来的数据包以及从其他节点收到的需要转发的数据包排队放入待发送队列，待发送队列根据数据包的长度，从大到小对各个数据包进行排列；

(8b)对入队的每个数据包都设置一个最大排队时延阈值T_wait，对于超过该阈值但还未调度的数据包，则将其插到队列头部；

(9)MAC层从待发送队列的队列头部调度数据包，并从待发送队列中查找能与队列头部的数据包相聚合的数据包，再将这两个数据包聚合为一个数据包，在同一个时隙内调度发送出去。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明针对TDMA的多速率AdHoc网络，由于综合考虑了路径传输能力与传输时延，不仅能根据路径传输时延的高低来反映路径的负载情况，实现负载均衡的目标，还能在时延差别不大情况下，优选路径带宽大的路径，提高了整个网络的吞吐量。

2.本发明由于使用跨层交互方式，MAC层在队列调度时利用网络层路由表中的多径信息，必要时修改数据包的路径来实现帧聚合，通过综合利用多径路径，提高了对信道的利用率，从而提高了网络的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中处理路由广播报文的子流程图；

图3是本发明中MAC层处理来自上层与物理层数据包的子流程图；

图4是本发明中MAC层调度待发送队列的子流程图。

具体实施方式

本发明的使用场景为无线自组织网络，网络中的每个节点均为同样的节点，每个节点的等级与内部结构相同，节点的内部结构从上到下依次分为网络层、MAC层和物理层，网络层采用基于表驱动的多径路由协议，MAC层采用TDMA协议，下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1.节点接入信道，周期性的统计数据。

(1a)将MAC层通过时分多址接入TDMA方式接入信道，即单位时隙的长度固定，节点i和与其相距一跳或两跳的其他节点占用不同的时隙；

(1b)MAC层计算本节点到邻居节点n_i的链路最大传输单元

其中

为本节点的物理层反馈给MAC层的本节点i到各个邻居节点n_i的速率，T_slot为TDMA***的每个时隙的长度；

(1c)每隔一固定长度的时间T₁，MAC层对下一个要进入待发送队列的数据包加一个时间戳标记t₁，并在该数据包从待发送队列被调度出队时记下此刻时间t₂， MAC层计算待发送队列的等待时延t_new_i：

t_new_i＝λ×t_old_i+(1-D×(t₂-t₁)，

其中t_old_i为上一次计算的等待时延，λ为新旧两个等待时延之间的权重系数；

(1d)MAC层以T₂为周期，统计一个周期内发送出去的数据包的数量num_i。

步骤2.MAC层根据邻居节点反馈的信息计算本节点i的排队时延，并将相关性息通知给路由协议。

(2a)下游邻居节点也以T₂为周期，统计一个周期内收到的来自节点i的数据包的数量num_j，并反馈给节点i；

(2b)MAC层根据(1d)和(2a)的结果，计算本节点i的传输成功率

其中N表示本节点的邻居节点的个数；

(2c)MAC层根据(1c)和(2b)的结果，计算本节点i的排队时延

(2d)MAC层将链路最大传输单元

本节点的排队时延t_i和本节点在一个帧长内占用的时隙数slot_i这三种信息反馈给网络层。

步骤3.本节点网络层对接收到邻居接点n_i的路由广播报文进行处理。

参照图2，本步骤的实现如下：

(3a)遍历该报文中携带的邻居节点n_i到各个目的节点d_i的路由路径pt₁；

(3b)查看本节点在本地是否保存有到目的节点d_i的路由信息，若有，则执行步骤(3c)，否则，执行步骤(3e)；

(3c)查看本地保存的到目的节点d_i的路由路径组中是否有路由路径pt₁，即本地保存的路由路径pt₂的下一跳节点是否是邻居接点n_i，若是，则执行步骤(3d)，否则，执行步骤(3e)；

(3d)网络层根据邻居接点n_i的路由广播报文携带的信息更新本节点的路由路径pt₂，执行步骤(3f)；

(3e)网络层将路由路径pt₁保存到本地的路由路径组中，执行步骤(3f)；

(3f)网络层计算路由路径pt2的排队时延t_delay，即通过将本节点的排队时延t_i加到邻居节点n_i到目的节点d_i的路径排队时延上，得到本节点i到目的节点d_i这条路径 pt₂的排队时延t_delay；

(3g)网络层计算路由路径pt₂的最大传输单元pm：

将本节点到目的节点d_i的路径最大传输单元pm设为本节点到邻居节点n_i的链路最大传输单元和该邻居节点n_i到目的节点d_i的路径最大传输单元pm的最小值：

(3h)网络层计算链路最小传输单元m_min：

m_min＝R_min×T_slot，

其中T_slot为TDMA***的每个时隙的长度，R_min为多速率表中的最低传输速率；

(3i)网络层计算路由路径pt₂的权值W_i：

其中PMTU_i为该条路径的最大传输单元；t_delay为该条路径上各节点的排队时延之和；α为影响因子，0<α<1，用来权衡该公式前后两项所占的比重；

(3j)根据各条路径的权值，按从大到小的顺序对本节点到目的节点d_i的各条路径进行排序，将权值最大的路径的权值记为W_max；

(3k)根据(3j)的结果，计算权值大于μ×W_max的路径的

值，0<μ<1，将

值最大的路径作为最优路径；

(3l)根据(3k)的结果，记最优路径的排队时延为t_min，将除最优路径外的其他路径的排队时延小于ε×t_min的路径作为备选路径，ε>1；

(3m)网络层将本节点到目的节点d_i的最优路径和备选路径通知给MAC层。

步骤4.MAC层对网络层下发的数据包p₁进行入队操作。

参照图3，本步骤的实现如下：

(4a)记数据包p₁的目的节点为d₁，判断本节点是否有到目的节点d₁的路由，若有，则执行步骤(4c)，否则，执行步骤(4b)；

(4b)丢弃该数据包p₁，返回步骤(4a)；

(4c)将数据包p₁放入待发送队列，以数据包的长度作为排队顺序准则将数据包 p₁放到合适的位置，执行步骤(4d)；

(4d)对数据包p₁设置一个最大排队时延阈值T_wait，如果超过该阈值还未调度数据包p₁，则将数据包p₁插队到队列头部，返回步骤(4a)。

步骤5.MAC层处理物理层上传的数据包。

参照图3，本步骤的实现如下：

(5a)MAC层收到物理层发来的数据包，先判断该数据包是否是聚合的数据包，若是，则执行步骤(5b)，否则，执行步骤(5c)；

(5b)查看该数据包中各个分包的目的地址，如果是本节点的，对其执行步骤(5d)，否则，对其执行步骤(5e)；

(5c)判断该数据包的目的地址是否为本节点，若是，则执行步骤(5d)，否则，执行步骤(5e)；

(5d)将该数据包上传至网络层，返回步骤(5a)；

(5e)判断该数据包长度是否大于到下一跳节点的链路最大传输单元

若是，则执行步骤(5f)，否则，执行步骤(5g)；

(5f)将该数据包按照到下一跳节点的链路最大传输单元

进行分片，将各个分片依次放入待发送队列，返回步骤(5a)；

(5g)直接将该数据包放入待发送队列，返回步骤(5a)。

步骤6.MAC层调度待发送队列下发数据。

参照图4，本步骤的实现如下：

(6a)MAC层依次从待发送队列的队列头部调度数据包，记队列头部的数据包 p₁的目的节点为d₁，记本节点到目的节点最优路径中下一跳节点的链路最大传输单元为lm₁，记头部数据包p₁的长度为L₁，如果

ρ为带宽利用率的阈值，则执行步骤(6b)，否则，执行步骤(6c)；

(6b)直接将头部数据包p₁按照最优路径配置下一跳节点，并将头部数据包p₁发送出去，返回步骤(6a)；

(6c)依次遍历待发送队列，如果还未遍历完待发送队列，则遍历下一个队列数据包p₂并执行步骤(6d)，否则，执行步骤(6i)；

(6d)查看队列数据包p₂的长度是否小于lm₁-L₁，若是，则执行步骤(6e)，否则，返回步骤(6c)；

(6e)判断队列数据包p₂的目的地址d₂是否为本节点到目的节点d₁的最优路径上的中间节点，若是，则执行步骤(6h)，否则，执行步骤(6f)；

(6f)判断目的地址d₁是否为本节点到目的地址d₂的某条备选路径的某个中间节点，若是，则执行步骤(6g)，否则，返回步骤(6c)；

(6g)更改队列数据包p₂的路由，选择走这条经过节点d₁的备选路径，执行步骤(6h)；

(6h)通过帧聚合方式，将头部数据包p₁与队列数据包p₂封装成一个聚合数据包p₃，在一个时隙内将聚合数据包p₃发送出去，返回步骤(6a)；

(6i)遍历队列若未发现能与头部数据包p₁聚合的数据包，再判断头部数据包p₁是否为已超时的数据包，若是，则将头部数据包p₁发送出去，返回步骤(6a)，否则，将头部数据包p₁放置到待发送队列的尾部，返回步骤(6a)。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于TDMA自组网的跨层路由协议实现方法，包括：

(1)MAC层采用TDMA的多址接入方式，路由采用表驱动的方式；

(2)MAC层计算本节点到每个邻居节点n_i的链路最大传输单元

并计算本节点的排队时延t_i；

(3)确定路由协议的报文携带内容，该内容包括本节点到各个可达的目的节点d_i的最优路由路径信息，每条路径信息包括本条路径的排队时延t_delay、本条路径的最大传输单元pm、本条路径上节点占用的时隙数总和slot、本条路径的跳数hop和完整路径信息，即该条路由经过的每一个节点号；

(4)MAC层将链路最大传输单元

本节点的排队时延t_i和本节点在一个帧长内占用的时隙数slot_i这三种反馈给网络层；

(5)网络层根据MAC层反馈的信息，计算本节点到各个目的节点d_i的各条路径的权值；

(6)网络层根据路径的权值和路径的信息，从各条路径中选出一条路径做为最优路径，其他路径作为备选路径；

(7)网络层将本节点到每个目的节点d_i的最优路径以及各条备选路径这两种路径传递给MAC层；

(8)MAC层将待发送的数据包进行入队：

(8a)MAC层将本节点上层发下来的数据包以及从其他节点收到的需要转发的数据包排队放入待发送队列，待发送队列根据数据包的长度，从大到小对各个数据包进行排列；

(8b)对入队的每个数据包都设置一个最大排队时延阈值T_wait，对于超过该阈值但还未调度的数据包，则将其插到队列头部；

(9)MAC层从待发送队列的队列头部调度数据包，并从待发送队列中查找能与队列头部的数据包相聚合的数据包，再将这两个数据包聚合为一个数据包，在同一个时隙内调度发送出去。

2.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(2)中计算本节点的排队时延t_i，按如下步骤计算：

(2a)每隔一固定长度的时间T1，本节点i对下一个要进入待发送队列的数据包加一个时间戳标记t₁，在该数据包从待发送队列被调度出队时记下此刻时间t₂，计算待发送队列的等待时延t_new_i：

t_new_i＝λ×t_old_i+(1-λ)×(t₂-t₁)，

其中t_old_i为上一次计算的等待时延，λ为新旧两个等待时延之间的权重系数；

(2b)本节点i以T₂为周期，统计一个周期内发送出去的数据包的数量num_i；

(2c)本节点i的下游邻居节点也以T₂为周期，统计一个周期内收到的来自节点i的数据包的数量num_j，并反馈给节点i；

(2d)根据(2b)和(2c)的结果，计算本节点i的传输成功率

其中N表示本节点的邻居节点的个数；

(2e)根据(2a)和(2d)的结果，计算本节点i的排队时延

并通过MAC层将该排队时延t_i反馈给网络层。

3.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(2)中计算本节点到每个邻居节点ni的链路最大传输单

元，通过如下公式计算：

其中

表示从底层收到的到邻居节点n_i的速率，T_slot为TDMA***的每个时隙的长度。

4.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(3)中本条路径的排队时延t_delay，是该条路径上每个节点的排队时延t_i的总和。

5.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(3)中本条路径的最大传输单元pm的计算，按如下步骤计算：

(3a)判断目的节点d_i是否为自己的邻居节点n_i，若是，则执行步骤(3b)，否则，执行步骤(3c)；

(3b)将本节点到目的节点d_i的路径最大传输单元pm设为本节点到该目的节点的链路最大传输单元：

(3c)将本节点到目的节点d_i的路径最大传输单元pm设为本节点到邻居节点n_i的链路最大传输单元和该邻居节点n_i到目的节点d_i的路径最大传输单元pm的最小值：

6.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(5)中计算本节点到各个目的节点d_i的各条路径的权值，按如下步骤计算：

(5a)计算链路最小传输单元m_min：

m_min＝R_min×T_slot，

其中T_slot为TDMA***的每个时隙的长度，R_min为多速率表中的最低传输速率；

(5b)根据(5a)的结果，计算本节点到目的节点d_i的各条路径的权值W_i：

其中PMTU_i为该条路径的最大传输单元；t_delay为该条路径上各节点的排队时延之和；α为影响因子，0＜α＜1，用来权衡公式<1>前后两项所占的比重。

7.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(6)中从各条路径中选出一条路径做为最优路径，其他路径作为备选路径，按如下步骤计算：

(6a)根据各条路径的权值，按从大到小的顺序对本节点到目的节点d_i的各条路径进行排序，将权值最大的路径的权值记为W_max；

(6b)根据(6a)的结果，计算权值大于μ×W_max的路径的

值，0＜μ＜1，将

值最大的路径作为最优路径；

(6c)根据(6b)的结果，记最优路径的排队时延为t_min，将除最优路径外的其他路径的排队时延小于ε×t_min的路径作为备选路径，ε＞1。

8.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(8a)中MAC层将需要转发的数据包排队放入待发送队列，按如下步骤计算：

(8a1)MAC层收到底层发来的数据包，先判断该数据包是否是聚合的数据包，若是，则执行步骤(8a2)，否则，执行步骤(8a3)；

(8a2)查看该数据包中各个分包的目的地址，如果是本节点的，对其执行步骤(8a4)，否则，对其执行步骤(8a5)；

(8a3)判断该数据包的目的地址是否为本节点，若是，则执行步骤(8a4)，否则，执行步骤(8a5)；

(8a4)将该数据包上传至网络层，返回步骤(8a1)；

(8a5)判断该数据包长度是否大于到下一跳节点的链路最大传输单元

若是，则执行步骤(8a6)，否则，执行步骤(8a7)；

(8a6)将该数据包按照本节点到下一跳节点的链路最大传输单元

进行分片，将各个分片依次放入待发送队列，返回步骤(8a1)；

(8a7)直接将该数据包放入待发送队列，返回步骤(8a1)。

9.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(9)中从待发送队列中查找能与队列头部的数据包相聚合的数据包，按如下步骤计算：

(9a)MAC层依次从待发送队列的队列头部调度数据包，记队列头部的数据包p₁的目的节点为d₁，记到目的节点最优路径中下一跳节点的链路最大传输单元为lm₁，记头部数据包p₁的长度为L₁，如果

ρ为带宽利用率的阈值，则执行步骤(9b)，否则，执行步骤(9c)；

(9b)直接将头部数据包p₁按照最优路径配置下一跳节点，并将头部数据包p₁发送出去，返回步骤(9a)；

(9c)依次遍历待发送队列，如果还未遍历完待发送队列，则遍历下一个队列数据包p₂并执行步骤(9d)，否则，执行步骤(9i)；

(9d)查看队列数据包p₂的长度是否小于lm₁-L₁，若是，则执行步骤(9e)，否则，返回步骤(9c)；

(9e)判断队列数据包p₂的目的地址d₂是否为本节点到目的节点d₁的最优路径上的中间节点，若是，则执行步骤(9h)，否则，执行步骤(9f)；

(9f)判断目的地址d₁是否为本节点到目的地址d₂的某条备选路径的某个中间节点，若是，则执行步骤(9g)，否则，返回步骤(9c)；

(9g)更改队列数据包p₂的路由，选择走这条经过节点d₁的备选路径，执行步骤(9h)；

(9h)通过帧聚合方式，将头部数据包p₁与队列数据包p₂封装成一个聚合数据包p₃，在一个时隙内将聚合数据包p₃发送出去，返回步骤(9a)；

(9i)遍历队列若未发现能与头部数据包p₁聚合的数据包，再判断头部数据包p₁是否为已超时的数据包，若是，则将头部数据包p₁发送出去，返回步骤(9a)，否则，将头部数据包p₁放置到待发送队列的尾部，返回步骤(9a)。

Images