專利名稱：一種基于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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Ad Hoc(自主、自組)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算的大量涌現(xiàn)，推動了移動計(jì)算機(jī)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(gè)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(diǎn)都是移動的，并且都可以以任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)地保持與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)還能發(fā)現(xiàn)、保持到網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)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(xiǎn)、交互式演講、共享信息的商業(yè)會議、緊急通信等等領(lǐng)域。
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(gè)全局網(wǎng)絡(luò)管理器來維護(hù)所有已建立信道和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔ⅲ虼四軌驅(qū)γ總€(gè)實(shí)時(shí)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(kuò)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(shí)時(shí)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。
由于傳統(tǒng)的基于Internet的路由協(xié)議無法適應(yīng)拓?fù)淇焖僮兓男枰?，同時(shí)也無法滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，因此需要設(shè)計(jì)適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(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。對于這方面提出了大量的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，主要典型的單播路由協(xié)議有臨時(shí)隊(duì)列路由協(xié)議TORA、基于需求的Ad Hoc距離向量路由協(xié)議AODV、目的地序列距離向量協(xié)議DSDV、聯(lián)合路由協(xié)議ABR、動態(tài)源路由協(xié)議DSR、魚眼狀態(tài)路由協(xié)議FSR、區(qū)域路由協(xié)議ZRP、無線路由協(xié)議WRP、信號穩(wěn)定度路由協(xié)議SSR、核心提取分布式路由協(xié)議CEDAR、群首網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議CGSR等等，它們從不同的路由發(fā)現(xiàn)策略、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路狀態(tài)、邏輯結(jié)構(gòu)等等方面進(jìn)行了研究。這些協(xié)議不管什么時(shí)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(jī)重新計(jì)算自己的路由表并且把相關(guān)的路由信息進(jìn)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(jī)可以隨機(jī)隨地加入、離開或者重新加入網(wǎng)絡(luò)，隨著主機(jī)的移動已存在的鏈路可能斷開或者又形成了新的鏈路。如J.L.Sobrinho和A.S.Krishnakumar從MAC層來考慮在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中對QoS的支持，采用兩種方式，主機(jī)實(shí)時(shí)的利用優(yōu)先級來競爭使用無線電頻道；移動主機(jī)的優(yōu)先級是由這臺主機(jī)等待無線電頻道空閑下來的時(shí)間決定的，這種優(yōu)先級方式給予了實(shí)時(shí)傳輸比較高的優(yōu)先級并且它能夠保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包能夠進(jìn)行無沖突的傳輸。C.R.Lin和J.S.Liu中提出了一種可以保證一條具有多跳路徑的QoS機(jī)制。在這里假定了一個(gè)基于CDMA的TDMA模型，為了避免沖突給鄰居主機(jī)分配不同的傳輸代碼，每一個(gè)傳輸代碼是一個(gè)時(shí)幀，每一幀由標(biāo)號為1到N的N個(gè)時(shí)間片組成。共同相鄰于一臺主機(jī)的兩臺主機(jī)不能用相同的傳輸代碼同時(shí)向這臺相鄰的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就會產(chǎn)生沖突。但是，如果他們的傳輸代碼是不一樣的，那么數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顩r就會得到改善，這種方式的另一個(gè)限制是一臺主機(jī)不能在一個(gè)時(shí)間片中同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù).S.Chen和K.Nahrstedt提出了一種基于票的協(xié)議來支持QoS路由，這個(gè)協(xié)議在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)盡可能為每一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)提供端到端的狀態(tài)信息，這種狀態(tài)信息被DSDV協(xié)議定期進(jìn)行更新。源節(jié)點(diǎn)S一旦需要QoS路由，就會發(fā)布一定數(shù)量的探測幀，每個(gè)探測幀都攜帶一張票，每個(gè)探測幀負(fù)責(zé)搜尋一條路徑。它的基本思想是利用票來限制路由搜索包的數(shù)量來避免盲目的洪泛。這個(gè)協(xié)議的指導(dǎo)思想是QoS要求越高，發(fā)布的票就越多。如Y.Suh以及P.V.Mieghem等提出的協(xié)議也具有QoS支持，有些協(xié)議主要是在現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)中的QoS協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)的。
QoS路由方法的基本問題就是在源和目的站之間，如何找到一條能夠同時(shí)滿足多個(gè)約束條件且具有最小代價(jià)的路徑。多特征值可以在某種程度上滿足多個(gè)約束條件的路徑要求。多特征值可以在某種程度上更精確地描述網(wǎng)絡(luò)。然而，找到一條符合多個(gè)約束條件的路徑本質(zhì)是一個(gè)很困難的問題。
在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多播路由協(xié)議方面的研究比單播路由協(xié)議和QoS路由協(xié)議活躍，其研究成果比QoS路由協(xié)議多。這些移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多播路由協(xié)議根據(jù)不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。根據(jù)如何創(chuàng)建多播組成員可以分為4個(gè)類型基于樹的多播路由協(xié)議；基于網(wǎng)格多播路由協(xié)議；無狀態(tài)多播路由協(xié)議以及混合多播路由協(xié)議。
目前多播路由協(xié)議主要有下面這些難點(diǎn)1)最小化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；2)為可靠傳輸提供基本支持；3)提供多播路由時(shí)考慮不同的代價(jià)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(fù)擔(dān)。

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(jìn)行完善而提供的一種基于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分布式QoS多播路由方法，以克服上述的不足。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明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)模型網(wǎng)絡(luò)由交換節(jié)點(diǎn)和鏈路以及主機(jī)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(diǎn)集或節(jié)點(diǎn)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、鏈路傳輸延遲、分組丟失率、抖動、網(wǎng)絡(luò)代價(jià)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(gè)更復(fù)雜的模型，該模型將采用多個(gè)特征值(如帶寬、延遲、延遲抖動、包丟失率等)來描述。
第二步驟確定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息網(wǎng)絡(luò)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)。因此在搜索可行路徑時(shí)，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(xì)程度密切相關(guān)。
在本發(fā)明中，其主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面(1)測量、收集并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；(2)根據(jù)維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息計(jì)算優(yōu)化的可行路徑(多播樹)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集和維護(hù)，大大減少控制信息的開銷。
第三步驟確定回路檢測方法在本發(fā)明中，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)依靠本地維護(hù)的全局信息獨(dú)立計(jì)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。
第四步驟降低計(jì)算復(fù)雜性在本發(fā)明中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，分布式路由將計(jì)算分散在各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，對路由要求的計(jì)算量小，響應(yīng)快，減少了計(jì)算復(fù)雜程度；由于節(jié)點(diǎn)不需要保存全局信息，只要求節(jié)點(diǎn)具有本地狀態(tài)，因而具有較好的可擴(kuò)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)明由于其線性的消息復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度以及分布式地進(jìn)行路由選擇等特征，使其具有可擴(kuò)展性，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(xiǎn)、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(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但該實(shí)施例不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
實(shí)施例本發(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(gè)源節(jié)點(diǎn)到多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的QoS約束多播路由問題，即給定一個(gè)非空集M＝{s，u1，u2，...，um}，其中，MN，s是源節(jié)點(diǎn)，U＝{u1，u2，...，um}為目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)s到目的節(jié)點(diǎn)u∈U的路徑，用DT(s，u)和BT(s，u)分別表示PT(s，u)的延時(shí)和可用帶寬。
假定多播樹最小帶寬約束為B，最大時(shí)延約束為D，節(jié)點(diǎn)的移動最大速度為V，節(jié)點(diǎn)的最小電源剩余量為W，給定一個(gè)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(shí)延約束DT(s，u)≤D，u∈U.
(3)節(jié)點(diǎn)的移動速度約束Vi≤V，i∈N.
(4)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)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(shí)延、時(shí)延抖動、分組丟失率、節(jié)點(diǎn)的移動速度、范圍及能量等等。尋找一條滿足多個(gè)約束條件的QoS路徑通常是NP完全問題，所以實(shí)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，本發(fā)明采用帶寬、時(shí)延和節(jié)點(diǎn)的移動速度作為度量參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況來選擇其中兩個(gè)或三個(gè)指標(biāo)，而且這幾個(gè)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(gè)指標(biāo)的代價(jià)相對較低。QoS多播路由方法的度量參數(shù)的研究是AdHoc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(xiàng)的方法解決探測幀的回路產(chǎn)生。
第四步驟分析移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的計(jì)算復(fù)雜性任何算法重要的理論研究是計(jì)算的復(fù)雜性分析，本發(fā)明最壞情況下的時(shí)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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，|E|是其鏈路數(shù)。主要對本發(fā)明的復(fù)雜性進(jìn)行理論分析研究，從中研究出復(fù)雜程度最低的算法。
第五步驟移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分布式QoS約束多播路由方法的仿真實(shí)驗(yàn)由于實(shí)際的原因不可能建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)都采用計(jì)算機(jī)仿真方法來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。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(jì)的無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS多播路由協(xié)議或算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和性能評價(jià)。
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實(shí)現(xiàn)編碼編碼是實(shí)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(shí)現(xiàn)方法的編碼。
本說明書中未作詳細(xì)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(diǎn)和鏈路以及主機(jī)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(diǎn)集或節(jié)點(diǎn)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、鏈路傳輸延遲、分組丟失率、抖動、網(wǎng)絡(luò)代價(jià)等不同的網(wǎng)絡(luò)特征值度量；第二步驟確定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息網(wǎng)絡(luò)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)；第三步驟確定回路檢測方法在該方法中，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)依靠本地維護(hù)的全局信息獨(dú)立計(jì)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；第四步驟降低計(jì)算復(fù)雜性在該方法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，分布式路由將計(jì)算分散在各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，對路由要求的計(jì)算量小，響應(yīng)快，減少計(jì)算復(fù)雜程度。
2.如權(quán)利要求1所述的基于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分布式QoS多播路由方法，其特征在于在該方法的第二步驟中，其主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面(1)測量、收集并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；(2)根據(jù)維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息計(jì)算優(yōu)化的可行路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于移動Ad Hoc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；第三步驟確定回路檢測方法；第四步驟降低計(jì)算復(fù)雜性。本發(fā)明由于其線性的消息復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度以及分布式地進(jìn)行路由選擇等特征，使其具有可擴(kuò)展性，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(xiǎn)、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> 文檔編號H04L12/56GK1710886SQ20051001905
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者李臘元, 李春林, 孫寶林 申請人:武漢理工大學(xué)