一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法

文檔序號：10572583閱讀：339來源：國知局

一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法
【專利摘要】本發明提供一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，包括感知整個網絡的拓撲結構；根據網絡的拓撲結構為網絡源節點和目的節點選擇指定路由路徑；在所述指定路由路徑上除了目的節點以外的其余節點選擇節點中繼轉發集合；計算所述指定路由路徑上的節點可靠性概率；根據所述節點可靠性概率和發送節點的相對跳數，確定所述節點中繼轉發集合中轉發節點的轉發優先級；利用CSMA?CA多點協作機制從源節點開始對數據分組進行轉發，直到目的節點正確接收所述數據分組。本發明提供的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法可降低數據分組發送次數、減少數據分組傳輸時延，解決了電力線通信網絡場景中的通信可靠性問題。
【專利說明】
一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法
技術領域
[0001] 本發明涉及通信技術領域，特別涉及一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法。
【背景技術】
[0002] 隨著近年來網絡技術和通信技術的迅速發展，智能家庭網絡的自動化和信息化程度越來越高。同時這也對家庭網絡的靈活性、安全性和可靠性提出了更高的要求和挑戰。可以預見，未來的每一個家庭將是一個網絡化和信息化的家庭。每一個家庭，外部利用高速數字通信線路，比如ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)、FTTH(Fiber To The Home)、RLL(Radio in the Local Loop)等通過家庭網關連接到Internet，內部有家庭服務器控制著功能各異的信息化家電和家庭子系統。通過互聯網絡，家庭成員可以對家庭中的設備、電器進行狀態控制，節能控制、安全防護、智能監測等。同時，每個設備之間能夠進行信息傳遞和共享。基于電力線載波通信技術的家庭自組織網絡系統融合了電力線載波通信技術、WLAN、Internet和蜂窩網等網絡技術和標準，是一種典型的異構網絡。它可以讓一個家庭通過互聯網和外界進行信息交流，從而滿足家庭自動化和信息化的要求。
[0003] 對于不同的QoS(Quality of Service)需求，如時延、重傳次數、低功耗等，和不同的傳輸模式如單播、組播、廣播等，面向PLC網絡的路由協議的研究和應用涵蓋了多個方面，可以根據應用場景的不同進行以下分類：
[0004] 面向HAN(Home Area Networks)的路由協議，此類協議要求必須支持低功耗需求，同時滿足用戶的私密性和信息的安全性要求。同時HAN網絡必須支持節點隨時的接入或退出，路由協議必須擁有自組織能力。
[0005] 面向NAN(Neighborhood Area Networks)的路由協議，此類網絡信息需要在不同中心節點之間進行信息傳遞。應用于此類網絡的協議必須支持不同用戶的不同QoS需求。由于RPL能夠在保證安全性的前提下支持多種路由特性和通信類型，因此RPL協議在NAN網絡中扮演著重要角色。
[0006] 面向N2N(NAN To NAN)的路由協議，N2N網絡通常屬于高帶寬主干網絡，需要傳輸大量的數據同時滿足嚴格的QoS條件。為了滿足N2N網絡的業務特性和需求，IEEE 802.1 Is 及其擴展通常用來作為路由協議的核心部分。H.Gharavi和B. Hu在此基礎上提出了一種能夠滿足HEM(Home Energy Management)和AMI應用的協議模型。此協議能夠很好的滿足網絡的多通道路由、實時性數據調度等性能需求。
[0007] 以上的技術能很好的適應PLC網絡滿足用戶需求，然而由于電力線信道中的信號衰減、噪聲干擾，阻抗匹配等問題，信號傳輸錯誤有高概率、時變性和突發性等特點。因此，尋找一種適合PLC網絡的高穩定性路由方法顯得相當重要。

【發明內容】

[0008] 針對以上問題，本發明專利目的在于設計了一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，可降低數據分組發送次數、減少數據分組傳輸時延，解決了電力線通信網絡場景中的通信可靠性問題。
[0009] 本發明技術方案如下：
[0010] -種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，包括：
[0011] 感知整個網絡的拓撲結構；
[0012] 根據網絡的拓撲結構為網絡源節點和目的節點選擇指定路由路徑；
[0013] 在所述指定路由路徑上除了目的節點以外的其余節點選擇節點中繼轉發集合；
[0014] 計算所述指定路由路徑上的節點可靠性概率；
[0015] 根據所述節點可靠性概率和發送節點的相對跳數，確定所述節點中繼轉發集合中轉發節點的轉發優先級；
[0016] 利用CSMA-CA多點協作機制從源節點開始對數據分組進行轉發，直到目的節點正確接收所述數據分組。
[0017] 具體的，本發明所述感知整個網絡的拓撲結構具體包括：
[0018] 初始化網絡，網絡中每個節點向周圍鄰接節點發送hello分組和自己的ID信息； [0019]鄰接節點收到hello分組后向發送節點回復一個ack分組和自己的ID信息；
[0020]發送節點根據收到的ack分組和鄰接節點ID信息，構建鄰接節點列表，并將其發送給集中控制中心；
[0021 ]集中控制中心根據每個節點的鄰接節點列表構建網絡的拓撲結構。
[0022] 具體的，本發明所述選擇指定路由路徑以最少跳數為路由選擇原則，具體包括以下步驟：
[0023] 步驟一，讀取所述網絡的拓撲結構，初始化時節點集合，令源節點集L= {S}，其余頂點集T = {其余頂點};
[0024] 步驟二，從T中選取一個與源節點S有關聯邊且權值最小的頂點vi*，加入到L中； [0025]步驟三，對T中頂點到源節點S的距離值進行修改，若加進vi*作中間頂點，從S到 vi*的距離值縮短，則修改此距離值；
[0026] 步驟四，重復上述步驟二、步驟三直到T中包含目的節點或所有頂點。
[0027] 具體的，本發明所述選擇節點中繼轉發集合具體包括以下步驟：
[0028] 步驟一，假設每個中繼集合最大元素個數為K，導入所述指定路由路徑，記所述指定路由路徑為L = (S = Ro，h，R2，…Rn，D)，其中D為目的節點，并且令i = 0，初始化中繼轉發集合Fi= Φ ;
[0029] 步驟二，如果化為目的節點D，則結束流程，否則轉步驟三；
[0030] 步驟三，如Ri為無線節點，貝ijFi = Ri+i，i = i+Ι，轉步驟二;否則令j = i+Ι，轉步驟四； [0031] 步驟四，Fi = Fi U {Rj}，如果| Fi | <K，轉步驟五，否則令i = i+1，轉步驟二；
[0032] 步驟五，如果Rj或Rj+ι是無線節點，令i = i+Ι，轉步驟二;否則轉步驟六；
[0033] 步驟六，如果Rj為目的節點，i = i+l，轉步驟二;否則轉步驟j = j+Ι，轉步驟四。
[0034] 具體的，本發明所述計算所述指定路由路徑上的節點可靠性概率具體包括以下步驟：
[0035] 步驟一丨初始化節點可靠性概率??^…^^?^^^;
[0036]步驟二，如果在一次傳輸中節點能正確接收數據并轉發，按以下公式計算節點可靠性概率pvalid;
[0037]
[0038] Pvalid - Ptemp+￡l( l_Ptemp_A);
[0039] 其中，p表示以往觀察節點狀態成功的概率；
[0040] 如果在一次傳輸中節點不能正確接收數據，則按照以下公式計算節點可靠性概率 Pvalid ：
[0041]
[0042] Pvalid - Ptemp-b (Ptemp-B);
[0043] 其中，Pvalid為節點可靠性概率，人^心^士^^是估計參數。
[0044] 具體的，本發明所述確定轉發節點的轉發優先級具體包括：
[0045] 根據^的大小確定優先級，^越大優先級越高； 11 i ni
[0046] 其中，Pvalld為節點可靠性概率，m表示集合中第i個中繼節點到發送節點的跳數。
[0047] 具體的，本發明所述利用CSMA-CA多點協作機制從源節點開始對數據分組進行轉發具體包括以下步驟：
[0048] 步驟一，首先發送端通過選擇一個隨機補償數來獲得信道接入權，并在獲得信道接入權后發送數據分組；
[0049]步驟二，在等待一段響應幀間隔RIFS之后，擁有最高權重的節點在正確解碼后優先傳輸ACK幀，如果不能正確解碼則不發送ACK;
[0050] 步驟三，如是在當前ACK傳輸周期中，下一權重中繼節點如果感知到信道空閑，并且對數據幀能正確解碼，則該節點變成實際中繼轉發節點，并發送一個ACK信號，以此來通知源節點和其他可能的中繼節點這一事實，如果不能正確解碼則不發送ACK;
[0051] 步驟四，在等待一段競爭幀間隔CIFS時隙后，發送端仍然沒有收到ACK分組，說明數據分組發送失敗，需要重新發送，如果在這之前收到ACK響應幀，說明分組發送成功。 [0052]本發明在已有路由算法的基礎上，充分利用PLC網絡的廣播特性提出了一種能提高網絡可靠性的機會接入的路由機制。
【附圖說明】
[0053]以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中：
[0054] 圖1是本發明一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法的流程圖；
[0055] 圖2是本發明實例提供的用電力線和無線通信融合的異構網絡拓撲圖；
[0056] 圖3是本發明實例提供的節點可靠性估計觀察模型；
[0057] 圖4是本發明實例提供最短路徑算法流程圖；
[0058] 圖5是本發明實例提供的節點中繼集合選擇流程圖；
[0059] 圖6是本發明實例提供的CSMA-CA多點協作過程示例；
[0060] 圖7是本發明實例提供的對于給定的路徑，傳統順序路由和機會路由策略下數據分組重傳次數隨節點平均可靠性對比圖；
[0061] 圖8是本發明實例提供的對于給定的路徑，傳統順序路由和機會路由策略下數據分組傳輸時延隨節點平均可靠性對比圖。
【具體實施方式】
[0062] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0063] 本發明公開了一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，包括：電力線網絡拓撲結構的靜態感知過程;從源節點到目的節點之間的路由選擇;為已確定路徑上節點選擇中繼集合;基于HMM模型的節點可靠性預測;根據節點可靠性確定中繼優先級;利用CSMA-CA協作機制轉發數據分組。本發明適用于解決電力線場景中的分組可靠傳輸問題，能夠有效地降低分組傳輸次數，并在節點可靠性較低的情況下減少傳輸時延提高傳輸效率。
[0064] 請參閱圖1，本發明一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法包括以下步驟：
[0065] S101:集中控制中心感知整個網絡的拓撲結構，并記錄每次路由節點的工作狀態；
[0066] S102:根據業務特性和網絡的拓撲結構為網絡源節點和目的節點選擇指定路由路徑；
[0067] S103:在所述指定路由路徑上除了目的節點以外的其余節點選擇節點中繼轉發集合；
[0068] S104:根據節點狀態的歷史觀測記錄預測計算所述指定路由路徑上的節點可靠性概率；
[0069] S105:根據所述節點可靠性概率和發送節點的相對跳數，確定所述節點中繼轉發集合中轉發節點的轉發優先級；
[0070] S106:利用CSMA-CA多點協作機制從源節點開始對數據分組進行轉發，直到目的節點正確接收數據分組。
[0071] 下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步的描述。
[0072] 如圖2所示，本發明給出了電力線和無線網絡融合的異構網絡拓撲模型。圖中總共包含N = 33個網絡節點。同時我們認為節點位置靜止的，并且他們的位置信息能夠被其他節點感知。同時，如果一個節點接收到一個數據分組，他能夠根據路由信息，決定是將數據分組進行緩存還是轉發。在這里網絡節點類型按照其功能主要分為三類：
[0073] (1)家庭網關節點：該節點支持PLC通信協議以及無線通信協議，實現PLC網絡和家庭無線網絡之間的信息交換和傳遞功能。
[0074] (2)無線網絡節點：該節點只支持WLAN通信協議，通過家庭網關節點和PLC網絡進行信息傳遞。在無線網絡中，可以作為終端設備，也能作為協作設備對數據分組進行轉發。
[0075] (3) PLC網絡節點：該節點只支持PLC通信網絡協議，通過家庭網關節點和無線網絡進行信息傳遞。在PLC網絡中，可以作為通信終端，也可以作為PLC網絡的中繼節點對信息進行轉發。
[0076] 如圖3所示，本發明給出了一種對電力線信道節點狀態觀察模型，在此基礎上我們可以根據此觀察模型的觀測結果，定義并估計節點可靠性概率p vaild。其中S代表節點狀態，B 代表預測概率，〇代表觀察到的情況，A代表根據預測和狀態采取的行為。可以通過以下三個步驟來實現對節點的可靠性參數Pvalid的估計，其中λο、λ:、a、b、A、B是估計參數。
[0077] 步驟 1，初始化(Xpvaiid<l，通常pvaiid = 0.5;
[0078]步驟2，如果在一次傳輸中節點能正確接收數據并轉發，按以下公式更新更新 pvalld，其中P表示以往觀察節點狀態成功的概率。
[0079]
[0080] Pvalid - Ptemp+￡l( l_Ptemp_A);
[0081] 如果在一次傳輸中節點不能正確接收數據，則按照以下更新Pvalld。
[0082]
[0083] Pvalid - Ptemp-b (Ptemp-B) 〇
[0084] 為了防止機會路由策略在路由時有多徑效應，這一現象會導致數據分組重復發生而降低網絡效率，為了彌補這一缺陷，在為每個節點選擇中繼集合時需要先確定一條單一的路由路徑，然后從此路徑的節點中選擇中繼集合中的元素。這里我們選擇最短路徑算法來確定這一條路徑，如圖4所示。具體分為如下幾個步驟：
[0085] 步驟1，初始化時網絡拓撲，令源節點集L={S}，其余頂點集T= {:其余頂點};
[0086] 步驟2,從Τ中選取一個與源節點s有關聯邊且權值最小的頂點νΛ加入至ijL中； [0087]步驟3,對其余T中頂點到s的距離值進行修改:若加進V，作中間頂點，從，s到^的距離值縮短，則修改此距離值；
[0088] 步驟4，重復上述步驟2、3，直到中包含目的節點或所有頂點。
[0089] 圖5給出節點中繼集合選擇過程。由于PLC節點和無線節點無法直接通信，在中繼集合選擇時必須加以特殊考慮。具體分為如下幾個步驟，這里假設每個中繼集合最大元素個數為K:
[0090] 步驟1，導入源節點到目的節點之間用最短路徑算法所確定的路徑，記該路徑為L =(3 =尺〇，1?1，1?2，-"1^，0)，并且令1 = 0，初始化中繼集合卩1=傘；
[0091] 步驟2，如果心為目的節點D，則結束流程，否則轉步驟3;
[0092] 步驟3，如Ri為無線節點，貝ijFi = Ri+i，i = i+Ι，轉步驟2;否則令j = i+Ι，轉步驟4;
[0093] 步驟4，Fi = Fi U {Rj}。判斷I Fi I <K，轉步驟5，否則令i = i+1，轉步驟2;
[0094] 步驟5，如果Rj或Rj+1是無線節點，令i = i+1，轉步驟2;否則轉步驟6;
[0095]步驟6，如果Rj為目的節點，i = i+Ι，轉步驟2;否則轉步驟j = j+Ι，轉步驟4。
[0096] 圖6則給出節點CSMA/CA多點協作過程。
[0097] 首先發送端通過選擇一個隨機補償數來獲得信道接入權。當發送端發送完成以后，預期中的接收端在等待一段響應幀間隔(RIFS)后會反饋一個ACK信息。然后，再等待一段競爭幀間隔（CIFS)后，信道將進入新的競爭階段。協議使用快速時隙認真機制(FSA)。在此接入路由協議中，每個預期中的中繼節點都有一個ACK傳輸周期。在RIFS之后，擁有最高權重的節點在正確解碼后優先傳輸ACK幀。其他的中繼節點在比其擁有高權重的中繼節點對數據幀解碼失敗后，才獲得中繼權限，成為實際上的中繼轉發節點。其具體過程如下在當前ACK傳輸周期中，下一權重中繼節點如果感知到信道空閑，并且對數據幀能正確解碼，則該節點變成實際中繼轉發節點，并發送一個ACK信號，以此來通知源節點和其他可能的中繼節點這一事實。在圖中，當次權重中繼節點(轉發中繼2)在ACK時隙感知到信道空閑，則他發送一個ACK信號。第三權重中繼節點（轉發中繼3)雖然能正確解碼數據幀，但他會感知到信道處于忙狀態，則會放棄發送ACK信號。這時源節點同樣會接收到ACK信號，這樣源節點就知道其所發出的的數據幀被成功轉發了。
[0098]下面結合仿真對本發明的應用效果做進一步的說明：
[0099] 1、仿真條件：
[0100]本發明的仿真拓撲如圖2所示，傳輸時延參數假設T = 90ms，Ts = 50ms，源節點為節點1，目的節點為節點22,具體仿真結果如下。
[0101]圖7是本發明實例提供的對于給定的路徑，傳統順序路由和機會路由策略下數據分組重傳次數隨節點平均可靠性對比圖。可以看出在該路徑上，數據平均傳輸次數都隨著節點的可靠性增強而降低，但是機會路由具有更少的數據重傳次數。節點可靠性P越小，機會路由對網絡性能的增益越高。對于平均傳輸次數，當P接近并等于1時，這兩種策略的效率開始接近并最終相等。
[0102] 圖8是本發明實例提供的對于給定的路徑，傳統順序路由和機會路由策略下數據分組傳輸時延隨節點平均可靠性對比圖。可以看出在該路徑上，數據傳輸時延隨著節點的可靠性增強而降低，但是機會路由具有低的數據傳輸時延。同時節點可靠性P越小，機會路由對網絡性能的增益越高。對于平均傳輸時延，由于在機會路由中T s的存在，機會路由中每一次的數據傳輸需要消耗更多時間，因此機會路由的增益會隨著P的增大而逐漸減小并最終變為負增益。
[0103] 以上所述本發明的【具體實施方式】，并不構成對本發明保護范圍的限定。任何根據本發明的技術構思所做出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，包括：感知整個網絡的拓撲結構；根據網絡的拓撲結構為網絡源節點和目的節點選擇指定路由路徑；在所述指定路由路徑上除了目的節點以外的其余節點選擇節點中繼轉發集合；計算所述指定路由路徑上的節點可靠性概率；根據所述節點可靠性概率和發送節點的相對跳數，確定所述節點中繼轉發集合中轉發節點的轉發優先級；利用CSMA-CA多點協作機制從源節點開始對數據分組進行轉發，直到目的節點正確接收所述數據分組。2. 根據權利要求1所述的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，所述感知整個網絡的拓撲結構具體包括：初始化網絡，網絡中每個節點向周圍鄰接節點發送hello分組和自己的ID信息；鄰接節點收到he I Io分組后向發送節點回復一個ack分組和自己的ID信息；發送節點根據收到的ack分組和鄰接節點ID信息，構建鄰接節點列表，并將其發送給集中控制中心；集中控制中心根據每個節點的鄰接節點列表構建網絡的拓撲結構。3. 根據權利要求1所述的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，所述選擇指定路由路徑以最少跳數為路由選擇原則，具體包括以下步驟：步驟一，讀取所述網絡的拓撲結構，初始化時節點集合，令源節點集L= {S}，其余頂點集T= {:其余頂點}; 步驟二，從T中選取一個與源節點S有關聯邊且權值最小的頂點vi*，加入到L中；步驟三，對T中頂點到源節點S的距離值進行修改，若加進vi*作中間頂點，從S到vi*的距離值縮短，則修改此距離值；步驟四，重復上述步驟二、步驟三直到T中包含目的節點或所有頂點。4. 根據權利要求1所述的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，所述選擇節點中繼轉發集合具體包括以下步驟：步驟一，假設每個中繼集合最大元素個數為K，導入所述指定路由路徑，記所述指定路由路徑為L =( S = Ro，R1，R2，…Rn，D )，其中D為目的節點，并且令i = 0，初始化中繼轉發集合Fi =Φ ；步驟二，如果R1為目的節點D，則結束流程，否則轉步驟三；步驟三，如Ri為無線節點，貝1jFi = Ri+i，i = i+Ι，轉步驟二;否則令j = i+Ι，轉步驟四；步驟四，Fi = Fi U {Rj}，如果I Fi I <K，轉步驟五，否則令i = i+Ι，轉步驟二；步驟五，如果Rj或Rj+i是無線節點，令i = i+Ι，轉步驟二;否則轉步驟六；步驟六，如果Rj為目的節點，i = i+Ι，轉步驟二;否則轉步驟j = j+Ι，轉步驟四。5. 根據權利要求1所述的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，所述計算所述指定路由路徑上的節點可靠性概率具體包括以下步驟：步驟一，初始化節點可靠性概率Pvalid，(XpvalidS 1 ; 步驟二，如果在一次傳輸中節點能正確接收數據并轉發，按以下公式計算節點可靠性概率 P valid;Pvalid - Ptemp+￡l( I-Ptemp-A); 其中，P表示以往觀察節點狀態成功的概率；如果在一次傳輸中節點不能正確接收數據，則按照以下公式計算節點可靠性概率 Pvalid ：Pvalid - Ptemp-b ( Ptemp-B ); 其中，pvaiid為節點可靠性概率，λο、A1、a、b、A、B是估計參數。6. 根據權利要求1所述的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，所述確定轉發節點的轉發優先級具體包括：其中，Pvalld為節點可靠性概率，m表示集合中第i個中繼節點到發送節點的跳數。7. 根據權利要求1所述的一種提高通信網絡可靠性的機會路由方法，其特征在于，所述利用CSM-CA多點協作機制從源節點開始對數據分組進行轉發具體包括以下步驟：步驟一，首先發送端通過選擇一個隨機補償數來獲得信道接入權，并在獲得信道接入權后發送數據分組；步驟二，在等待一段響應幀間隔RIFS之后，擁有最高權重的節點在正確解碼后優先傳輸ACK幀，如果不能正確解碼則不發送ACK; 步驟三，如是在當前ACK傳輸周期中，下一權重中繼節點如果感知到信道空閑，并且對數據幀能正確解碼，則該節點變成實際中繼轉發節點，并發送一個ACK信號，以此來通知源節點和其他可能的中繼節點這一事實，如果不能正確解碼則不發送ACK; 步驟四，在等待一段競爭幀間隔CIFS時隙后，發送端仍然沒有收到ACK分組，說明數據分組發送失敗，需要重新發送，如果在這之前收到ACK響應幀，說明分組發送成功。
【文檔編號】H04L12/721GK105933224SQ201610237971
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】臧志斌, 林大朋, 付衛東, 唐如意, 臧艷偉, 王道遠
【申請人】國網河北省電力公司, 深圳市國電科技通信有限公司, 國家電網公司

完整全部詳細技術資料下載