CN101647238A - 用于多无线收发装置多信道多跳无线网络的无线收发装置和带宽感知路由度量 - Google Patents

Abstract

一种用于建立数据遍历无线网络所用的端对端路由的方法和系统，包括：计算链路代价函数；使用所述计算出的链路代价函数计算量化链路代价函数；计算数据遍历该无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价，其中多个端对端路由包括所述无线网络中同一组节点之间的路由，其中数据遍历所述无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价是通过使用量化链路代价函数来执行的；以及基于数据遍历所述无线网络的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价，从所述多个端对端路由中选择一条路由。同时描述了在无线网络中被配置用于参与建立数据遍历所述无线网络所用的双向端对端路由的一个节点。

Description

用于多无线收发装置多信道多跳无线网络的无线收发装置和带宽感知路由度量

技术领域

本发明涉及用于无线网络的无线收发装置和流量感知路由度量，特别是涉及一种用于选择数据遍历无线网状网络的路由或路线的方法和装置，其中一个或多个节点具有多个无线收发装置，每个无线收发装置在一个或多个不同的信道上运行，或者其中一个或多个节点具有在一个或多个信道上运行的单个无线收发装置。

技术背景

目前，大多数的网状路由协议(mesh routing protocol)使用最小跳跃数作为度量(metric)来决定选择哪条路线(path)/路由(route)。这里使用的“/”表示相同或相似成分的可替换的名称。使用这种方式，不考虑无线链路(radio link)的质量、链路的流量负载和有效带宽。选择具有最小跳跃数的路由来转发数据包或帧形式的数据。然而，由于最小跳跃数路由总是会包括远程节点之间的无线链路，并且路由上的链路质量不好，因此最小跳跃数路由可能具有不良的性能。具有长物理跨度的无线链路会产生数据的丢失，导致大量重发和低的物理层数据速率。许多无线收发装置(radio)传输系统，例如IEEE 802.11和IEEE 802.16无线收发装置，根据链路质量来调节物理层的数据速率。与选择具有较多跳跃但链路质量更好的路由相比，这样实际上导致吞吐量不良并且降低了网络的利用效率。

在先有技术中，已经使用命名为“期望传输次数”(ETX)的度量作为路由度量。ETX估算经由无线链路成功发送数据包所需的MAC层传输的期望次数。选择沿着路线的所有链路的ETX估算之和最小的路由(ETX代价最小的路线)。ETX会捕捉到链路丢包率的影响，但不考虑链路的传输速率差异和有效带宽。

据另一个报导的先有技术方案，已经提出命名为“期望传输时间”(ETT)的度量，通过考虑到链路传输速率的差异来改善ETX。链路的ETT被定义为成功地在链路上发送数据包所需的期望的MAC层持续时间。路由的代价是沿着路由的所有链路的ETT之总和。ETT考虑到链路传输速率的差异的影响。然而，它不能完全捕捉到链路的流量负载和有效带宽以及网络中由于共享介质产生的串扰的影响。在路由中可能选择了重负载链路，使得这些重负载链路的负载更多而发生拥塞。

在先前的相关申请中，描述了加权的无线收发装置和流量负载感知(weighted radio and traffic load aware(WRALA))路由度量。所述度量捕捉到网状网络中无线链路各个方面的影响，包括链路的无线传输速率、丢包率、流量负载和有效宽带以及由于网络中共享介质产生的串扰的影响。

然而，上述任何一种路由度量都没有考虑到多无线收发装置(multi-radio)多信道(multi-channel)对路由性能的影响。在网状网络中，一个节点/网点可以配置有多个无线收发装置，并且每个无线收发装置都能够在不同的信道/频率上运行，从而提高网络容量。与具有单个无线收发装置的节点不同，多无线收发装置多信道节点能够在一个信道上接收数据包的同时，在另一个信道上发送数据包。因此，优选的是选择一个具有多无线收发装置的中继节点，其中每个无线收发装置在不同的信道上运行。此外，即使一个节点具有单个无线收发装置，具有一个能够在多信道上运行的无线收发装置的节点可以在一个信道上接收数据，然后切换到另一个信道上转发/中继/发送该数据。

有利的是有一个用于选择数据遍历网状网络的路由的系统，该系统使用的度量不但感知流量和带宽，而且捕捉到具有多个无线收发装置的一个或多个节点的影响，其中每个无线收发装置在不同的信道上运行，或其中一个或多个节点具有在多个信道上运行的单个无线收发装置。

发明内容

在多无线收发装置多信道无线网状网络中，需要选择单跳跃或多跳跃路线以数据包或帧的形式来转发从源节点/网点的数据到目的节点/网点。该路线/路由选择是基于一种度量。这种路由度量对于优化网状网络中的路由和转发机制的设计是很重要的。本发明描述了捕捉到多无线收发装置多信道对路由性能影响的无线收发装置和带宽感知度量，以及使用所述度量来选择数据遍历网状网络的路由的装置和方法。尽管使用无线网状网络作为一个例子来解释本发明，应当指出本发明中的度量不限于无线网状网络。本发明还能够用于其他网络拓扑，例如，用于选择树型多跳跃无线网络中节点和树的根节点之间的路由。

由于链路质量和流量负载是动态的，路由度量的值会经常改变，这会导致路由的不稳定。即使面对迅速改变的链路质量和负载变化，确保具有优良路由性能的路由稳定性是很重要的。因此本发明还描述了通过量化路由度量来快速响应链路状态和网络拓扑变化，同时保持路由稳定性的方法。

描述了用于建立数据遍历无线网络的端对端路由的方法和系统，包括计算链路代价函数；使用计算出的链路代价函数计算量化链路代价函数；计算数据遍历无线网络的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价，其中多个端对端路由包括无线网络中不同信道上同一组节点之间的路由，其中数据遍历无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价是通过使用量化链路代价函数来执行的；以及基于数据遍历所述无线网络的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价，从所述多个端到端路由中选择一条路由。同时描述了在无线网络中被配置用于参与建立数据遍历所述无线网络所用的双向端对端路由的一个节点，包括用于测量所述节点的每个信道的质量和利用率的装置，每个节点具有多个信道；使用所述测量出的所述每个信道的质量和利用率来计算路由度量的装置；通过所述计算出的路由度量更新路由表的装置；基于路由表，选择数据遍历无线网络所用的双向端对端路由的装置。同时还描述了用于建立数据遍历无线网络所用的端对端路由的方法和系统，包括计算链路代价函数；计算数据遍历该无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的代价，其中多个端对端路由包括所述无线网络中不同信道上同一组节点之间的路由，其中数据遍历所述无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的代价是通过使用链路代价函数来执行的；以及基于数据遍历无线网络的所述多个端对端路由中的每一条路由的代价，从所述多个端对端路由中选择一条路由。

附图说明

结合附图，通过下文详细的描述能够更好地理解本发明。附图包括下文附图标记的简要概述：

图1是根据本发明原理建立双向端对端路由的方法流程图。

图2是本发明计算链路代价函数过程的流程图。

图3是本发明使用的确定信道加权函数的流程图。

图4是本发明信道估算的流程图。

图5是本发明计算量化链路代价函数的流程图。

图6是本发明计算路由量化代价的流程图。

图7是无线网状网络的示意图。

图8是具有根据本发明原理操作的模块的无线网状网络的节点的方框图。

具体实施方式

假设t_oh表示介质访问控制(MAC)和物理层上的协议开销(protocoloverhead)的参数。假设S表示测试帧/数据包的大小。如果指定IEEE802.11a无线传输系统，例如，T_oh可以是185μs。为简单起见，T_oh也可以设置为0。测试数据包的大小S可以是一个预先确定和预先设定的常数，例如，8224比特。还可以选择测试帧/数据包的大小作为通过一个节点传输的数据包的平均量或最大量。此外，假设R表示在当前信道条件下，所述节点传输标准量S的数据包或帧形式的数据用的链路数据速率。该链路数据速率取决于本地设备适应的链路速率。假设E_r表示所述节点以传输速率R传输标准量S的数据包/帧(数据)时的数据包/帧差错率。数据是由比特信息组成。为了便于传输，数据由数据包或帧组成。E_r能够由网状网络中的一个节点在本地来测量和/或估算。ρ表示与信道有效带宽有关的链路信道的负载/利用率。本发明的路由度量是加权无线收发装置和带宽感知(Radioand Bandwidth Aware(RABA))链路代价函数。无线链路L的RABA代价函数能够根据下述式子计算出来：

$\mathrm{RABA}\left(L\right)=(T_{\mathrm{oh}}+\frac{S}{R})\×W_1\left(\mathrm{\ρ}\right)\×W_2\left(E_r\right)---\left(1\right)$

其中W₁(ρ)和W₂(E_r)分别是信道利用率ρ和数据包/帧差错率Er的两个加权函数。W₁(ρ)的一些可能的形式是：

(a)W₁(ρ)＝1

在这种条件下，所有链路在信道利用率方面的加权相等。

(b) $W_1\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{1}{1-\mathrm{\ρ}}$

在这种条件下，随着信道负载/利用率的增加而增加给予链路的加权。

(c) $W_1\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\&rho;}\&le;{\mathrm{\&rho;}}_0\\ \frac{1}{1-\mathrm{\&rho;}}& {\mathrm{\&rho;}}_0<\mathrm{\&rho;}\&le;{\mathrm{\&rho;}}_{\max }\\ \&infin;& \mathrm{\&rho;}>{\mathrm{\&rho;}}_{\max }\end{array}\right.$

在这种条件下，信道负载/利用率小于ρ₀的链路加权相等。信道负载/利用率在ρ₀和ρ_max之间的链路被给予的加权随着它们的信道负载/利用率增加而增加。在选择路线时，不考虑信道利用率大于ρ_max的链路，因为它们的代价是无穷大的。通常，系统设计者能够根据一些目标网络收入和应用软件需求选择适当值的ρ_max和ρ₀。

类似的，W₂(E_r)的一些可能的形式是：

(a)W₂(Er)＝1；

在这种条件下，所有链路在数据包误码率方面的加权相等。

(b) $W_2\left(\mathrm{Er}\right)=\frac{1}{1-\mathrm{Er}}$

在这种条件下，随着链路的数据包误码率增加而增加给与它们的加权。

(c) $W_2\left(\mathrm{Er}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{Er}{\&le;E}_0\\ \frac{1}{1-\mathrm{Er}}& E_0<\mathrm{Er}{\&le;E}_{\max }\\ \&infin;& \mathrm{Er}>E_{\max }\end{array}\right.$

在这种条件下，数据包/帧差错率小于E₀的链路加权相等。数据包/帧差错率在E₀和E_max之间的链路被给予的加权随着它们的数据包/帧差错率增加而增加。链路选择中不考虑数据包误码率大于E_max的链路，因为它们的代价是无穷大的。通常，系统设计者能够根据一些目标网络收入和应用软件需求选择适当的E₀和E_max值。

应当指出加权函数W₁(ρ)和W₂(E_r)不限于上述形式，它们也能够以其他形式。

RABA链路代价函数表示一种复合路由度量，其捕捉到在具体链路上发送数据数据包/帧所消耗的无线资源(Radio Resource)的总量以及链路的负载和可用带宽。RABA链路代价函数考虑到共享无线介质中的数据流之间的串扰(inter-flow interference)。在选择路线/路由时，倾向于选择具有更高链路数据速率、更高有效带宽和较低数据包误码率的路线/路由。

由于链路/信道质量和负载的变化，RABA的值频繁地改变。如果直接使用RABA作为路由度量，该路由会频繁地改变，从而导致路由的不稳定。本发明还包括不但实现快速响应链路状态和网络拓扑变化而且保持路由稳定性的方法。为了提高路由稳定性，使用量化的RABA作为链路代价函数。链路L的量化RABA(QRABA)可以用公式表示为：

QRABA(L)＝Ceiling(M×RABA(L)/Q)          (2)

或者

$\mathrm{QRABA}\left(L\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Ceiling}(M\&times;\mathrm{RABA}\left(L\right)/Q)& \mathrm{Ceiling}(M\&times;\mathrm{RABA}\left(L\right)/Q)\&le;M\\ \&infin;& \mathrm{Ceiling}(M\&times;\mathrm{RABA}\left(L\right)/Q)>M\end{array}\right.---\left(3\right)$

或者

$\mathrm{QRABA}\left(L\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Ceiling}(M\&times;\mathrm{RABA}\left(L\right)/Q)& \mathrm{Ceiling}(M\&times;\mathrm{RABA}\left(L\right)/Q)\&le;M\\ M+1& \mathrm{Ceiling}(M\&times;\mathrm{RABA}\left(L\right)/Q)>M\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中M是量化等级数而Q是量化因子。通常，系统设计者能够根据路由稳定性和链路状态的网络响应时间的一些指标权衡以及拓扑变化选择适当值的M和Q。例如，期望的量化等级M可以是16，而Q可以是最大值或在RABA(L)范围内。为了使用有限的比特位(固定长度的字段)来表示QRABA的值，如果QRABA的值大于M+1，QRABA的值可以取到M+1。

节点能够估算其通往相邻节点的链路所使用的信道的负载/利用率。估算信道负载/利用率的一种可行方法是使用信道占用时间(channel busytime)。由于无线信道的共享属性，当串扰范围内的任何一个节点执行传输时该信道被占用。当一个节点使用信道以帧或数据包的形式在一个信道上传输数据时，则这个信道被占用。串扰范围内的其他节点不能够同时以相同频率传输，否则会发生冲突并且所传输的帧/数据包(数据)会发生错误。此外，一个节点可以接收来自其他节点的控制消息，其中该节点保留该信道一段时间。如果一个节点处于下述状态之一，则该信道被占用。第一种状态，该节点正在使用这个信道/频率发送或接收数据。第二种状态，该节点收到来自其他节点的控制/管理消息，要保留该信道一段时间。第三种状态，该节点检测到这个信道/频率上有信号强度大于阈值的占用载波(busycarrier)。在测量周期T_p期间，如果估算的信道占用时间为T_busy，则信道负载是ρ＝T_busy/T_p。

一个从源节点到目的节点的路线包括多个链路Li和中间节点Ni。Li表示沿着该路由/路线，节点Ni和它的前一个跳跃Ni-1之间的链路。路线P的RABA代价可以由如下式子计算得出：

$\mathrm{RABA}\left(P\right)=\underset{\mathrm{Li}\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}[{\mathrm{\&alpha;}}_1(f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Li}+1})\&times;\mathrm{RABA}\left(\mathrm{Li}\right)+{\mathrm{\&alpha;}}_2(f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Li}+1})]---\left(5\right)$

如果使用量化来提高路由的稳定性，路线P的QRABA代价可以由如下式子计算得出：

$\mathrm{QRABA}\left(P\right)=\underset{\mathrm{Li}\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}[{\mathrm{\&alpha;}}_1(f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Li}+1})\&times;\mathrm{QRABA}\left(\mathrm{Li}\right)+{\mathrm{\&alpha;}}_2(f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Li}+1})]---\left(6\right)$

其中链路Li+1是沿着路线P紧跟着链路Li的下一个链路，f_Li和f_Li+1表示分别指定给链路Li和Li+1的信道/频率。α₁(f_Li，f_Li+1)和α₂(f_Li，f_Li+1)是两个信道变化加权(CCW)函数，取决于指定给沿着所述路线的两个连续链路的信道/频率。α₁(f_Li，f_Li+1)的一些可行形式是：

(a)α₁(f_Li，f_Li+1)＝1

在这种条件下，所有链路在被分配的用于传输的信道方面的加权相等。

(b) ${\mathrm{\&alpha;}}_1(f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Li}+1})=\left\{\begin{array}{ccccc}{a}_1& \mathrm{if}& \mathrm{Li}=\mathrm{LastLink}& & \\ b_1& \mathrm{if}& f_{\mathrm{Li}}=f_{\mathrm{Li}+1}& & \\ c_1& \mathrm{if}& f_{\mathrm{Li}}\&NotEqual;f_{\mathrm{Li}+1}& \mathrm{and}& \sin \mathrm{gle}-\mathrm{radio}\\ d_1& \mathrm{if}& f_{\mathrm{Li}}\&NotEqual;f_{\mathrm{Li}+1}& \mathrm{and}& \mathrm{multi}-\mathrm{radio}\end{array}\right.$

在这种条件下，对于沿着路线的LastLink，也就是，目的节点在其上接收数据包/帧(数据)的链路，CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)等于a₁。应当指出目的节点不会再次转发数据。如果沿着路线的两个连续链路Li和Li+1使用相同的信道/频率，也就是，中间节点Ni接收来自具有信道/频率f_Li的链路Li的数据，并且在具有信道/频率f_Li+1＝f_Li的链路Li+1上转发/发送数据，CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)等于b₁。如果沿着路线的两个连续链路Li和Li+1使用不同的信道/频率，但是具有相同的无线收发装置，也就是，中间节点Ni使用一个无线接口(radio interface)接收来自具有信道/频率f_Li的链路Li的数据，并且使用相同的无线接口在具有信道/频率f_Li+1≠f_Li的链路Li+1上转发/发送数据，CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)等于c₁。如果沿着路线的两个连续链路Li和Li+1使用不同的信道/频率和不同的无线收发装置，也就是，中间节点Ni使用一个无线接口接收来自具有信道/频率f_Li的链路Li的数据，并且使用不同的无线接口在具有信道/频率f_Li+1≠f_Li的链路Li+1上转发/发送数据，CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)等于d₁。a₁、b₁、c₁和d₁是能够由系统设计者预先确定的设计参数。例如，a₁＝1，b₁＝2，c₁＝1.5和d₁＝1。在连续链路上使用相同信道/频率和相同无线收发装置的路线被给予的加权/代价高于在连续链路上使用不同信道/频率和不同无线收发装置的路由被赋予的加权/代价。

类似的，α₂(f_Li，f_Li+1)的一些可行形式是：

(a)α₂(f_Li，f_Li+1)＝0

在这种条件下，所有链路在指定的用于传输的信道方面加权相等。

(b) ${\mathrm{\&alpha;}}_2(f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Li}+1})=\left\{\begin{array}{ccccc}{a}_2& \mathrm{if}& \mathrm{Li}=\mathrm{LastLink}& & \\ b_2& \mathrm{if}& f_{\mathrm{Li}}=f_{\mathrm{Li}+1}& & \\ c_2& \mathrm{if}& f_{\mathrm{Li}}\&NotEqual;f_{\mathrm{Li}+1}& \mathrm{and}& \sin \mathrm{gle}-\mathrm{radio}\\ d_2& \mathrm{if}& f_{\mathrm{Li}}\&NotEqual;f_{\mathrm{Li}+1}& \mathrm{and}& \mathrm{multi}-\mathrm{radio}\end{array}\right.$

在这种条件下，对于沿着路线的LastLink，也就是，目的节点在其上接收数据的链路，CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)等于α₂。应当指出，目的节点不会再次转发数据。如果沿着路线的两个连续链路Li和Li+1使用相同的信道/频率，也就是，中间节点Ni接收来自具有信道/频率f_Li的链路Li的数据，并且在具有信道/频率f_Li+1＝f_Li的链路Li+1上转发/发送数据，CCW函数α₂(f_Li，f_Li+1)等于b₂。如果沿着路线的两个连续链路Li和Li+1使用不同的信道/频率，但是具有相同的无线收发装置，也就是，中间节点Ni使用一个无线接口接收来自具有信道/频率f_Li的链路Li的数据，并且使用相同的无线接口在具有信道/频率f_Li+1≠f_Li的链路Li+1上转发/发送数据，CCW函数α₂(f_Li，f_Li+1)等于c₂。如果沿着路线的两个连续链路Li和Li+1使用不同的信道/频率和不同的无线收发装置，也就是，中间节点Ni使用一个无线接口接收来自具有信道/频率f_Li的链路Li的数据，并且使用不同的无线接口在具有信道/频率f_Li+1≠f_Li的链路Li+1上转发/发送数据，CCW函数α₂(f_Li，f_Li+1)等于d₂。a₂、b₂、c₂和d₂是能够由系统设计者预先确定的设计参数。例如，a₂＝0，b₂＝5，c₁＝3，d₁＝0。在连续链路上使用相同信道/频率和相同无线收发装置的路线/路由被赋予的加权/代价高于在连续链路上使用不同信道/频率和不同无线收发装置的路线/路由被赋予的加权/代价。

应当指出CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)和α₂(f_Li，f_Li+1)不限于上述形式，它们也能够是其他形式。

路线/路由度量中的CCW函数α₁(f_Li，f_Li+1)和α₂(f_Li，f_Li+1)捕捉到到多无线收发装置多信道和数据流之间及之内的串扰对网络容量的影响。本发明路线/路由选择方案中优先选择的是使用不同信道和多个无线收发装置的路线/路由。应当指出单个无线收发装置和单个信道是本发明多无线收发装置多信道的特殊例子。

图1是根据本发明原理建立双向端对端路由的方法流程图。在105计算出如上所述的链路代价函数。在110计算的结果用于计算量化链路代价函数。在115使用量化链路代价计算量化路由代价。在120基于所计算的路由代价选择最佳的用于数据遍历无线网络的双向端对端路由。

图2是本发明计算链路代价函数过程的流程图。在205确定介质访问控制和物理层上的协议开销(overhead)。在210确定数据包/帧(数据)量。在215定期地确定链路数据速率。在220定期地确定数据包/帧差错率。在225确定信道利用率的加权函数。即，从多个有效加权函数中选择有效的加权函数，并且确定要用于计算具体链路的链路代价函数的加权。然后在230确定数据包/帧差错率的加权函数。再一次，从多个有效加权函数中选择有效的加权函数，并且确定要用于计算具体链路的链路代价函数的加权。

图3是本发明使用的确定信道利用率的加权函数的流程图。在305定期地估算信道利用率。

图4是本发明信道估算的流程图。在405确定信道测量周期，然后在410定期地确定信道占用时间。这两个确定结果被用于定期地估算信道利用率。

图5是本发明计算量化链路代价函数的流程图。在505确定量化等级数并且在510确定量化因子。在515这两个值被用于计算量化链路代价函数。

图6是本发明计算路由代价的流程图。在605确定第一信道变化加权函数，并且在610确定第二信道变化加权函数。这两个值被用于计算路由代价。

本发明的QRABA路线/路由度量能够被应用于选择无线网状网络中的路线/路由。QRABA路由度量能够被并入路由协议/算法的设计中，包括用于选择路线/路由的按需(on-demand)、先验(proactive)和混合路由协议。选择源节点/网点和目的节点/网点之间QRABA值最小的路线/路由。如果存在多个具有同样最小的QRABA值的路线/路由，则选择具有最小跳跃数的路线。

参考图7，示出了有助于理解本发明的一个网状网络的例子。例如，从节点A到节点C的路线由链路AB、BC和中间节点B组成。

例如，如果QRABA路线度量被并入到一个先验链路状态路由协议中，例如，最佳的链路状态路由(Optimized Link State Routing(OLSR))协议和开放式最短路线优先(Open Shortest Path first(OSPF))协议，需要估算网状网络中每个链路的QRABA链路代价。网状网络中的节点在其本地估算它通往每个相邻节点的QRABA链路代价，并且发布其通往每个相邻节点的链路的QRABA代价和信道/频率给网络中的其他节点，作为路由控制消息中链路状态信息的一部分。每个节点保留一个路由/转发表，其允许节点以数据包或帧的形式转发目的地为网络中的其他节点的数据。基于每个节点产生的缓存的链路状态信息产生和更新路由/转发表。如果使用本发明的QRABA作为路线度量，节点使用公式(6)计算通往目的地的路线/路由。如图7所示的例子，节点A具有两条路线通往目的节点C，A-B-C和A-D-E-F-C。链路BC的质量相当差和/或链路BC上的负载相当高和/或链路BC的有效带宽相当小和/或分配给链路AB和BC相同的信道/频率，使得路线A-B-C的QRABA代价高于路线A-D-E-F-C的QRABA代价。即使路线A-B-C的跳跃少于路线A-D-E-F-C，节点A会选择路线A-D-E-F-C以数据包或帧的形式转发数据到目的节点C。在节点A的路由表中，下一个跳跃是节点D而不是节点B到目的节点C。

另一个例子是QRABA路线度量并入到诸如Ad-Hoc按需距离矢量(on-Demand Distance Vector(AODV))协议的按需路由协议。当一个源节点希望发送数据包或帧形式的数据到某个目的节点时，发现、产生并保留QRABA路线代价值最小的路线。每个节点具有确定通往其相邻节点的QRABA链路代价的机制，并且了解每个链路动态或静态所使用的信道/频率。当一个源节点希望发送数据到某个目的节点，并且没有有效的路由通往这个目的地时，源节点通过向网络中的所有节点泛发路由请求(RREQ)消息来发起路由发现。除了其他信息之外，目的地址、路由度量字段和跳跃计数字段包括在RREQ消息中。应当指出每个节点可以接收由源节点产生的多条相同RREQ。这些RREQ中的每一个都遍历从源节点到接收节点的一条唯一路径。接收节点可以是目的节点或是一个中间节点。当一个中间节点Ni收到RREQ时，基于公式(6)更新其度量字段。特别地，中间节点Ni将它从中接收RREQ消息的节点和它自己之间的加权链路代价，α₁(f_Li，f_Li+1)×QRABA(L_i)+α₂(f_Li，f_Li+1)，加到RREQ度量字段中的值上。信道变化加权函数α₁(f_Li，f_Li+1)和α₂(f_Li，f_Li+1)取决于接收RREQ的链路信道/频率和无线接口以及向网络转发(再次泛发(re-flood))RREQ的无线接口。如果中间节点没有一条通往源节点的反向路由(reverse route)，则该中间节点建立一条其通往源节点的反向路由，或者如果这个RREQ表示比当前通往源节点的路由更好的一条新路由，则更新该中间节点通往该源节点的反向路由。中间节点转发(再次泛发(re-flood))更新后的RREQ。转发的(再次泛发的)RREQ中的度量字段是已更新的度量，其反映RREQ源节点和转发节点之间路由的累积度量(Cumulative metric)。

当目的节点接收RREQ时，它基于公式(6)更新度量字段。如果在目的节点的路由表中不存在通往源节点的路由，则该目的节点在其路由表中产生一条通往源节点的反向路由。如果所述RREQ提供一条比当前目的节点通往源节点的反向路由更好的新路由，则该目的节点更新其通往该源节点的当前反向路由。目的节点在产生或更新其通往源节点的反向路由之后，该目的节点发送单播路由答复(RREP)消息给源节点。除了其他信息，RREP消息包括载有度量信息的度量字段。RREP在中间节点中，最终在源节点中建立一条通往目的节点的路由。应当指出一个节点(源节点和/或中间节点)可以接收发往同一目的节点的多个RREP。当中间节点接收RREP消息时，中间节点根据公式(6)更新其路由表中的度量信息。然后如果中间节点没有通往目的节点的路由，则该中间节点建立一条通往目的节点的路由，或者如果新的RREP提供一条比中间节点通往目的节点的当前路由更好的路由，则更新该中间节点通往该目的节点的当前路由。如果产生或修改了一条路由，中间节点沿着已建立的反向路由单播转发RREP到下一个上行(朝向源节点)节点。RREP中的度量字段是更新后的度量，其反映从转发节点到目的节点的路由的累积度量。在发送RREP之后，如果目的节点接收其他具有更好度量的RREQ，则该目的节点更新其通往源节点的路由，并且沿着已更新的路由同样发送一个刷新的RREP到源节点。从而在源节点和目的节点之间建立具有最佳QRABA路线度量的双向最佳端对端度量路由。在可选实施例中，具有通往目的节点的有效路由的中间节点也能够发送单播RREP消息到源节点。

本申请的QRABA路线度量能够应用于基于树状拓扑在多跳无线网络中选择路线。QRABA路由度量能够被并入基于树状路由协议/算法的设计中，从而建立基于根节点的拓扑树并且选择父节点和路线。一个节点选择根节点与它之间最小QRABA的父节点。

根节点定期地发送根声明(Route Announcement(RANN))消息或目的节点地址为网络中所有节点的特殊的路由请求(RREQ)消息。除了其他信息之外，该RANN和RREQ包括度量字段和序号字段。当根节点发送一个新的RANN或RREQ时，初始化度量字段并且增加序号。当网络中的任一个节点收到目的节点地址为所有节点的RANN或RREQ时，基于公式(6)更新度量字段。如果该节点没有关于通往根节点的路由信息，则该节点产生其通往根节点的路由/转发信息。所述节点从中接收RANN或RREQ的节点为所述节点通往根节点的父节点。应当指出每个节点可以接收多条RANN或RREQ消息。如果RANN或RREQ表示比节点通往根节点的当前路由更好的新路由，则该节点更新其通往根节点的父节点和路由/转发信息。例如，如果RANN或RREQ包括一个更大的序号，或者该序号和当前路由相同，而RANN或RREQ消息提供比通往根节点的当前路由的度量更好的度量，则该节点更新其通往根节点的当前父节点和路由/转发信息。在节点产生或更新其通往源节点的父节点和路由/转发信息之后，节点向网络转发(再次泛发)更新后的RANN或RREQ消息。根节点(们)出现的信息和有效根节点(们)的度量信息被传播给网络中的所有节点。当一个节点收到目的节点地址为所有节点的RANN或RREQ消息之时，或者当一个节点具有要发送到根节点的数据并且需要通往根节点的双向路径时，该节点可以向根节点发送注册(REGS)或路由答复(RREP)消息或路由请求(RREQ)。REGS或RREP或RREQ消息建立/更新从根节点通往这个节点的路由。

图8是使用本发明路由度量的节点其细节的方框图。除了其它模块以外，该节点还由路由选择模块815，链路质量和信道负载/利用率测量模块805，路由度量计算模块810，以及一个或多个无线通信接口模块820a……820n组成。链路质量和信道负载/利用率测量模块805经由无线通信接口模块820a……820n定期地测量节点通往每个相邻节点的链路/信道的质量和负载/利用率。将测量结果提供给定期计算路由度量的路由度量计算模块。路由度量包括链路代价函数，量化链路代价函数和量化路由代价函数。应当指出一个节点可以具有多个相邻节点、多个无线接口、多个物理/逻辑信道和链路。所有这些链路的质量和负载必须定期地通过测量模块来测量。路由选择模块执行路由协议/算法，并且确定转发数据的路由和无线接口。同时通过无线通信接口模块820a……820n与网络中的其他节点交换路由控制消息。应当指出一个节点可以具有一个或多个无线通信和其他通信接口。

在先验式路由协议(proactive routing protocols)中，为了维护路由的稳定性，同时实现相当快速地响应链路状态和拓扑变化，当且仅当这条链路RABA度量中的变化(与其最后一次声明中的值相比较)大于一个阈值时，节点会通过泛发路由控制消息来声明通往它的其中一个邻点(相邻节点)的链路的状态变化。即，当且仅当(RABA(current)-RABA(last))/RABA(last)×100％＞T％，该节点立即泛发路由控制消息，声明链路状态的变化。否则，在下一个周期的声明中声明该路由度量变化。

应当理解本发明可以以硬件、软件、固件、专用处理器、或其组合等各种方式来实现。优选地，本发明以硬件和软件的组合方式来实现。而且，该软件优选地实现为有形地包括在程序存储设备中的应用程序。该应用程序可以被上传给具有任何适合机制的机器并且由其来执行。优选地，该机器在具有诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、和输入/输出(I/O)接口的硬件的计算机平台上执行。该计算机平台还包括一个操作系统和微指令代码。这里所描述的各种处理和功能可以是微指令代码或应用软件(或它们的组合)一部分，其经由操作系统来执行。另外，各种其他外围设备可以连接到诸如附加的数据存储设备和打印设备这样的计算机平台。

应当进一步理解，由于附图中描述的一些组成系统元件和方法步骤优选地以软件来实现，系统元件(或处理步骤)之间的实际连接根据本发明进行编程的方式可以是-不同的。根据这里所给出的教导，本领域的普通技术人员能够设想到本发明的这些和类似的实现方式或构造。

Claims (36)

1、一种用于建立数据遍历无线网络所用的端对端路由的方法，所述方法包括：

计算链路代价函数；

使用所述计算出的链路代价函数计算量化链路代价函数；

计算数据遍历所述无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价，其中所述多个端对端路由包括所述无线网络中同一组节点之间的路由，其中数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的量化代价是通过使用所述量化链路代价函数来执行的；和

基于数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的所述量化代价，从所述多个端对端路由中选择一条路由。

2、根据权利要求1的方法，其中所述无线网络是一个无线网状网络。

3、根据权利要求1的方法，其中所述无线网络中不同信道上的同一组节点之间的所述多个端对端路由包括多个无线接口，此外其中所述多个端对端路由中的每一条路由都是双向的。

4、根据权利要求1的方法，进一步包括：

确定介质访问控制和物理层上的协议开销；

确定数据量；

定期确定链路数据速率；

定期确定数据包差错率；

确定信道利用率的加权函数；和

确定所述数据包差错率的加权函数。

5、根据权利要求4的方法，进一步包括定期地估算信道利用率。

6、根据权利要求5的方法，进一步包括：

确定信道测量周期；和

定期地确定信道占用时间。

7、根据权利要求1的方法，进一步包括：

确定量化等级数；和

确定量化因子。

8、根据权利要求1的方法，进一步包括：

确定第一信道变化加权函数；和

确定第二信道变化加权函数。

9、根据权利要求2的方法，其中所述无线网状网络是一个先验网络。

10、根据权利要求9的方法，进一步包括：

发布所述计算出的链路代价函数的结果作为控制消息中的状态信息；和

使用所述计算出的链路代价函数来产生和维护路由表。

11、根据权利要求10的方法，进一步包括如果所述计算出的链路代价函数的所述结果大于预先确定的阈值，则立即发布所述结果作为控制消息中的状态信息。

12、根据权利要求2的方法，其中所述无线网状网络是一个按需网络。

13、根据权利要求12的方法，进一步包括：

发起路由发现；和

使用所述计算出的链路代价函数来产生和维护路由表。

14、根据权利要求2的方法，其中所述无线网状网络是一个混合网状网络。

15、根据权利要求2的方法，其中所述无线网状网络是基于树状拓扑。

16、根据权利要求15的方法，进一步包括：

执行发送一个根节点声明和发起路由发现其中的一种，包括初始化的度量字段和序号字段；

更新所述度量字段；

更新所述序号字段；

更新一个路由表；和

建立所述双向端对端路由。

17、一种用于建立数据遍历无线网络所用的端对端路由的系统，所述系统包括：

用于计算链路代价函数的装置；

使用所述计算出的链路代价函数计算量化链路代价函数的装置；

用于计算数据遍历所述无线网络的多个端对端路由中的每一条路由的量化代价的装置，其中所述多个端对端路由包括所述无线网络中同一组节点之间的路由，其中数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的量化代价是通过使用所述量化链路代价函数来执行的；和

基于数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的所述量化代价，从所述多个端对端路由中选择一条路由的装置。

18、根据权利要求17的系统，其中所述无线网络是一个无线网状网络。

19、根据权利要求17的系统，其中所述无线网络中不同信道上的同一组节点之间的所述多个端对端路由包括多个无线接口，此外其中所述多个端对端路由中的每一条路由都是双向的。

20、根据权利要求17的系统，进一步包括：

用于确定介质访问控制和物理层上的协议开销的装置；

用于确定数据量的装置；

用于定期确定链路数据速率的装置；

用于定期确定数据包差错率的装置；

用于确定信道利用率的加权函数的装置；和

用于确定所述数据包差错率的加权函数的装置。

21、根据权利要求20的系统，进一步包括用于定期地估算信道利用率的装置。

22、根据权利要求21的系统，进一步包括：

用于确定信道测量周期的装置；和

用于定期地确定信道占用时间的装置。

23、根据权利要求17的系统，进一步包括：

用于确定量化等级数的装置；和

用于确定量化因子的装置。

24、根据权利要求17的系统，进一步包括：

用于确定第一信道变化加权函数的装置；和

用于确定第二信道变化加权函数的装置。

25、根据权利要求18的系统，其中所述无线网状网络是一个先验网络。

26、根据权利要求25的系统，进一步包括：

用于发布所述计算出的链路代价函数的结果作为控制消息中的状态信息的装置；和

使用所述计算出的链路代价函数来产生和维护路由表的装置。

27、根据权利要求26的系统，进一步包括如果所述计算出的链路代价函数的所述结果大于预先确定的阈值，立即发布所述结果作为控制消息中的状态信息的装置。

28、根据权利要求18的系统，其中所述无线网状网络是一个按需网络。

29、根据权利要求28的系统，进一步包括：

用于发起路由发现的装置；和

使用所述计算出的链路代价函数来产生和维护路由表的装置。

30、根据权利要求18的系统，其中所述无线网状网络是一个混合网状网络。

31、根据权利要求18的系统，其中所述无线网状网络是基于树状拓扑的。

32、根据权利要求31的系统，进一步包括：

用于执行发送一个根节点声明和发起路由发现中的一种，包括初始化度量字段和序号字段的装置；

用于更新所述度量字段的装置；

用于更新所述序号字段的装置；和

用于更新一个路由表的装置。

33、在无线网络中被配置用于参与建立数据遍历所述无线网络的双向端对端路由的一个节点，包括：

用于定期地测量所述节点的每个信道的质量和利用率的装置，每个节点具有多个信道；

使用所述测量出的所述每个信道的质量和利用率来定期计算路由度量的装置；

通过所述计算出的路由度量定期地更新路由表的装置；

基于所述路由表，选择数据遍历所述无线网络所用的双向端对端路由的装置。

34、根据权利要求33的节点，其中所述节点具有至少一个无线接口。

35、一种用于建立数据遍历无线网络的端对端路由的方法，所述方法包括：

计算链路代价函数；

计算数据遍历所述无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的代价，其中所述多个端对端路由包括所述无线网络中不同信道上的同一组节点之间的路由，其中数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的所述代价是通过使用所述链路代价函数来执行的；和

基于数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的所述代价，从所述多个端对端路由中选择一条路由。

36、一种用于建立数据遍历无线网络的端对端路由的系统，所述系统包括：

用于计算链路代价函数的装置；

用于计算数据遍历所述无线网络所用的多个端对端路由中的每一条路由的代价的装置，其中所述多个端对端路由包括所述无线网络中不同信道上的同一组节点之间的路由，其中数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的所述代价是通过使用所述链路代价函数来执行的；和

基于数据遍历所述无线网络所用的所述多个端对端路由中的每一条路由的所述代价，从多个端对端路由中选择一条路由的装置。

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