多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法技术

本发明专利技术涉及一种多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法，该方法如下：建立多网关网络模型，获取网络拓扑信息并依此为网络节点分配不同的权值；通过网络拓扑信息及无线链路的衰落特性，推导网络中链路信号与干扰噪声比SINR的分布特性，进而计算链路的中断概率和中断速率；获取Mesh路由器节点缓存包数量，并计算网关节点容量占比；针对客户端业务和Internet业务设计具有保序性的路由度量，并对AODV路由协议进行修改；在有客户端业务和Internet业务请求时，网络依据路由协议中的路由度量为不同业务选路。本发明专利技术考虑了网络干扰因素和负载分布信息，能够有效降低网络干扰，实现网络负载均衡，提高网络吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法
本专利技术涉及无线Mesh网络路由
，更具体地，涉及一种多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法。
技术介绍
无线Mesh网络具有高带宽、快速部署、易于安装、维护简单等优势，作为一种可以解决“最后一公里”宽带Internet接入问题的新兴技术，正受到全球范围的标准化组织以及各学术研究机构的广泛关注。无线Mesh网络在灾难恢复临时组网、楼宇自动化等应用领域具有重要的应用。无线Mesh网络流量的突发性容易造成网络负载分布不均，引起网络拥塞，影响网络通信性能。尤其在Internet业务和客户端业务共存时，网络中的网关和其他一些节点如中央节点容易形成瓶颈节点，导致阻塞。具有负载感知的路由选择方法能够避免流量过于集中，进而均衡网络负载分布，提高资源利用率。从目前国内外的研究现状来看，无线Mesh网络的路由选择问题的研究大部分集中于骨干无线Mesh网络或客户端Mesh网络领域，针对多网关无线Mesh网络路由选择方法的研究较少且存在问题：大多数是以到网关的最小距离为选路依据，没有考虑网络干扰和负载等因素，网络性能得不到充分发挥；或者只是对网络节点缓存数据量进行了初步衡量，没有考虑网络中的干扰因素；或者是存在非保序性和网关探测包等问题，造成大量的额外开销，在网络流量大的场景下难以提升网络性能。香农容量是在确定性信道条件下得到的信道容量，是一个确定值。但实际上，信道状态是一个不断变化的随机过程。对于信道功率增益随机变化的信道，当发送端不知道信道的具体增益时，无论发送端以任何传输速率发送数据，接收端都有可能无法正确译码，即错误概率非0。这是由于存在信道增益所支持的信道容量低于发送端传输速率的可能。这时若要错误概率始终为0，当且仅当发送端传输率始终为0。此时可以定义中断容量，也叫中断速率，当以此作为传输速率时，信道能以(1-p)的概率承载业务，p为中断概率。现有中断概率的计算仍以链路接收端的SNR(SignaltoNoiseRatio)门限值作为接收端是否成功接收的依据。综上，多网关无线Mesh网络路由度量的设计有必要针对非保序性和网关探测包等开销问题，考虑网络节点承载业务量、链路中断速率以及网关特性等因素，在降低网络干扰的同时，实现网络负载均衡，提升网络吞吐量性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够有效降低网络干扰，实现网络负载均衡，提高网络吞吐量的多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法。为解决上述技术问题，本专利技术的多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法的步骤如下：步骤1)建立多网关网络模型，获取网络拓扑信息，根据网络节点到网关的最小距离，为多网关无线Mesh网络中的网络节点分配不同的权值；节点j的权值Rankj由式(1)给出：式中：GW表示网关集合；dist(j,GW)表示网络节点j与网关集合中所有网关节点之间欧氏距离的最小值；Rh表示节点的载波感知范围；V表示路由器节点集合；ω1、ω2和ω3分别表示不同节点的权值，其中ω1>ω2>ω3，表示离网关越近的节点被赋予的权值越大；步骤2)根据式(2)、式(3)分别计算网络中任一通信链路(u,v)的中断概率Pout(u,v)和任一节点j所在通信链路的中断速率Cout(j)：Cout(j)＝(1-Pout(u,v))·B·log2(1+γth)(3)式中：η(v)表示节点v的干扰节点集合，该集合定义为节点v感知到网络中对其造成干扰的节点集合；w表示干扰节点集合中的干扰节点；Pt(u)表示通信节点u的发送功率；μu表示通信链路(u,v)信道功率增益hu(v)的均值；γth为通信链路(u,v)接收端正确译码的SINR门限值；τ(w)表示节点w的分组产生率；Pt(w)表示干扰节点w的发送功率；μw表示各干扰节点与通信链路接收端的信道功率增益hw(v)的均值；N0表示噪声功率；B是正交信道的信道带宽；步骤3)根据式(4)计算任一网关节点k的容量占比Rak：式中：Qlength(k)表示网关节点k在有路由请求时的缓存队列长度；Gqlen表示网关最大队列长度；步骤4)根据式(5)、式(6)分别计算节点j针对客户端业务的具有保序性的路由度量Metric(p)和针对Internet业务到网关节点k的具有保序性的路由度量Metric(p,k)，并依此对AODV协议进行修改，在AODV路由协议处理路由请求和路由应答时依据该路由度量更新路由表；式中：p表示源端到目的端的路由路径；S表示路径p上的节点集合；Qlength(j)表示节点j在有路由请求时的缓存队列长度；Rankj表示节点j的权值；Cout(j)表示节点j所在通信链路的中断速率；式中：(pk)表示源端到网关节点k的路由路径；S表示路径pk上的节点集合；Qlength(j)、Rankj、Cout(j)含义与式(5)相同；Rak表示网关节点k的容量占比；Lgw表示固定的数据包大小；Rgw表示与网关节点相连的链路数据速率；步骤5)在有客户端业务或Internet业务请求时，网络依据路由协议中的路由度量为不同业务选路；针对客户端业务，源端向目的节点发起路由请求，目的节点将最优路径信息返回至源端；最优路径为源端与目的节点之间所有路径中链路路由度量之和最小的路径；针对Internet业务，源端向网络中每个网关分别发送路由请求，每个网关将到该网关的最优路径信息返回至源端，在源端进行比较，选择到最优网关的最优路径；最优路径为源端与各网关之间所有路径中链路路由度量之和最小的路径。本专利技术的有益效果：1、通过获取网络拓扑信息记录网络节点位置等信息。由于网络中距离网关较近的节点相比网络中距离网关较远的节点承受较多的业务量的概率更大，因此对网络中与网关距离不同的节点进行不同处理，避免当Internet业务和客户端业务同时存在时网关节点或距离网关较近的节点由于出现较大业务量所导致的阻塞。2、通过信道功率增益计算通信链路的SINR(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)值，并将此作为通信链路接收端是否能够成功接收数据包的依据，本方法提升了以SNR为依据衡量链路质量的准确性。本方法可以在IEEE802.11b/g频谱内有限的信道资源下，降低网络内数据流间干扰，增加并行数据流传输个数，提升网络容量。3、通过推导SINR的累积分布函数CDF(CumulativeDistributionFunction)，避免了SNR没有考虑网络干扰带来的问题，以此获取链路的中断概率和中断速率，将其纳入路由度量中进行路由选择。本专利技术考虑了网络干扰因素和负载分布信息，能够有效降低网络干扰，实现网络负载均衡，提高网络吞吐量。4、通过衡量多个网关的容量占比的大小，进一步选择最优的网关。本方法可以避免网络流量在某个网关节点处过于集中的问题，从而达到均衡网关节点处负载的目的。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法总体流程图；图2为本专利技术多网关网络示意图；图3为节点权值示意图；图4为路由度量保序性说明图；图5为针对不同业务的路由选择流程图；图6为多网关网络选路示意图。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1)建立多网关网络模型，获取网络拓扑信息，根据网络节点到网关的最小距离，为多网关无线Mesh网络中的网络节点分配不同的权值； 节点j的权值Rankj由式(1)给出： 式中：GW表示网关集合；dist(j,GW)表示网络节点j与网关集合中所有网关节点之间欧氏距离的最小值；Rh表示节点的载波感知范围；V表示路由器节点集合；ω1、ω2和ω3分别表示不同节点的权值，其中ω1＞ω2＞ω3，表示离网关越近的节点被赋予的权值越大； 步骤2)根据式(2)、式(3)分别计算网络中任一通信链路(u,v)的中断概率Pout(u,v)和任一节点j所在通信链路的中断速率Cout(j)： Cout(j)＝(1‑Pout(u,v))·B·log2(1+γth)      (3) 式中：η(v)表示节点v的干扰节点集合，该集合定义为节点v感知到网络中对其造成干扰的节点集合；w表示干扰节点集合中的干扰节点；Pt(u)表示通信节点u的发送功率；μu表示通信链路(u,v)信道功率增益hu(v)的均值；γth为通信链路(u,v)接收端正确译码的SINR门限值；τ(w)表示节点w的分组产生率；Pt(w)表示干扰节点w的发送功率；μw表示各干扰节点与通信链路接收端的信道功率增益hw(v)的均值；N0表示噪声功率；B是正交信道的信道带宽； 步骤3)根据式(4)计算任一网关节点k的容量占比Rak： 式中：Qlength(k)表示网关节点k在有路由请求时的缓存队列长度；Gqlen表示网关最大队列长度； 步骤4)根据式(5)、式(6)分别计算节点j针对客户端业务的具有保序性的路由度量Metric(p)和针对Internet业务到网关节点k的具有保序性的路由度量Metric(p,k)，并依此对AODV协议进行修改，在AODV路由协议处理路由请求和路由应答时依据该路由度量更新路由表； 式中：p表示源端到目的端的路由路径；Qlength(j)表示节点j在有路由请求时的缓存队列长度；Rankj表示节点j的权值；Cout(j)表示节点j所在通信链路的中断速率； 式中：(p,k)表示源端到网关节点k的路由路径；Qlength(j)、Rankj、Cout(j)含义与式(5)相同；Rak表示网关节点k的容量占比；Lgw表示固定的数据包大小；Rgw表示与网关节点相连的链路数据速率； 步骤5)在有客户端业务或Internet业务请求时，网络依据路由协议中的路由度量为不同业务选路；针对客户端业务，源端向目的节点发起路由请求，目的节点将最优路径信息返回至源端；最优路径为源端与目的节点之间所有路径中链路路由度量之和最小的路径；针对Internet业务，源端向网络中每个网关分别发送路由请求，每个网关将到该网关的最优路径信息返回至源端，在源端进行比较，选择到最优网关的最优路径；最优路径为源端与各网关之间所有路径中链路路由度量之和最小的路径。...

【技术特征摘要】
1.一种多网关无线Mesh网络干扰与负载感知路由选择方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)建立多网关网络模型，获取网络拓扑信息，根据网络节点到网关的最小距离，为多网关无线Mesh网络中的网络节点分配不同的权值；节点j的权值Rankj由式(1)给出：式中：GW表示网关集合；dist(j,GW)表示网络节点j与网关集合中所有网关节点之间欧氏距离的最小值；Rh表示节点的载波感知范围；V表示路由器节点集合；ω1、ω2和ω3分别表示不同节点的权值，其中ω1>ω2>ω3，表示离网关越近的节点被赋予的权值越大；步骤2)根据式(2)、式(3)分别计算网络中任一通信链路(u,v)的中断概率Pout(u,v)和任一节点j所在通信链路的中断速率Cout(j)：Cout(j)＝(1-Pout(u,v))·B·log2(1+γth)(3)式中：η(v)表示节点v的干扰节点集合，该集合定义为节点v感知到网络中对其造成干扰的节点集合；w表示干扰节点集合中的干扰节点；Pt(u)表示通信节点u的发送功率；μu表示通信链路(u,v)信道功率增益hu(v)的均值；γth为通信链路(u,v)接收端正确译码的SINR门限值；τ(w)表示节点w的分组产生率；Pt(w)表示干扰节点w的发送功率；μw表示各干扰节点与通信链路接收端的信道功率增益hw(v)的均值；N0表示噪声功率；B是正交信道的信道带宽；步骤3)根据式(4)计算任一网关节点k的容量占比Rak：

【专利技术属性】
技术研发人员：石文孝，许银龙，尚硕，郑宇，吴丹，王继红，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22