一种基于干扰感知的网络编码意识路由

一种基于干扰感知的网络编码意识路由摘要：针对编码机会对数据流传输相对集中的要求，而数据流集中可能会造成传输干扰增大的问题，提出一种新的考虑干扰感知的编码意识路由判据ecxwi，结合一定的路由发现、路由维护机制，形成一种新的编码意识路由算法carwi，该算法综合考虑了编码机会以及无线传输干扰等因素。

仿真证明，并与采用最短路径路由的网络编码机会路由传输机制cope相比，carwi在网络吞吐量、端到端时延指标上有更优的表现。

关键词：无线ad hoc网络；网络编码；编码意识；干扰；中图分类号：tp393 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）04-0726-05network coding-aware routing based on theinterference-awaretao yang， zhao jun-nan，（chongqing university of posts and telecommunications，chongqing 400065， china）abstract： for the transmission of data stream required by network coding is relatively concentrated， there may cause the increasing interferences，a new routing metric ecxwi is proposed in this paper. combined with the route discovery and the route maintenance mechanism， a new coding-aware routing algorithm carwi is also proposed. simulation shows thatcompared with network coding opportunities routing transmission mechanism cope based on the shortest path route，carwi has a better performance of network average throughput，average end to end delays .key words： wireless ad hoc network； network coding；coding-aware； interference无线ad hoc网络在广泛的应用的同时，也暴露出无法避免的缺陷，由于网络无中心、自组织等特点，各节点间需不断交换信息以了解网络状态，从而实现通信功能，这就造成网络开销较大、带宽有限、承载能力有限等问题。

2000年，rudolf ahlswede、ning cai[1]等人基于网络信息流的概念，提出网络编码的概念，在此概念提出之前，传统的路由协议中节点的工作模式为存储转发，这种机制无法达到多播容量中最大流最小割定理[2-4]吞吐量的上限，而网络编码允许节点对数据进行操作和处理，并证明了在理论情况下，利用网络编码可以达到通信网络的最大传输容量，因此网络编码得到国际学术界的广泛关注和重视。

本文对现有的网络编码路由算法的现状进行深入的了解和总结，重点研究现有的编码意识路由，对现有的编码意识路由判据进行对比，找到目前基于网络编码的路由算法在实际应用中可能存在的主要缺陷，考虑提出一种新的编码意识路由度量，应用于具体的无线ad hoc网络路由协议中，形成一种新的编码意识路由算法。

1 相关工作从06年开始，国内外学者开始研究编码意识路由，将编码机会与其他路由参数相结合形成新的路由判据，最大的发挥网络编码对整体网络性能的提升能力。

ni[5]等人提出了基于网络编码的期望传输次数ecx作为路由判据，并应用于具体路由协议中，形成了rocx，文中定义了两个节点通过中间节点经过网络编码成功交换报文所需的传输次数，并将编码感知的路由问题转化为一个线性优化问题。

另外，文献[6]考虑了速率不同的流直接的网络编码问题，提出了速率匹配的编码感知路由协议rcr，该协议讲一个数据流分割成多个流便于有效地实现流之间的速率匹配，从而降低不同数据流的速率不同对网络时延造成的负面影响，有效提升网络编码的效率。

文献[7]提出的peac方案以区域编码增益作为路由度量，它的每次转发感知机会路由core结合了流间网络编码与机会路由。

但是06年s.s在文献[5]中指出，增加编码机会的整体都着眼于提升节点附近区域中的编码增益，同时使用编码感知的传输调度来保证编码机会的出现。

文献[9]提出的编码趋势是需要多个数据流在发送时尽量集中，而无线网络在传输时为避免干扰应使数据流之间尽量的远离，如何在网络编码机会增多及干扰避免两者进行折中成为一个问题。

因此本文在前人对干扰和考虑编码的路由判据的基础上，提出了路由判据ecxwi，描述如下：[ecxwi=i，j=1nxi，jri，j-i，j，k=1nck，i，jri，k+ri，j-ri，kri，j?il] （1）其中[il]表示链路[l]上的干扰率，[02 基于干扰感知的网络编码意识路由carwi2.1 路由信息格式carwi协议扩展了在aodv协议的基础上更改了路由信息格式，下面对这些路由控制信息格式的更改进行描述：1） rreq信息格式其中j组播预留的加入标识。

r是为组播预留的修复标识。

g用于指示rrep。

d标识只有目节点才能反馈该信息包。

u标识目的节点序列号未知。

ecxwi代表本文的考虑干扰的编码意识路由判据，用于路由的选择。

2） rrep信息格式r用于表示组播的情况。

a应答：用于表示中间节点有到达目的节点路径，或者目的节点本身受到路由请求信息时，返回的一个值。

life time表示一定时间后，如果反向路由项没有使用，则对应的路由项变为无效。

其他项与rrep一致。

2.2 路由发现与路由维护2.2.1 路由发现当源节点需向目的节点发送数据包，首先检查路由表中没有所需的路径时，源节点触动路由发现过程：步骤1 源节点向其邻居节点广播路由请求信息包rreq，并在广播rreq前，源节点对以下域进行初始化：1）源节点的一跳邻居节点及其相应参数，包括数据包投递率、归一化数据速率、链路干扰率等，用于目的节点计算路径代价。

2）路径记录，rreq所经过的节点记录中初始化为仅有源节点。

3）已存在流的路径记录，保存该节点处已存在流的路径记录。

4）已存在流的一跳节点，保存该节点处已存在流的一跳（侦听）节点。

步骤2 中间节点接收到一个rreq后，首先检查其自身是否已包含在rreq的路径记录中，若已包含在内，则丢弃该rreq以防止环路；若未包含在内，节点对路由请求信息包其做如下处理：1）更新一跳节点列表，将本节点的一跳节点及其相应的参数添加到列表。

2）更新路径记录，将本节点添加至节点记录中。

3）更新已存在流的路径记录，将本节点已存在流的路径添加至记录中。

4）更新已存在流的一跳节点列表，将本节点已存在流的侦听节点添加至记录中。

5）广播更新后的路由请求信息包rreq。

步骤3 目的节点接收到rreq后，目的节点根据本文公式（1）定义的考虑干扰的编码意识路由判据计算路径代价。

这种判据首先考虑了每条路径中由于网络编码机会的存在而带来的增益，然后利用干扰率对这种增益进行加权，最后在这两种因素的基础上，计算出同时考虑网络编码和干扰的期望传输次数，通过对每条路径期望传输次数的比较，从而做出路由选择。

同时，在路由请求缓存表中，针对每个源节点设置关于rreq的重复计数器和定时器，若在规定时间内收到多个来自同一源节点的rreq，并且数量超过重复计数器的设定值，则选择路径度量值最小的路径，回复路由应答信息包rrep。

定时器中设定时间到后，目的节点从当前收到的rreq中选择路径度量值最小的路径，回复路由应答信息包rrep。

当目的节点选定路径后，更新域，然后沿反向路径将rreq包送回源节点。

步骤4 中间节点接收到rrep后，进行以下操作：1）存储rrep中当前流的路径及一跳邻居节点信息。

2）存储对应于本节点的编码记录，以便数据包发送时进行编码操作。

步骤5 源节点收到rrep后，根据选定的路径开始发送数据包。

2.2.2 路由维护本协议的路由维护机制与aodv类似，每个节点定期广播hello 包，当一个节点收到其一跳节点hello消息时，该节点创建或更新至此邻居节点的路径；当节点检测到路径断裂时，将本身路由表中包含该路径的路由删除，并发送rrer通知该路径上的其他节点，当节点收到rrer包后也将删除本身路由表中相应的路径信息。

3 评估3.1 仿真环境本文采用ns-2仿真环境，设计以下两种两种场景对carwi进行仿真：1、不同数据发送速率2、不同数据量的数目下，该文三种协议进行比较。

设定64个节点随机分布在1200m*1200m的区域内，所有数据流为cbr数据流，包长度为512b。

仿真时间为600s，仿真结果为10次仿真的平均值。

3.2 仿真结果分析场景一：不同数据流发送速率下路由算法的表现10条数据流每间隔5s随机产生，数据发送速率变化范围为5kbps～120kbps。

如图4中可知，当数据发送速率较低时，例如35kbps以下，三种算法平均吞吐量比较接近，原因是网络中编码机会较少，基于网络编码的两种算法对网络性能的改善表现的并不明显。

但随着数据发送速率的增加，编码机会也相应的增加，使用aodv算法的网络平均吞吐量在数据发送速率达到40kbps时达到最大值，随后起伏不大。

这是由于网络负载增加到一定程度时，造成数据包丢失率的增加，限制了平均吞吐量的增加上限。

但aodv+cope方案相对于aodv 有一定优势，吞吐量的最大值有一定的增加，并且在数据发送速率为50kbps时才达到上限，这是由于网络编码一定程度上缓解了网络拥塞，带来了网络性能改善。

但由于被动编码的特点，编码机会有限，因此这种改善并不明显。

而carwi相对于其他两种方案有较优异表现，平均吞吐量增幅较大。

由图5中可看出，随着数据流发送速率的增加，三种路由方案的平均端到端时延都呈上升趋势，这是由于数据流发送速率的增加会使网络中传输的数据不断增加，导致了数据包不同程度的拥塞，引起丢包，从而时延增大。

而在数据发送速率较小（小与20kbps）时，三种路由方案的平均端到端时延差别不大，当数据发送速率变大，网络中传输数据量增大，基于网络编码的路由方案的时延方面的优势展现出来。

另外，carwi较之其他两种方案在延时增加较少，表现最为优异。

场景二：不同数据流数目下路由算法的表现数据流发送速率固定为50kbps，数据流个数变化范围为5～20，分别选取5，7，9，10，13，15，17，19个数据流对三种方案进行仿真。