多射频质量源路由MR-LQSR协议

基金颁发部门：江苏省教育厅自然科学基金项目；项目名称：水声信道神经网络盲均衡算法的研究；编号：07KJB510068 基金申请人:赵远东
多射频质量源路由（MR-LQSR）协议
赵远东，陈建华，陈康
（南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044）
摘要：由于无线网状网具有多网卡多信道、节点移动性低等特性,使用传统的基于最短路径的移动Ad Hoc 网络路由协议并不能获得良好的性能，为此提出了一种新的无线网状网路由协议——MR－LQSR算法. 该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。

关键词：无线网状网；路由协议；加权累计传输时间
中图法分类号:TP393.01 文献标识码: A
Multi-Radio Link-Quality source routing protocol
ZHAO Yuan-dong, CHEN Jian-hua, CHEN Kang
(Dept. of Information and Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Jiangsu,
Nanjing,210044,China)
Abstract：Because of the unique characteristics over wireless mesh networks, such as multi-radio multi-channel and static nodes, traditional Ad hoc network routing protocols based on the condition of “shortest path” cannot work very well. This paper presents a novel routing protocol named MR－LQSR for wireless mesh networks. The protocol can tradeoff throughput and time delay.
Key words:wireless mesh networks, routing protocol, WCETT
1 无线Mesh网络介绍
无线Mesh网络（WMN, Wireless Mesh Network）是一种高容量、高速率的分布式网络，它不同于传统的无线网络，可以看成是无线局域网和移动Ad hoc网络（又称移动自组织网络）的融合，且发挥了两者的优势，是因特网的无线版本。

目前无线Mesh网络逐渐进入民用商业化研发和应用阶段。

无线Mesh网络结构作为可以解决“最后一公里”网络接入瓶颈问题的方案，已被写入了IEEE802.16（Wi MAX）无线宽带接入网络标准中，目前也纳入到IEEE802.15Mesh和正在制定的IEEE802.11Mesh标准中。

WMN将成为未来无线城域网(WMAN)核心网理想的组网方式之一，极有可能挑战3G技术，成为构建B3G/4G的潜在技术之一，也是迄今为止唯一一种建设商用移动Ad hoc网络的可行性技术。

2 路由研究现状及存在的问题
目前几种典型的路由算法有: DSDV(基于目的序号距离矢量协议)、DSR (动态源路由协议)、ABR (基于关联性的路由协议)和AODV (按需距离矢量协议)、SSR（基于信号稳定性路由协议）、MSR（多径源路由协议）。

AODV、DSR等路由协议是基于最短路径的,所使用的路由判据是最小跳数。

由于没有考虑到在多跳无线网络中链路干扰冲突、通信距离等因素的影响，将可能导致所选的最短路径的链路质量恶化，从源节点到目的节点的端到端的吞吐量、误码率等性能将变得非常差。

使用最小跳数作为路由判据的缺陷,文献[1]进行了详细的阐述。

为解决因路径质量差而影响网络吞吐量等性能的问题，文献[2]提出了一种新的判据称为期望传输次数ETX(Expected Transmission Count)，它在节点使用单一信道且完全静止时，可以获得很好的性能，但是单纯选择丢包率较小的链路，往往舍弃了带宽较高的链路，且没有考虑到WMN中信道的多样性。

EDR(Expected Data Rate)[3]是对ETX的进一步完善，但是更适用于单网卡的Ad Hoc网络。

用MIC(Metric of Interference and Channel
-switching)[4]作为判据考虑到了WMN信道干扰的特性，却没有考虑到节点负载情况对系统
性能的影响。

实践证明，单一的路由判据很难反映出链路质量、节点状态对各个性能指标带来的影响，所以在制定路由判据时,应综合考虑多方面的影响因素。

3 WCETT 路由判据
根据合适的判据选择出的有效路径，可以提高系统吞吐量，改善网络性能。

加权累计传输时间WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission Time)路由判据在ETX 的基础上综合考虑了带宽等链路性能参数以及最小跳数等因素，在吞吐量与延时之间获得一种平衡[5]。

数据经过k 次重传后，成功传输率为1)(1)k s k p p −(=×−， p 表示x 到y 丢包率。

期望传输次数为()11/(1)k ETX
k s k P ∞
==×=−∑。

协议应该选择具有最小EXT 的路径。

这个指标是针对无线通信的指标。

它对因为介质访问竞争和环境破坏造成的数据丢失进行计数,考虑到在一个链路上成功传输一个数据包所需要的重传数；
链路的期望传输时间ETT(Expected Transmission Time)是链路分组丢失率和链路带宽B 的函数： /ETT ETX S B =×。

其中，S 表示数据包的大小，B 表示链路带宽。

较小的ETT 值表示传输质量和速率较好的链路。

这里的ETT 并不包含为了获得信道而退避等待的时间，它只是使用信道的时间。

这个指标在不同网络技术同时使用，为了支持信道多样性路径。

MR－LQSR 使用数据包对的方法来测试带宽信息。

由n 条链路组成的路径，加权累计传输时间1n
i i WCETT ETT ==∑。

此公式只是把ETT 简
单地相加，并没有考虑到信道差异的影响。

因此我们假设一个n 跳路径，路径使用了k 个信道，数据在信道j 上的传输时间之和用X j 表示： j
i j X ETT =∑该跳在信道上, 1≤j≤k
路径的总吞吐量将受限于瓶颈信道，最大传输时间为 j 1j k
=m ax X W C ET T ≤≤
从此公式我们可以看出，该判据考虑了信道差异的影响，选择最大的传输时间。

但是新增链路该值不一定会增加。

如果新增的链路不是瓶颈链路，这个WCETT 将不变，因此引入了加权平均的算法：11(1)max n
i j j k i WCETT ETT X ββ≤≤==−×+×∑
其中的β是可调因子满足0≤β≤1。

WCETT 可以通过控制参数β的值来权衡信道差异和路径长度,如图表1所示。

设网络中每个节点拥有两块网卡，分别调到信道1与信道2,各信道间无干扰，并且有着不同的传输范围与带宽。

分别考虑从源节点到目的节点几种可能的路径，并作分析。

图表 1 WCETT 实例
第一条路径，路径的瓶颈在信道1上。

第二条路径，路径的瓶颈在信道2上。

第三条路径上，路径的瓶颈在信道1上。

第一条与第二条路径的最大X 值相等，但是路径2多加了一个工作于信道1的链路，显然路径1要比路径2好一些，这也可从得出的WCETT 值反映出来。

路径序号ETT 之和 最大X 值WCETT (β=0.9 ) WCETT (β=0.1 )
1
2
3
4
26 29 32 12 15 15 17 12 16.1 16.4 18.5 12 24.9 27.6 30.5 12
但是，路径1与路径2的好坏将随可变因子的变化而变化。

路径2与路径3的好坏也随可变因子的变化而变化，唯有路径4比前3条路径都要好，尽管它使用了同一个信道。

4 MR-LQSR路由协议
MR-LQSR (Multi-Radio Link-Quality Source Routing)协议[6]是微软公司研发的多信道WMN路由协议,采用了WCETT作为路由性能判据。

MR-LQSR是在传统的DSR路由协议的基础上提出了多收发器多信道无线Mesh网络的路由协议。

该协议不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关状态信息，而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣，形成自身的路由准则。

相比之下，DSR把路经中的节点和链路等同对待，简单地把其节点数目进行求和作为路由判定的准则，从而实现最短路径路由选择。

MR-LQSR使用链路缓存技术来支持链路质量判据，而并非路由缓存。

当某节点收到一个路由请求后，将自身的地址和自身的信息附加到路由请求包中。

当目的节点发送路由回复时，通过路由回复将把路径以及路径信息捎带至源节点。

一旦路径存入链路，节点需要对缓存中的链路信息进行实时更新。

采用反应式机制来维护正在使用的链路信息。

当某节点发送一源路由包时，中间节点将利用当前的链路信息更新该路由包，从而保证从源路由包携带了最新的链路信息。

为了获得从目的节点至源节点的链路信息(主要用于路径质量估计)，目的节点将回送一路由回复至源节点，将最新的链路信息发送至源节点。

该路由回复将延迟1s，可以等待是否有机会利用捎带方式进行发送。

当路由维护发现某链路己不再工作(未收到ACK)，系统将对该链路的判据进行相应的处理，并同时发送路由错误消息。

该路由消息将把链路最新消息捎带至源节点。

对于暂时未使用的链路信息，节点将利用任何可用的机会来广播本节点与邻近节点间的链路信息。

该链路消息包括源节点发出的所有链路信息，并且可以通过路由请求捎带给所有邻居节点。

该协议支持DSR的“包拯救”技术（又称转发技术）来拯救失效链路的数据包。

在传输数据包时，当某中间链路失效后，“包拯救”技术允许中间节点改变原有路径，通过新的路径来传送该数据包。

经验表明，在冷路由上传输数据包将比过时路由有着更大的包丢失率，并且都能从拯救策略中获益。

MR一LQSR中每个节点的多收发器能同时在正交的信道上通信，提升了网络容量，并且采用基于链路信息的路径判据能更好地实现网络负载的均衡问题。

同时，MR一LQSR也带来了一定程度上的网络附加开销。

5 仿真及性能分析
具体测试时[7]，网络使用了23个节点，其中有23×22＝506个收发对。

在所有连接中随机选择100对连接，任意连接上绑定2分钟的数据业务，业务量尽可能大。

任何时刻网络只有1条连接，某条业务结束后网络将空闲1分钟。

图表 1 WCETT与别的判据对比 图表 3 不同路径下的中值吞吐量 图表 4 不同指标路径下的吞吐量在相同的网络环境下，分别对WCETT，ETX和最短路径进行测试。

因为WCETT考虑了带
宽和包丢失率，所以该判据所表现出了更好的性能，如图表2所示。

当使用单收发器时，WCETT性能提升不是太明显，而当使用了双收发器时，802.11a工作于信道36，802.11g工作于信道10时，WCETT很大程度上提高了网络性能，远远超过ETX 与最短路径路由。

使用WCETT的平均吞吐量比ETX高89％，比最短路径路由高254％。

如图表3和图4所示。

选择不同的路径是非常重要的，特别是在最短路径中，β值的影响很明显，就吞吐量而言，偏小点的变化因子的吞吐量大一些［8］。

6 结论
过去提出的一些路由判据在多射频链路中不是太适合，WCETT在双射频链路中是个不错的路由判据，尤其是在较短的路径中，它可以通过控制参数β的值来权衡信道差异和路径长度。

以后的工作就是根据负载自动选择β的值。

MR-LQSR路由算法采用了WCETT判据，在源路由时不是简单的选择最短路径而是“最优”路径，提高系统吞吐量，降低端到端延时，适合在无线Mesh网络中使用。

但是此协议增加了附加开销，下一步的工作就是在此协议的基础上尽量减小网络开销。

本文的创新点：将WCETT与过去的判据进行比较，并用仿真证实了此判据的优点，以及存在的不足。

参考文献：
[1]Couto DSJD, Aguayo D, Bicket J,et al. A high-throughput path metric for multi-hopwireless routing. In:Proceedings of ACMMOBICOM. San Diego: CA, 2003. 134~146
[2]De Couto D, Aguayo D, Bicket J,et al. High-throughput path metric for multi-hop wireless routing. In:MOBICOM. 2003
[3]Jun Cheol Park, Sneha Kumar Kasera. Expected data rate: An accurate high-throughput path metric for multi-hop wireless routing. In:IEEE Communications Society Conference on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks (SECON). 2005
[4]Yang YL, Wang J, Robin Kravets. Interference-aware load balancing for multihop wireless networks, Tech Rep UIUCDCS-R-2005-2526.Department of Computer Science, University of Illinois at Urbana-Champaign. 2005
[5]方旭明等.下一代无线因特网技术：无线Mesh网络.人民邮电出版社.2006
[6]R.Draves, J.Padhye, B.Zill, Routing in multi-radio, multi-hop wireless mesh networks, ACM Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MOBICOM), 2004, pp. 114-128
[7]Richard Draves , Jitendra Padhye ,Brain Zill, Routing in Multi-Radio , Multi-Hop Wireless Mesh
Networks ,MobiCom 2004
[8]刘昌鑫,夏春和.无线传感器网络路由协议比较研究[J]微计算机信息,2006,09-1:205-207.
作者简介:赵远东(1963—),男(汉),江苏南京人,副教授, 学士, 主要研究领域为人工智能,信息安全,网络安全方面研究； 陈建华 (1981—),女(汉),江苏南通人,硕士研究生,主要研究领域为网络安全,信息安全,无线Mesh网络；陈康(1983—),男(汉),江苏南京人, 硕士研究生, 主要研究领域为网络安全,信息安全。

Biography: ZHAO Yuan-dong, Male(Han),Born in 1963, Department of Information and Control of Nanjing University of Information and Technology Nanjing, China 210044, bachelor, Research field: networks security etc. Chen Jian-hua, Female(Han), Born in 1981, Department of Information and Control of Nanjing University of Information and Technology Nanjing, China 210044, Master, Research field: networks security etc. Chen Kang, Male(Han),Born in 1963, Department of Information and Control of Nanjing University of Information and Technology Nanjing, China 210044, Master, Research field: networks security etc。