基于接收机的信道自适应实现最短径路由的方法 【技术领域】
本发明涉及一种采用自适应调制技术的无线系统，尤其涉及一种自组织(Ad hoc)移动网络和中继系统中最短径路由的实现方法。
背景技术
随着移动通信技术的发展和互联网的应用普及，未来的移动通信系统希望能够提供局域和广域的通信环境，满足人们随时随地的信息访问、计算和通信的需求。
自组织(Ad hoc)移动网络方便、快捷、不受时间和地点限制的特点，使其不仅可以单独使用，满足人们直接通信的需求，而且可以叠加在现有基础设施的网络，以加强覆盖和扩展业务，为用户提供自适应的、灵活地接入服务。
对于一般的通信网络，其性能的一个主要因素是路由选择。优化的路由算法应该是基于目前的网络状态，即应该是动态或自适应的。评价一个路由算法，主要依赖于它所要优化的目标函数。在通常情况下，路由算法应该力图实现下列一个或者几个目标：快速、准确地传递分组；自适应网络拓扑结构的变化；适应源和目的节点之间业务量的变化；具有避开临时拥塞链路的能力；决定网络连通性的能力；低开销。
对于Ad hoc移动网络来讲，由于其动态的拓扑结构和无线资源的限制，使路由算法的研究更富有挑战性。已有的Ad hoc路由的研究着重于强调在源节点和目的节点之间建立路由，两个节点之间的通信链路是否存在取决于两者之间的距离是大于还是低于某一个门限距离。所有“存在”的连接被认为具有相同的链路质量而不考虑无线信道的不可靠和不稳定因素，如Ad hoc按需路由协议(AODV)和动态源路由协议(DSR)等，上面这种假设在有线信道中是正确的，但是在无线信道中却并非如此。受到严重衰落或处于高密度区域中的节点，将经历超负荷和多用户干扰。尽管节点间的地理位置没有发生变化，但通过这种链路和节点的通信将是无效的。而有效的路由应该能够根据信道质量自适应地改变路径，从而获得更好的网络性能。
考虑链路状态的路由协议中，基于关联的按需路由协议(ABR)是基于路径寿命的按需路由协议，其主要目标在于提供节点间最稳定的路径，这样可以降低重建路由的频率，从而降低开销，节省带宽资源。信号稳定路由(SSR路由)将建立一条最短并且都在强信号链路上的最佳路径，它同样考虑了连接的稳定度问题，并且分为动态路由协议(DRP)和静态路由协议(SRP)两部分。基于分集码的多径路由协议，对每个数据分组进行编码，并以优化的方法将编码后的信息在多条路径上分配，以最小化分组丢失率，平衡业务，改进系统的端到端时延性能。针对跳频分组无线网络提出的基于接收机干扰的自适应、分布式路由，把路径上的干扰量化为路径阻抗，然后寻找最小路径阻抗路由，因而能够有效地处理跳频分组无线网络中的干扰，增加吞吐量和分组成功传输的概率。
但是这些算法都没有考虑接收机的状态，并且不能有效地提高带宽利用率。
【发明内容】
考虑无线信道的不可靠和不稳定因素，本发明提出一种适用于自组织Ad hoc移动网络和中继系统的最短径路由实现方法，即基于接收机的信道自适应实现最短径路由(RB-CASPR)的方法。RB-CASPR中的链路代价同时考虑通信信道质量和分组在接收机处可能经历的时延因素，从而进一步发挥自适应调制技术的优势，减小分组的平均传输时延和丢失率。
根据本发明的适用于自组织Ad hoc移动网络和中继系统的路由实现方法，既考虑了信道特性，又考虑了接收机节点处的特性。其基本构思在于，利用自适应信道编码和调制技术，将链路吞吐量转变为信道质量因数，同时利用接收机队列的长度代表分组在接收机处可能经历的时延因素，链路代价由信道质量因数和接收机队列的长度组成，根据链路代价来决定最短径路由。
根据本发明，提供了一种在移动通信系统中基于接收机的信道自适应来实现最短径路由的方法，所述方法包括步骤：
(1)移动台实时收集所述移动通信网络的信息；
(2)所述移动台对于与其他移动台之间的信道进行质量估计，并且确定与其他移动台之间的调制速率；
(3)所述移动台通过以下的公式计算与其他移动台之间链路i的信道质量因数：Qi(t)=Ci(t)C0,]]>
其中i＝0，1，2，...k-1，C0代表最佳信道状态条件下的最大传输速率，Ci代表两个移动台X和Y之间链路i的实际调制速率；
(4)基于以下的公式来确定移动台X与移动台Y之间链路i的链路代价：
CXY=1QXY+β×NY]]>
其中Qxy是移动台X与移动台Y之间链路i的信道质量因数，NY是移动台X的接收机从移动台Y接收的队列中的分组数目，系数β为所述接收队列的长度在所述链路代价中的权重；
(5)每个所述移动台维持一个链路状态矩阵CSM，即
CSM {E(x，y)NN|1x，yN}
E(x,y)Exy1QXYβNY]]>
Exy(t){,E0,E1,,...Ei...Ek-1};]]>
(6)基于所述链路状态矩阵，确定所述移动台到目的节点的最短路径。
【附图说明】
下面参考附图并结合实施例详细描述本发明，其中：
图1是基于多状态马尔可夫链的信道模型；
图2是不同的分组到达间隔下平均时延与Beta的关系曲线；
图3(a)-(c)的表示在一定的分组到达间隔下，不同的Beta与平均时延的关系曲线。
【具体实施方式】
第一步，对信道进行分析建模：
自适应调制系统中，信道的信噪干扰比(SINR)已经被量化为若干阶，并与一定的调制方式一一对应，因此，自适应调制系统的信道变迁转移可以用多状态马尔可夫链来表示。图1示出了基于多状态马尔可夫链的信道模型。
在瑞利信道下，令A代表接受信号的信噪比，则A与信号包络的平方成正比。A的概率密度分布是指数形式的，可以写成
pA(a)=1ρexp{-aρ}]]>这里，ρ＝E[A]， a≥0 (1)
令fm代表最大多普勒频移，在蜂窝移动通信中，fm=vλ,]]>其中，v为移动台的速度，λ为波长。而在移动Ad hoc网络中，相互通信的双方都在运动，具有双倍的移动性，这时的最大多普勒频移fm=fm1→2=v1+v2cfc,]]>其中，v1、v2为节点的速度，fc为载频。则单位时间内，信噪比衰落至某一给定水平a的次数(类似于电平通过率，可称为信噪比通过率)Na是一个由fm和pA(a)共同影响的函数，则有：
Na=2πaρfmexp{-aρ}--(2)]]>
令0＝A0＜A1＜A2＜…＜AK＝∞为SNR的阈值。可以将瑞利信道的信噪比量化为K个状态。如果a∈[Ak，Ak+1)，则称a属于状态Sk，k＝0，1，…，K-1，而这些状态，在自适应调制系统中，可以与不同的调制编码组合方式相对应。
根据式(1)，可以写出信噪比在k状态的稳态概率为：
pk=∫AkAk+11ρexp{-xρ}dx=exp{-Akρ}-exp{-Ak+1ρ}--(3)]]>
在我们的研究中，假定信道的衰落足够慢，使得状态的改变只可能发生在相邻状态之间。这个假设在实际应用中的意义在于对信道的预测和反馈能够跟得上信道的变化。令pi，j表示状态i，j之间的转移概率，则有pi，j＝0，|i-j|＞1。
基于这样的假设，下面求转移概率pi，j。
由于转移只能在相邻状态之间。那么，事件：从状态k向状态k-1的转移概率应当是阈值为Ak的信噪比通过率除以每秒内发生k状态的次数。设链路的符号速率为Rsymbols/s，则每秒内，发生k状态的次数可以用每秒内在k状态传送的符号数目Rk来表示，并有
Rk＝R×pk。 (4)
记每秒内SINR下降至门限Ak之下的次数为Nk，k＝1，2，3，…，K-1。
由(2)，有
Nk=2πAkρfmexp{-Akρ}--(5)]]>
则，可得马尔可夫链的转移概率为：
pk,k+1=Nk+1Rk,k=0,1,2,3,···,K-2--(6)]]>
pk,k-1=NkRk,k=1,2,3,···,K-2.--(7)]]>
pk，k＝1-pk，k+1-pk，k-1，k＝1，2，3，…，K-2 (8)
p0，0＝1-p0，1；pK-1，K-1＝1-pK-1，K-2 (9)
可以通过马尔可夫链的平衡特性验证上述推导。
例如，在状态S0，根据平衡方程，有
p0×p0，1＝p1×p1，0 (10)
将(4)-(6)式代入(10)，方程左右两边都等于N1/R
同样，可以验证状态Sk下的平衡方程。
pk×(pk，k+1+pk，k-1)＝pk-1×pk-1，k+pk+1×pk+1，k (11)
再将(4)-(6)式代入(11)，可以看到方程左边为
RkR×(Nk+1Rk+NkRk)=1R(Nk+1+Nk)]]>
方程右边等于
Rk-1R×NkRk-1+Rk+1R×Nk+1Rk+1=1R(Nk+1+Nk)]]>
方程左右两边是相等的，这证明上述的转移概率和稳态概率求取方法能够满足马尔可夫链的稳态平衡特性。
上面讨论中，(3)式中的A0、A1、A2、…AK等值都是预先设定的。因此，信道信噪比(SNR)处于状态Sk的概率分布仅与ρ有关。如果发射功率一定，接收机结构相同，则ρ的大小主要受路径损耗的影响。不同的位置，移动台的ρ值不一样，使得它们所对应的马尔可夫链的稳态概率和各状态间的转移概率也不一样。另外，如果能够测量出节点的移动速度，根据公式fm=fm1→2=v1+v2cfc]]>以及式(4)-(6)式可以估算出状态转移概率。如果节点移动速度不能够测量，则需要节点依据实际测量的SNR变化情况，直接进行统计分析，求出状态转移概率。
SNR的状态是与一定的调制阶数和信道编码方案一一对应的，而调制阶数和信道编码方案又对应着一定的链路传输速率。因此，我们可以将上述马尔可夫链的各个状态与相应的链路传输速率相对应，就得到了速率变化的马尔可夫链路模型。
信道自适应最短径路由的研究中，由于运用有限状态马尔可夫信道模型对衰落信道进行建模，并且采用了自适应信道编码和调制技术。移动终端之间的时变信道所产生的信道吞吐量也是时变的。这样就可以在路由的研究中，将物理层的技术细节屏蔽起来，使得研究易于进行。
第二步，建立路由表，用矩阵来记录每对节点之间的即时链路状况和转移到下一状态的概率。
第三步，计算信道质量因数。如果用S＝{C0，C1，…Ck-1}代表一系列有限的信道状态，C0代表最好信道状态条件下的最大传输速率(也就是对应于最高的调制阶数)，Ci代表两个终端之间链路i的实际调制速率，则两个终端之间链路i的信道质量因数为：Qi(t)=Ci(t)C0]]>i＝0，1，2，...k-1，由它反映信道质量的好坏。所以，最好链路的质量因数是1，而其它链路的质量因数随着Ci的减小而小于1。
第四步，计算链路代价。在基于接收机的信道自适应最短径路由(RB-CASPR)中，链路代价是
CXY=1QXY+β×NY]]>
其中，是X到Y链路代价的信道质量部分，由调制阶数决定，NY是接收节点Y队列中的分组数目，系数β的选择是基于这两部分在总代价中的权重，可以通过计算机仿真进行代价系数的选择。
第五步，每个移动台维持一个链路状态矩阵(CSM)。
CSM＝{E(x，y)N×N|1≤x，y≤N}
E(x,y)=Exy(t)=1QXY+β×NY,]]>Exy(t)∈{∞,E0,E1,,...Ei...Ek-1}]]>
如果Exy(t)不等于无穷，则说明节点x能够直接发送数据包给节点y。否则，节点x和节点y则不能直接通信。
第六步，根据连接状态矩阵CSM，每一个源移动台利用基于贝尔曼-福特(Bellman-Ford)最短路径算法的距离向量方法来寻找最短径路由，这样就可以得到一条通往目的节点的、具有最小代价的最短路径。
本发明图2中的三条曲线分别对应三种不同的分组到达率，横轴代表系数β。β等于0时，即为信道自适应最短径(CASPR)路由。
可以看出当分组到达率比较小时(2packets/s)，β的变化对时延没有影响。也就是对于小的分组到达率来讲，到达的分组能够马上被处理，不会造成分组在队列中的排队，所以与不考虑队列长度时的路由效果区别不大；但随着分组到达率的增加，RB-CASPR与CASPR之间的差别就显示出来了：总的趋势是β值大于2以后，时延随着β的增加而增加，并且分组到达率越大，时延增加的越快。而在β等于0.5、1和1.5时表现出RB-CASPR性能好于CASPR。
因β增加，队列长度在路由代价中占的比重加大，而大到一定程度，信道速率的作用就不明显了，有可能出现只是根据节点队列长度来选择路由的情况。但所选择的路径有可能信道质量差(容量低)，从而造成大的分组时延，所以β值必须在某一取值范围(即信道和接收机处的条件在代价中占合适的比例)时，RB-CASPR路由才能对分组时延性能有所改善。为进一步验证上述结论，图3(a)、(b)、(c)显示了β分别取0、0.5、1、1.5和2时，时延与分组到达率的关系。
从图3(a)-(c)中看出，在我们的仿真环境下，β的合适取值为1和1.5。而低业务量时(数据速率小于5Packets/Second)，β取1.5时的性能略逊于取1时的性能；高业务量时，β的三个取值(0.5、1、1.5)都可以获得好的性能。
总之，针对具体的应用环境，通过实验选择合适的链路代价系数，RB-CASPR路由可以优化CASPR的时延性能。