CN101179499A - 用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法。它包括路由的生成过程、路由的动态维护和基于路由算法的监控数据融合传输。网络内节点选择跳数较小邻居节点的节点发送路由建立请求，通过握手机制建立上下级路由关系，从而整个网络形成多个树形路由结构；通过连通性检测、过期检测、切换上级节点方式，实现路由的动态维护，适应节点的移动、功率变化等因素引起的网络通信拓扑的变化；利用树形的网络结构，节点可以在路由维护的同时，融合传输需要适时监控数据。本发明的方法通信开销较少，传输时延小，构成的网络稳定可靠。

Description

用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法

技术领域

本发明属于移动无线自组网络(MANET)技术领域，特别是涉及到用于监控系统的无线自组网的组网与路由技术。

背景技术

无线自组网是由一组具有路由功能的节点组成的分布式无线多跳网络，节点还可以通过有线信道拉入有线网如Internet。因为自组网中节点的传输范围有限，源节点在向目的节点发送数据时，通常需要其它节点提供寻径和中继功能。网络中所有节点和节点间的无线信道构成了无线网络的通信拓扑结构，节点位置移动所带来的拓扑结构变化会造成通信转发的路径发生变化，所以自组织和动态路由算法来适应拓扑结构的变化，调整路由，实现任意节点间的通信。

自组网的路由设计需要综合考虑用户业务需求、网络能力和状态信息、自组网的特点和运行环境、路由协议基本功能等诸多因素。与传统有线网络相比，自组网有自己的特点，如分布式控制、动态变化的网络拓扑结构、无线传输带宽和节点能力有限、安全性差、网络可扩展性不强以及生存时间短等。理想的自组网路由协议应该具有分布式算法、自适应能力、无环路、路由计算与维护控制开销少、可扩展性等特点。

根据路由建立的方式不同，自组网路由协议可以分为主动式路由协议、按需路由协议和混合路由协议。

主动式路由协议又称为表驱动路由协议，网络中的每个节点都周期性地进行路由分组广播，以维护一张包含到达其他所有节点的路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，以实时准确地反映网络的拓扑结构。主动式路由的优势在于目的节点的路由信息存在时，数据分组传输过程就可以立即开始，延时很小；劣势在于需要大量的路由控制报文，协议开销较大。常用的表驱动路由协议如下：DSDV、FSR、OLSR、TBRPF、LANMAR等。

按需路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当有数据分组传输需求时才查找路由信息。按需路由协议主要分为“路由查找”和“路由维护”两个过程。与主动驱动路由协议相比，按需路由协议的开销小，更适合Ad Hoc无线网络。但是数据报文传送时延较大，不适合于实时性的应用。常用的按需路由协议如下：AODV、DSR、TORA、ABR、MSR等。

混合型路由协议是对主动式路由协议和按需路由协议的综合。这种路由协议在小范围局部区域内采用主动式路由协议，而在区域外节点的路由查找则采用按需路由协议。这样就避免了主动式路由协议中控制开销过大问题和按需路由协议中的长时延问题，常见的层次路由协议包括：ZRP、CEDAR、SRL等。

在具体的应用中，自组网路由协议设计需要考虑用户需求、网络能力、自组网特点和运行环境等多种因素，没有一种协议能够适应所有应用需要，针对不同的实际应用需设计采用相适应的协议。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法。采用本发明的方法，可以在无线多跳网络环境中为移动节点通信提供快速的路由建立和动态维护的路由协议，并同时融合传输监控数据，使得监控中心能方便的通过无线网络采集数据，下达监控命令。

为方便描述本发明方案，首先相关术语定义如下：

树形路由：采用本发明的方法，通过上下级关系，无线自组网络节点间形成的一种树形逻辑拓扑结构，如图1所示，在树形结构上可以方便的实现路由选择和通信；

根节点：单个树形路由的最高级节点，只有下级节点，没有上级节点，所有根节点组成更高一级通信网络(有线或无线)；

联网节点：已经加入到树形路由的节点；

孤立节点：未加入到树形路由的节点；

邻居节点：在节点通信半径内，能在链路动直接通信所有其它节点；

直接上级节点：能直接通信的上级节点，每个联网节点只有一个直接上级节点；

直接下级节点：能直接通信的下级节点，每个联网节点可以有若干个直接下级节点；

间接下级节点：不能直接通信的下级节点；

跳数：数据包到达根节点所需要转发的次数；

上行路径：由下级节点指向上级节点的链路；

下行路径：由上级节点指向下级节点的链路。

为实际上述任务，本发明采用下述技术方案：

一种用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法，包括树形路由的建立、动态维护过程和维护融合传输监控数据，其特征在于：

(1)树形路由的建立：节点通过握手和更新机制建立多个树形路由结构，其树形路由的建立的步骤：

S1-1初始化：对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立标示ID，根节点可能手动指定或自动选择，但根节点必须能够接入有线网络或具有另一个频点，所有的根节点组成更高一级通信网络，根节点是第一批联网节点，其跳数设为0；

S1-2联网节点周期性地广播HELLO报文，报文包含自己的节点标示ID和跳数，孤立节点A要加入网络，首先侦听一段时间，选择跳数较少的邻居节点B，跳数为N，向其发送路由请求RREQ；

S1-3A等待回复RREP，若在给定的时间内没有收到回复RREP，邻居表中将节点B做单向标记，并向其它跳数较少邻居节点发送请求RREQ，若所有邻居都已经发过请求RREQ，继续侦听网络；

S1-4若收到回复RREP，将该邻居节点B设为自己的上级节点，节点A成为联网节点，跳数为N+1，开始周期性地广播HELLO报文，并回复节点B路由应答RACK；

S1-5上级节点B收到应答RACK，将节点A设为自己的直接下级节点，加入路由表；

S1-6如果节点B不是根节点，则要向自己的上级节点C发路由更新RUPD，节点C收到下级发送的路由更新RUPD，将节点A设为自己的间接下级节点，将其下一跳节点设为节点B；

S1-7如果节点C不是根节点，重复S1-6，直到更新RUPD到达根节点；

S1-8重复S1-2～S1-7直到所有能收到HELLO报文并能与之双向通信的孤立节点都加入到网络中。

通过以上的加入过程，最终形成多个树形通信拓扑结构，除了根节点，每个节点都有一个直接上级节点和若干个或没有直接非直接下级节点；

(2)树形路由的动态维护过程：它包括与直接上级节点连通性检测、下级节点过期检测、切换上级节点，分别采用下面的步骤实现：

①与上级节点的连通性检测采用以下步骤：

S2-1所有联网节点周期性地广播HELLO报文，节点B收到节点A的HELLO报文，检查路由表，如果是自己的直接下级，回复HELLO-ACK报文；

S2-2节点A检测收到直接上级节点B的HELLO-ACK报文，如果在规定的时间内没有收到，则认为与直接上级节点失去联系，转S4-2；

②下级节点过期检测采用以下步骤：

S3-1节点B检测收到直接下级节点A的HELLO报文，如果在规定的时间内没有收到，认为与直接下级节点失去联系，删除本节点路由表中节点A项以及A作为下一跳节点的所有非直接下级节点项，如果节点B不是要节点，向自己的直接上级节点C发送RDEL报文，报告要删除的路由；

S3-2节点C到直接下级节点B的RDEL报文，删除路由表中相应节点；

S3-3如果节点C不是根节点，重复S3-2，直到RDEL到达根节点；

③切换上级节点采用以下步骤：

S4-1节点A检测到与直接上级节点B失去联系，或者邻居节点中有节点比直接上级节点B跳数更少，则节点A切换真接上级节点；

S4-2节点A发报文通知自己的所有下级节点进入安静状态，在该状态下节点不再发送广播HELLO报文，响应路由请求；

S4-3延时给定时间后，向选定的上级节点B发送路由请求RREQ，以下步骤基本同S1-3～S1-7，所不同的是路由更新报文中不仅包含节点A还包括节点A的所有下级节点；

S4-4如果在一定时间内节点A没有成功找到直接上级节点，则节点A的所有下级节点成为孤立节点，重新加入网络。

(3)路由维护融合传输监控数据：包括节点监控数据融合上传和自动调整HELLO报文发送时间：

①节点监控数据融合上传：末端节点A在广播HELLO报文时，报文中还包括本节点需要实时监控的数据，其直接上级节点B收到A的HELLO报文后，记录下该监控数据，并将其与本节点监控数据和收到的其它下级节点数据进行融合处理，而节点B发送的HELLO报文包含了这些融合后的数据，这样逐级处理上传，直到数据到达根节点，根节点再通过上层网络送到监控中心；

②自动调整HELLO报文发送时间：所有节点发送HELLO报文的时间间隔均为N，N为较大数，节点收到直接上级节点的HELLO报文后，将自己下次发送HELLO报文的时间设为N-1。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1)是一种半分布式路由算法，每个联网节点只知道到自己下级节点的路由，到未知节点的路由则由上级节点解决。

2)具有一定自适应能力，能够适应变化的网络拓扑结构，通过切换上级节点方式进行树形路由的调整和优化。

3)可避免路由环路，网络通过树形拓扑构成一个连通域，任意联网节点都可以找到唯一的一条到达其它节点的路径，尽管节点只知道部分路由，数据转发时也不会形成路由环路。

4)路由算法开销较少，在网络建立时，只需要和直接上级节点通过握手机制加入网络，网络建立后，只需要通过广播路由维护HELLO包和应答包HELLO-ACK来维护，不需要采用全网络范围洪泛方式。

5)具有一定可扩展性，通过采用两级网络结构，可应用于较大规模网络。

6)适用于各种无线监控系统，可利用路由维护数据包传输需实时监控的数据，在中间树节点进行数据融合运算，并通过最短路径向中心监控节点传输。

综上所述，本发明提供了一种适用于监控系统的无线自组网路由方法，它包括路由的生成过程、路由的动态维护和基于路由算法的监控数据融合传输。与传统的无线自组网路由算法相比，本方法效率较高，易于实现，构成的网络稳定可靠。路由的建立和维护仅在一跳范围进行，路由算法开销少，易于维护，由于它属于主动式路由，数据传输时延小，结合树形路由的特点和路由维护包，还可以融合传输实时监控数据。本方法适用于中等规模(数百个节点)、网络负荷较重、节点可移动的无线监控网络。

附图说明

附图1为通过上下级关系，无线自组网络节点间形成的一种树形逻辑拓扑结构。

附图2为节点成为联网节点及联网节点响应路由请求的流程图。

附图3为节点维护流程图，包括上级节点连通性检测、下级节点过期检测、上级节点切换。

附图4为上级节点切换示意图。

附图5为用于路由建立和维护的各种数据包结构。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

在用于监控系统的无线自组网中，节点可采用本发明的路由方法。将要监控的区域按面积或位置划分成若干个小区，每个小区放置2个根节点(互为备用)，根节点间通过有线或无线方式组网，接入后台监控主机。通过本路由方法，形成以根节点为中心的多个树形路由，在实际应用中，一般将很少移动的节点作为根节点，而对于个别移动特别频繁的节点，为防止路由结构的频繁变化，可只将其作为术端节点(不响应其它节点的路由请求)。要监控的数据通过节点采集后，通过路由维护数据包，定时通过树形网络融合上传到根节点，再由根节点传到监控主机，监控主机要发布的监控命令也可以通过网络迅速到达指定节点。与现有无线监控网络相比，该方式配置灵活，易于维护，更适合复杂的网络应用环境。

本用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法的具体操作步骤如下：

(1)树形路由的建立：节点通过握手和更新机制建立多个树形路由结构，其树形路由的建立的步骤：

S1-1初始化：对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立标示ID，根节点可能手动指定或自动选择，但根节点必须能够接入有线网络或具有另一个频点，所有的根节点组成更高一级通信网络，根节点是第一批联网节点，其跳数设为0；

S1-2联网节点周期性地广播HELLO报文，报文包含自己的节点标示ID和跳数，孤立节点A要加入网络，首先侦听一段时间，选择跳数较少的邻居节点B，跳数为N，向其发送路由请求RREQ；

S1-3A等待回复RREP，若在给定的时间内没有收到回复RREP，邻居表中将节点B做单向标记，并向其它跳数较少邻居节点发送请求RREQ，若所有邻居都已经发过请求RREQ，继续侦听网络；

S1-4若收到回复RREP，将该邻居节点B设为自己的上级节点，节点A成为联网节点，跳数为N+1，开始周期性地广播HELLO报文，并回复节点B路由应答RACK；

S1-5上级节点B收到应答RACK，将节点A设为自己的直接下级节点，加入路由表；

S1-6如果节点B不是根节点，则要向自己的上级节点C发路由更新RUPD，节点C收到下级发送的路由更新RUPD，将节点A设为自己的间接下级节点，将其下一跳节点设为节点B；

S1-7如果节点C不是根节点，重复S1-6，直到更新RUPD到达根节点；

S1-8重复S1-2～S1-7直到所有能收到HELLO报文并能与之双向通信的孤立节点都加入到网络中。

如图2所示，(a)图表示节点加入网络的流程，而(b)图给出上级节点响应路由请求的过程。通过以上的加入过程，最终形成多个树形通信拓扑结构，除了根节点，每个节点都有一个直接上级节点和若干个(或没有)直接非直接下级节点。

例如，在图1中，设定节点1、8、14为根节点，对于根节点1，节点2、3、4首先加入网络，成为跳数为1的联网节点，它们的直接上级节点为节点1。然后节点5、6将节点3作为直接上级节点，节点7将节点4作为直接上级节点，加入网络，形成树形路由结构。同样，根节点8、14周围也形成类似的树形路由。而所有根节点通过有线或无线方式形成更高一级网络。

当源节点要发送数据包通过中继节点到目的节点时，对于源节点，首先查找路由表，如果有该目的节点记录，则发送给相应直接下级节点，标记为下行，如果没有该目的节点记录，则发送给自己的直接上级节点，标记为上行；对于中继节点，首先查看包中上下行标记，如果为上行，则包处理同源节点，如果为下行且路由表中有目的节点项，则转发给相应直接下级节点，否则为路由出错，作丢包处理。如果根节点在路由表没有该项，则交给上级网络处理。

由于自组织网络的节点的移动及功率变化等因素，会引起网络通信拓扑变化，所以树形路由需要动态维护。

(2)树形路由的动态维护过程：包括与直接上级节点连通性检测、下级节点过期检测、切换上级节点；

①为保证正常通信，联网节点需定时检测与直接上级节点的双向连接，如果发现与直接上级节点失去联系，则需要切换直接上级节点，重新联网。如图3(a)所示，与直接上级节点的连通性检测采用以下步骤：

S2-1所有联网节点周期性地广播HELLO报文，节点B收到节点A的HELLO报文，检查路由表，如果是自己的直接下级，回复HELLO-ACK报文；

S2-2节点A检测收到直接上级节点B的HELLO-ACK报文，如果在规定的时间内没有收到，则认为与直接上级节点失去联系，转S4-2。

②同样，联网节点还要检测与直接下级节点的连接，如果在给定时间内没有收到下级节点发送的广播报文，则认为该直接下级节点失效，则在路由表中删除与该直接下级节点相关项，并向上级节点报告处理。图3(b)给出了直接下级节点过期检测的过程，采用以下步骤：

S3-1节点B检测收到直接下级节点A的HELLO报文，如果在规定的时间内没有收到，认为与直接下级节点失去联系，删除本节点路由表中节点A项以及A作为下一跳节点的所有非直接下级节点项，如果节点B不是要节点，向自己的直接上级节点C发送RDEL报文，报告要删除的路由；

S3-2节点C到直接下级节点B的RDEL报文，删除路由表中相应节点；

S3-3如果节点C不是根节点，重复S3-2，直到RDEL到达根节点。

③为适应网络拓扑变化，优化网络路由，联网节点要根据情况适时切换直接上级节点。见图3(c)，切换上级节点采用以下步骤：

S4-1节点A检测到与直接上级节点B失去联系，或者邻居节点中有节点比直接上级节点B跳数更少，则节点A切换真接上级节点；

S4-2节点A发报文RSIL通知自己的所有下级节点进入安静状态，在该状态下节点不再发送广播HELLO报文，响应路由请求；

S4-3延时给定时间后，向选定的上级节点B发送路由请求RREQ，以下步骤大致同S1-3～S1-7，所不同的是路由更新报文中不仅包含节点A还包括节点A的所有下级节点；

S4-4如果在一定时间内节点A没有成功找到直接上级节点，则节点A的所有下级节点成为孤立节点，重新加入网络。

图4给出树形路由切换的示例，节点17移动到根节点8的通信范围内，发现节点8的跳数为0，而本节点的直接上级节点16的跳数为1，触发路由切换，将直接上级节点切换为8；节点10移动到其直接上级节点的通信范围外，通过检测收到的HELLO-ACK报文，发现与直接上级节点失去联系，将直接上级节点切换为节点11，这时节点13不受影响，仍为其下级节点。

通过树形的动态维护，可以适应网络由于节点移动、功率变化、关机等因素引起的网络变化，适时优化网络路由结构，在维护的过程中，一般只影响到局部相关节点，不会出现剧烈的路由拓扑变化。

(3)无线自组组织网络采用树形路由适用于各种监控系统，这里大部分数据通信发生在监控中心节点和其它联网节点之间，所设计的树形路由基本上是最短路径。在监控系统中，节点经常有大量实时监控数据上传至监控中心节点，通过本发明的方法，可利用路由维护数据包，融合传输监控数据，包括节点监控数据融合上传和自动调整HELLO报文发送时间。

①节点监控数据融合上传：末端节点A在广播HELLO报文时，报文中还包括本节点需要实时监控的数据，其直接上级节点B收到A的HELLO报文后，记录下该监控数据，并将其与本节点监控数据和收到的其它下级节点数据进行融合处理，而节点B发送的HELLO报文包含了这些融合后的数据，这样逐级处理上传，直到数据到达根节点，根节点再通过上层网络送到监控中心。

②自动调整HELLO报文发送时间：所有节点的时间间隔均为N(N为较大数)，节点收到直接上级节点的HELLO报文后，将自己下次发送HELLO报文的时间设为N-1。这样在每轮发送HELLO报文时，下级节点发送HELLO报文的时间要稍早于其直接上级节点，监控数据可快速从下级传送到根节点。

通过以上路由生成、路由动态维护和基于路由算法的监控数据融合传输三个过程，构成了适用于监控系统的无线自组网路由方法。它是一种主动式路由，适合用于网络负载较重的监控网络，同时又能够适应网络拓扑的变化。

Claims (1)

1.一种用于监控系统的无线自组网形成树形路由方法，包括树形路由的建立、动态维护过程和维护融合传输监控数据，其特征在于：

a.树形路由的建立：节点通过握手和更新机制建立多个树形路由结构，其树形路由的建立的步骤：

S1-1初始化：对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立标示ID，根节点可能手动指定或自动选择，但根节点必须能够接入有线网络或具有另一个频点，所有的根节点组成更高一级通信网络，根节点是第一批联网节点，其跳数设为0；

S1-2联网节点周期性地广播HELLO报文，报文包含自己的节点标示ID和跳数，孤立节点A要加入网络，首先侦听一段时间，选择跳数较少的邻居节点B，跳数为N，向其发送路由请求RREQ；

S1-3A等待回复RREP，若在给定的时间内没有收到回复RREP，邻居表中将节点B做单向标记，并向其它跳数较少邻居节点发送请求RREQ，若所有邻居都已经发过请求RREQ，继续侦听网络；

S1-4若收到回复RREP，将该邻居节点B设为自己的上级节点，节点A成为联网节点，跳数为N+1，开始周期性地广播HELLO报文，并回复节点B路由应答RACK；

S1-5上级节点B收到应答RACK，将节点A设为自己的直接下级节点，加入路由表；

S1-6如果节点B不是根节点，则要向自己的上级节点C发路由更新RUPD，节点C收到下级发送的路由更新RUPD，将节点A设为自己的间接下级节点，将其下一跳节点设为节点B；

S1-7如果节点C不是根节点，重复S1-6，直到更新RUPD到达根节点；

S1-8重复S1-2～S1-7直到所有能收到HELLO报文并能与之双向通信的孤立节点都加入到网络中。

通过以上的加入过程，最终形成多个树形通信拓扑结构，除了根节点，每个节点都有一个直接上级节点和若干个或没有直接非直接下级节点；

b.树形路由的动态维护过程：它包括与直接上级节点连通性检测、下级节点过期检测、切换上级节点，分别采用下面的步骤实现：

①与上级节点的连通性检测采用以下步骤：

S2-1所有联网节点周期性地广播HELLO报文，节点B收到节点A的HELLO报文，检查路由表，如果是自己的直接下级，回复HELLO-ACK报文；

S2-2节点A检测收到直接上级节点B的HELLO-ACK报文，如果在规定的时间内没有收到，则认为与直接上级节点失去联系，转S4-2；

②下级节点过期检测采用以下步骤：

S3-1节点B检测收到直接下级节点A的HELLO报文，如果在规定的时间内没有收到，认为与直接下级节点失去联系，删除本节点路由表中节点A项以及A作为下一跳节点的所有非直接下级节点项，如果节点B不是要节点，向自己的直接上级节点C发送RDEL报文，报告要删除的路由；

S3-2节点C到直接下级节点B的RDEL报文，删除路由表中相应节点；

S3-3如果节点C不是根节点，重复S3-2，直到RDEL到达根节点；

③切换上级节点采用以下步骤：

S4-1节点A检测到与直接上级节点B失去联系，或者邻居节点中有节点比直接上级节点B跳数更少，则节点A切换真接上级节点；

S4-2节点A发报文通知自己的所有下级节点进入安静状态，在该状态下节点不再发送广播HELLO报文，响应路由请求；

S4-3延时给定时间后，向选定的上级节点B发送路由请求RREQ，以下步骤基本同S1-3～S1-7，所不同的是路由更新报文中不仅包含节点A还包括节点A的所有下级节点；

S4-4如果在一定时间内节点A没有成功找到直接上级节点，则节点A的所有下级节点成为孤立节点，重新加入网络。

c.路由维护融合传输监控数据：包括节点监控数据融合上传和自动调整HELLO报文发送时间：

①节点监控数据融合上传：末端节点A在广播HELLO报文时，报文中还包括本节点需要实时监控的数据，其直接上级节点B收到A的HELLO报文后，记录下该监控数据，并将其与本节点监控数据和收到的其它下级节点数据进行融合处理，而节点B发送的HELLO报文包含了这些融合后的数据，这样逐级处理上传，直到数据到达根节点，根节点再通过上层网络送到监控中心；

②自动调整HELLO报文发送时间：所有节点发送HELLO报文的时间间隔均为N，N为较大数，节点收到直接上级节点的HELLO报文后，将自己下次发送HELLO报文的时间设为N-1。

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