CN102006651A - 基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不要求测距定位系统，保证路由协议的独立性，且能够快速建立稳定路由的，基于链路生命期的自组网稳定路径路由方法。通过各节点记录本地节点与邻居节点之间的链路的连通起始时刻并据此更新路径稳定性，从而选择最稳定路径，使得路由协议能够为用户业务提供更加稳定的路径，减少路由维护开销，提高路由协议效率；中间节点及目的节点在转发路径搜寻报、路径转发报这些控制报文时没有等时延，保证路径的快速建立；通过动态路径切换方法提高路径的稳定性，即当节点获得比原先路径更加稳定的新路径后，将原先路径切换为新路径，使得路由协议能够提供最稳定路径。

Description

基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法

技术领域

本发明属于使用自组网技术的领域，如无线自组网络、传感器网络、无线局域网、无线接入等，特别是涉及到无线自组织互联网的路由技术。 

背景技术

自组网是一种移动通信与计算机网络相结合的网络，通信节点具有随机移动性，网络拓扑结构频繁变化。每个通信节点同时兼有路由及终端两种功能，通过分布式方法协同完成路由的搜寻及数据的转发，实现各种面向用户的应用需求。各通信节点根据路由策略完成控制分组的转发及路由转发表的更新，并依照路由转发表完成数据分组的传递。自组网的路由协议设计的目标是动态适应网络拓扑变化的影响，高效快速地搜寻与维护路由信息，并尽可能地保证所获路径的可用性、稳定性，降低路由协议开销，以满足用户业务对网络传输性能的要求，以及通信节点在计算能力、储存空间以及电源等方面的限制。 

传统的自组网路由协议设计方法，依靠路径动态维护过程来克服由通信节点移动性所引发的路径断裂的影响。由于路径动态维护过程只能在链路断裂之后对路径进行修复，并引入路径修复时延，往往不能保证数据业务传输对路径稳定性及时延抖动的要求。因此，有必要考虑通信节点移动性对链路稳定性所带来的影响，并设计稳定路径路由方法。 

稳定路径路由方法的基本思想是：收集通信节点间链路连通性信息，通过分析通信节点移动规律得到通信节点间链路的稳定性指标，并将该指标应用于路径搜寻过程中，在满足其它性能指标的基础上，优先选择最稳定的链路构成数据传输路径，以降低路径断裂的可能性，延长路径生存时间，减少通信中断概率及时延，提高网络传输性能。 

典型的稳定路径路由方法有： 

基于预测的链路稳定源路由协议(参见文献：Jiang S，He D，Rao J.A Prediction-BasedLinkAvailability Estimation for Routing Metrics in MANETs.IEEE/ACM Transactions on Networking，2005，13(6)：1302-1312.)、节能链路稳定路由协议(参见文献：Rango F D，Guerriero F，Marano S，et al.A Multiobjective Approach for Energy Consumption and Link Stability Issues in Ad Hoc Networks.IEEE Communications Letters，2006，10(1)：28-30.)、朝向角度路由协议(参见文献：Al-Akaidi M，Alchaita M.Link stability and mobility in ad hoc wireless networks.IET Communications，2007，1(2)：173-178.)、基于链路稳定性的动态源路由协议(Meng L，Wu W.Dynamic Source Routing Protocol Based on Link Stability Arithmetic.International Symposium on Information Science and  Engineering(ISISE’08)，Shanghai，China，20-22Dec.，2008：730-733.)、基于链路稳定预测的路由协议(参见文献：Hu X，Wang J，Wang C.Link Stability Prediction and its Application to Routing in Mobile Ad Hoc Networks.2nd International Conference on PowerElectronics and Intelligent Transportation System(PEITS’09)，Shenzhen，China，19-20Dec.，2009：141-144.)等。现有自组网路由协议优化设计方法中，由于通信节点的移动性，为测算链路稳定性，要求通信节点装配测距定位系统。部分协议采用功率检测系统，在无噪声干扰假设下对节点相对距离及稳定性进行估计，难以在实际繁杂时变的电磁环境中进行应用。另一部分协议采用全球定位系统，提高了系统硬件需求及成本，增加了节点能耗。且上述方法都要求路由协议与测距定位系统(如GPS)之间进行数据交互，不利于通信协议体系中各层次设计的独立性，增加了系统设计与维护的难度。其次，现有算法在路径搜索过程中，通常要求中间节点在接收到多个路由请求报之后再做出判断，选择稳定性较高的链路构成路由路径，由此引入等待时延，对链路生命期造成浪费，并降低路径搜索的效率。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不要求测距定位系统，保证路由协议的独立性，且能够快速建立稳定路由的，基于链路生命期的自组网稳定路径路由方法。 

本发明为解决上述技术问题所采用的技术手段是，基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，包括以下步骤： 

1)各节点记录本地节点与邻居节点之间的链路的连通起始时刻； 

2)源节点向目的节点发起稳定路径生成过程： 

2-1)源节点广播路径搜寻报；所述路径搜寻报中包括源地址、目的地址、路径稳定性概率值，所述路径稳定性概率值的初值为1，所述目的地址为目的节点地址，所述源地址为源节点地址； 

2-2)下一跳节点收到路径搜寻报后，该节点通过查找本地记录的链路的连通起始时刻得到链路生命期，并利用链路生命期更新路径搜寻报中的路径稳定性概率值；所述链路生命期为当前时刻与链路的连通起始时刻之差； 

2-3)当更新后的路径稳定性概率值大于节点本地存储的路由转发表中的路径稳定性概率值时，利用所述路径搜寻报中的上一跳地址更新指向源节点的路由转发表项的上一跳地址；并判断本地节点地址是否为路径搜寻报中的目的地址，如是，进入下一步骤；如否，广播转发更新后的路径搜寻报，并返回上一步骤； 

2-4)目的节点根据本地的路由转发表向源节点单播路径应答报；所述路径应答报中包括源地址、目的地址、路径稳定性概率值，所述路径稳定性概率值的初值为1，所述目的地址 为目的节点地址，所述源地址为源节点地址； 

2-5)下一跳节点收到路径应答报后，通过查找本地记录的链路的连通起始时刻得到链路生命期，并利用链路生命期更新路径应答报中的路径稳定性概率值； 

2-6)当更新后的路径稳定性概率值大于节点本地存储的路由转发表中的路径稳定性概率值时，该节点利用所述路径应答报中的上一跳地址更新指向目的节点的路由转发表项的上一跳地址；并判断本地节点地址是否为路径应答报中的源地址，如是，进入下一步骤；如否，节点根据本地路由转发表项向源节点单播路径应答报，并返回上一步骤； 

2-7)源节点收到来自目的节点的路径应答报文后，建立到目的节点的路由转发表项，生成路由路径。 

本发明通过各节点记录本地节点与邻居节点之间的链路的连通起始时刻并据此更新路径稳定性，从而选择最稳定路径，使得路由协议能够为用户业务提供更加稳定的路径，减少路由维护开销，提高路由协议效率；中间节点及目的节点在转发路径搜寻报、路径转发报这些控制报文时没有等时延，保证路径的快速建立；通过动态路径切换方法提高路径的稳定性，即当节点获得比原先路径更加稳定的新路径后，将原先路径切换为新路径，使得路由协议能够提供最稳定路径；基于链路生命期估计链路稳定性，消除通信节点对定位测距系统的要求，降低系统成本及实现复杂度；采用按需路由方法，没有周期性的全网广播，只在用户业务有需要时才发起路由发现过程，有利于节省开销，提高网络效率。 

为了保证链路稳定性估计准确性，本发明通过以下公式更新路径搜寻报或路径应答报中的路径稳定性概率值：P_{path_stable}×L(T_{link_age})； 

P_{path_stable}为收到的路径搜寻报或路径应答报中的路径稳定性概率值，T_{link_age}为链路生命期，L(T_{link_age})为链路生命期内链路稳定性，链路稳定性通过以下公式得到： 

$L\left(T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}}\right)=\frac{{\∫}_0^R\left[{\∫}_0^{R}p(r_0,r_1,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{residual}})d{r}_1\right]p(R,r_0,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}})d{r}_0}{{\∫}_0^{R}p(R,r_0,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}})d{r}_0}$

其中，概率密度函数p(r₀，r₁，T_{link_residual})表示在时间段T_{link_residual}内维持连通时，邻居节点在时间段T_{link_residual}内从相对距离r₀移动到相对距离r₁的概率密度，T_{link_residual}是路由参数，表示要求链路维持连通的时间；R表示节点通信半径；概率密度函数p(R，r₀，T_{link_age})表示链路在时间段T_{link_age}内维持连通时，邻居节点在从通信半径R移动至通信范围中的任意位置r₀的概率密度。概率密度函数p通过通信节点移动模型获得。L(T_{link_age})与节点间相对距离无关。 

当链路在T_{link_age}时间段内维持连通时，邻居节点从通信半径R移动至通信范围中的任意位置r₀的概率密度为p(R，r₀，T_{link_age})；再维持连通T_{link_residual}时间段时，邻居节点从r₀移动至通信范围中的任意位置r₁的概率密度为p(r₀，r₁，T_{link_residual})；因而，链路在T_{link_age}时间段内维持连通且再维持连通T_{link_residual}时间段的概率为 

${\∫}_0^R[{\∫}_0^{R}p(r_0,r_1,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{residual}})d{r}_1]p(R,r_0,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}})d{r}_0$

于是，链路在T_{link_age}时间段内维持连通的条件下再维持连通T_{link_residual}时间段的条件概率就能通过公式(1)准确地估计到。 

由于公式(1)中的计算较为复杂，进一步的，为实时性要求，可事先计算不同链路生命期下对应的链路稳定性概率值，并建立成链路稳定性概率值查询表，通过链路稳定性查询表获得链路稳定性概率值。链路稳定性概率值查询表是一个二维表，通过链路生命期T_{link_age}查询对应的链路稳定性概率值L(T_{link_age})，以快速得到更新的路径稳定性概率值。 

具体的，步骤2-3)中所述相应的路由转发表项为路由转发表中存在到源节点的路由表项；步骤2-6)中所述相应的路由转发表项为路由转发表中存在到目的节点的路由表项。 

进一步的，各节记录本地节点与邻居节点之间的链路的连通起始时刻的具体方式为： 

各节点周期性广播链路连通性嗅探报，并通过接收其邻居节点广播的链路连通性嗅探报来维护本地的链路连通时间表；所述链路连通性嗅探报中包括有发送该链路连通性嗅探报的节点的本地地址；所述链路连通时间表中包括有邻居地址、本地节点与该邻居节点之间的链路的连通起始时刻； 

当节点收到来自其邻居节点的链路连通性嗅探报后，该节点查找本地的链路连通时间表，判断链路连通时间表中是否存有在邻居地址与接收到的链路连通性嗅探报中的本地地址相同的表项，如是，丢弃该链路连通性嗅探报，如否，节点在本地的链路连通时间表中加入一条新的表项，该新表项的邻居地址为该链路连通性嗅探报中的本地地址，连通起始时刻为当前时刻，之后，丢弃该链路连通性嗅探报。 

通过网络层周期性广播链路连通性嗅探报获得链路生命期，容易实现。不要求链路层实现额外功能，没有层间额外数据交互，保证路由协议的独立性，可以直接搭建于现有链路层协议上，适用范围广。 

当引入了链路连通时间表后，步骤2-2)中下一跳节点收到路径搜寻报后，该节点通过查找本地记录的链路的连通起始时刻得到链路生命期的具体步骤为： 

节点从路径搜寻报的IP报头中获得上一跳节点地址，并在链路连通时间表中查找邻居地址与所述上一跳节点地址相同的表项，提取该表项中的连通起始时刻，再计算当前时刻与链路的连通起始时刻之差，并将计算结果赋值给链路生命期。 

进一步的，为了能够动态维护路径连通性，各节点还周期性检测本地节点与邻居节点之间链路对应的链路生命期，当有链路对应的链路生命期大于预设的链路有效时延阈值，节点在本地删除该链路生命期，并进行路径动态维护处理。当引入了链路连通时间表后，此操作具体为：节点通过周期性检测本地的链路连通时间表中的连通起始时刻来检测本地节点与邻居节点之间链路对应的链路生命期是否大于预设的链路有效时延阈值；当链路连通时间表中存在链路生命期是否大于预设的链路有效时延阈值的表项时，节点在本地链路连通时间表中删除该表项，并进行针对该节点的路径动态维护处理。 

进一步的，为了对路径进行修复，对路径信息进行更新，以事项动态维护路径，保证路径信息在网络中的收敛性，所述路径应答报还包括强制更新标志，当强制更新标志为1表示强制更新生效，当强制更新标志为0表示强制更新无效；当强制更新生效时，则用所述路径应答报中的上一跳地址更新指向目的节点的路由转发表项的上一跳地址； 

路径动态维护处理的具体包括以下步骤： 

a、节点向目的节点发起稳定路径生成过程，建立到目的节点的路由转发表项，生成新的稳定路由路径；此过程与上述步骤2)基本相同，其中发起稳定路径生成的主体是需动态维护的节点；此过程中广播的路径搜寻报中目的地址为目的节点地址，源地址为所述需动态维护的节点地址、路径稳定性概率值的初始值为1；单播的路径应答报中目的地址为目的节点地址，源地址为所述需动态维护的节点地址、路径稳定性概率值的初始值为1、强制更新标志为0；另外，步骤2)源节点向目的节点发起稳定路径生成过程中，路径应答报中的强制更新标志也为0； 

b、获得新的路由路径后，节点根据路由转发表项向源节点单播路径应答报，所述路径应答报中目的地址为目的节点地址，源地址为需动态维护的节点地址、路径稳定性概率值的为路由转表表项中的路径稳定性概率值、强制更新标志为1； 

c、下一跳节点收到路径应答报后，检测该路径应答报中强制更新标志为1，则用该路径应答报中的上一跳地址更新指向目的节点的路由转发表项的上一跳地址；并判断本地节点地址是否为路径应答报中的源地址，如是，进入下一步骤；如否，该节点根据本地路由转发表项向源节点单播路径应答报，并返回本步骤； 

d、源节点收到路径应答报文后，建立到需动态维护的节点的路由转发表项，生成新的路由路径，动态维护完成。 

为了完善路径动态维护处理过程，除了上述对路径的局部修护，进一步引入了故障路径的处理机制，对不能修复的路径进行删除：路径搜寻报、路径应答报中还包括有路径长度；所述路径搜寻报、路径应答报中的路径长度初始值为0； 

在广播转发更新后的路径搜寻报之前，还将路径搜寻报中的路径长度增加1； 

在根据本地路由转发表项向源节点单播路径应答报之前，还将路径应答报中的路径长度增加1； 

在用路径搜寻报或路径应答报中的上一跳地址更新指向源节点或目的节点的路由转发表项的上一跳地址的同时，还用路径搜寻报或路径应答报中的路径长度更新指向源节点或目的节点的路由转发表项的路径长度； 

路径动态维护处理过程中；步骤a(路径的局部修护处理步骤)之前，节点在路由转发表中查找转发地址与所述链路连通时间表中邻居地址相同的表项，判断该表项中的路径长度是否小于等于阈值，如是，进入步骤a；如否，表明路径长度过长难以修复，执行故障处理步骤(阈值是用户可以自行设置的值；如果阈值为0，表示不采用局部修护；阈值越大，则越倾向于使用局部修护来处理链路断裂的事件)： 

节点向源节点单播路径故障报，所述路径故障报包括源地址、目的地址，所述目的地址为目的节点地址，源地址为源节点地址； 

下一跳节点收到所述路径故障报，查找本地路由转发表中相应目的地址的表项，当该表项内的转发地址与路径故障报中上一跳节点地址相等，则删除该表项，并根据路由转发表转发路径故障报；否则，丢弃所述路径故障报。路障处理步骤的目的是通知源节点，路径已经不可用，并在路径故障报的传递过程中，中间节点将指向目的节点的路由转发表项删除。 

本发明的有益效果是，在不依赖于通信节点对测距定位系统的基础上，利用链路生命期计算链路稳定性概率值，降低通信节点设计的复杂度，通过分布式路径搜寻路径，为数据传输快速地建立稳定路径，路径中断频率低，路由协议开销小，算法具有良好的可扩展性和收敛速度快等优点。另外，通过路径动态维护更进一步地提高网络协议效率，降低传输中断概率及时延。 

附图说明

图1为链路连通时间表的周期检查步骤。 

图2为路径搜寻报的处理步骤。 

图3为路径应答报的处理步骤。 

图4为路由维护过程的处理步骤。 

具体实施方式

为描述方便，首先定义如下概念： 

链路稳定性：用于表征相邻节点之间链路保持连通的概率指标。 

路径稳定性：用于表征源节点到目的节点之间路径维持连通的概率指标。 

链路连通性嗅探报：用于探测相邻节点间链路的连通状况的控制报文，包含<本地地址>域。 

路径搜寻报：路径搜寻报是用于寻找从源节点到目的节点之间可用路径的控制报文，包含<源地址>域、<目的地址>域、<路径长度>域、<路径稳定性>域，除了局部修护的情况中源地址为需局部修护的节点地址外，路径搜寻报中的源地址为源节点地址，目的地址为节点地址。 

路径应答报：路径应答报是用于从目的节点向源节点反馈路径选择决策的控制报文，包含<源地址>域、<目的地址>域、<路径长度>域、<路径稳定性>域，<强制更新>域，除了局部修护的情况中源地址为需局部修护的节点地址外，路径搜寻报中的源地址为源节点地址，目的地址为节点地址。 

路径故障报：用于中间节点向源节点报告路径故障的控制报文，包含<源地址>域、<目的地址>域，路径故障报的源地址为源节点地址，目的地址为节点地址。 

链路连通时间表：为存放相邻节点之间链路生命期的表格，包括<邻居地址>域、<连通起始时刻>域。 

链路稳定性查询表：为快速查询链路生命期与稳定性的表格，包括<链路生命期>域、<链路稳定性>域。 

路由转发表：为存放路径信息的表格，用于转发用户业务的数据报文，包括<目的地址>域、<转发地址>域、<路径长度>域、<路径稳定性>域。 

基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法包括链路生命期检测、稳定路径生成和路径动态维护三个过程。 

1、链路生命期检测过程如图1所示： 

各通信节点周期性地广播链路连通性嗅探报，周期性地检测链路连通时间表。广播周期为T_{link_probe}秒，检测周期为T_{link_check}秒。各通信节点将广播的链路连通性嗅探报中的<本地地址>域填写为各自的本地地址；通信节点检测链路连通时间表时，判断链路连通时间表中是否有<连通起始时刻>域与当前时刻之差大于链路有效时延T_{link_avail}秒的表项，如是，将该表项从链路连通时间表中删除，进入路径动态维护步骤； 

当某节点收到来自其邻居节点的链路连通性嗅探报后，该节点查找本地的链路连通时间 表，判断链路连通时间表中是否存有在<邻居地址>域与接收到的链路连通性嗅探报中的<本地地址>域相同的表项，如是，丢弃该链路连通性嗅探报，如否，节点在本地的链路连通时间表中加入一条新的表项，新表项的<邻居地址>域填写为该链路连通性嗅探报中的<本地地址>域，<连通起始时刻>域填写为当前时刻，之后，丢弃该链路连通性嗅探报； 

链路生命期检测过程中维护的链路连通时间表主要为稳定路径生成过程的链路稳定性计算提供参数。 

2、稳定路径生成包括源节点向目节点发送路径搜寻报、目的节点向源节点发送路径应答报两个过程，通过这两个过程，各节点能够即时更新各自的路由转发表，快速建立起最稳定路径： 

源节点向目节点发送路径搜寻报的过程如图2所示： 

2-1、源节点向其邻居节点广播路径搜寻报，<路径稳定性>域的初始值为1，<路径长度>域的初始值为0； 

2-2、节点收到路径搜寻报之后，处理步骤如下： 

2-2a、节点从路径搜寻报的IP报头中获得上一跳节点地址A_{prev_hop}，并在链路连通时间表中查找<邻居地址>域与邻居节点地址A_{prev_hop}相同的表项，提取该表项对应的<连通起始时刻>域，以计算链路生命期。表项中的<连通起始时刻>域值为T_{link_start}秒，当前时刻为T_now秒，链路生命期T_{link_age}＝T_now-T_{link_start}。在链路生命期内链路稳定性L(T_{link_age})为： 

$L\left(T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}}\right)=\frac{{\&Integral;}_0^R\left[{\&Integral;}_0^{R}p(r_0,r_1,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{residual}})d{r}_1\right]p(R,r_0,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}})d{r}_0}{{\&Integral;}_0^{R}p(R,r_0,T_{\mathrm{link}\_\mathrm{age}})d{r}_0}$ 公式(1) 

其中，概率密度函数p(r₀，r₁，T_{link_residual})表示邻居节点在时间段T_{link_residual}内从相对距离r₀移动到相对距离r₁的概率密度，T_{link_residual}是路由参数，表示要求链路维持连通的时间；R表示节点通信半径。概率密度函数p通过通信节点移动模型获得。邻居节点从r₀移动至通信范围中的任意位置r₁的概率密度表示为p(r₀，r₁，T_{link_residual})。L(T_{link_age})与节点间相对距离无关； 

2-2a’由于公式(1)中的计算较为复杂，为实时性要求，事先计算不同链路生命期下对应的链路稳定性，并建立成链路稳定性查询表。通过所述链路稳定性查询表获得链路稳定性。所述链路稳定性查询表是一个二维表，通过链路生命期T_{link_age}查询对应的链路稳定性L(T_{link_age})； 

2-2b根据所述路径搜寻报中的<路径稳定性>域值P_{path_stable}及所述链路稳定性L(T_{link_age})，更新所述路径搜寻报中的<路径稳定性>域为P_{path_stable}×L(T_{link_age})。该路径稳定性对应于所述路径搜寻报所经路径的稳定性； 

2-2c如果路由转发表中存在到源节点的路由表项，且所述表项中的<路径稳定性>域值小于所述路径搜寻报中的<路径稳定性>域值，那么用所述路径搜寻报中的上一跳地址和路径长度更新所述表项。如果路由转发表中不存在到源节点的路由表项，那么在路由转发表中利用所述路径搜寻报中的源地址、上一跳地址和和路径长度建立到源节点的表项； 

2-2d如果本节点地址不同于所述路径搜寻报中的<目的地址>域，且首次收到所述路径搜寻报，那么将所述路径搜寻报中的<路径长度>域增加1，通过广播方式转发所述路径搜寻报；否则，丢弃所述路径搜寻报； 

2-2e如果目的节点首次收到所述路径搜寻报，那么依据路由转发表向源节点单播路径应答报。否则，如果在步骤5中更新过路由转发表项，那么依据路由转发表向源节点单播路径应答报。所述路径应答报中的<路径稳定性>域填写为初始值1，<路径长度>域填写为初始值0，<强制更新>域填写为0； 

2-3、当节点收到所述路径应答报之后，处理步骤如图3所示： 

2-3a根据上一跳节点地址计算对应链路的稳定性，计算过程同步骤2-2a及2-2a’； 

2-3b根据所获链路稳定性，更新所述路径应答报中的<路径稳定性>域。计算过程同步骤2-2b； 

2-3c如果路由转发表中存在到目的节点的路由表项，且所述表项中的<路径稳定性>域值小于所述路径应答报中的<路径稳定性>域值，或者所述路径应答报中的<强制更新>域为1，那么用所述路径应答报中的信息更新所述表项；如果路由转发表中不存在到目的节点的路由表项，那么在路由转发表中利用所述路径应答报中的信息建立到目的节点的表项； 

2-3d如果本节点地址不同于路径应答报中的<目的地址>域，那么将路径应答报的<路径长度>域值增加1后，根据路由转发表向源节点转发路径应答。 

2-3e当源节点收到来自目的节点的路径应答报后，建立到目的节点的路由转发表项，完成路由搜索过程； 

2-4、当源节点从发起稳定路径生成过程开始，在时间范围T_{route_establish_timeout}内都没有收到对应的路由应答报时，稳定路径生成过程失败，目的节点不可达。 

3、动态路径维护过程如图4所示： 

3-1、当节点从链路连通时间表中删除表项中后，在路由转发表中查找<转发地址>域值与 所述链路连通时间表项中<邻居地址>域值相等的项； 

3-2、如果所述路由转发表项中的<路径长度>域不大于阈值TTL_{looal_repair}，那么进行路径的局部修复，进入步骤3-2a；否则，执行步骤3-3； 

3-2a节点向目的节点发起稳定路径生成过程，此时，发起维护的节点试图建立起一条从该节点到目的节点的稳定路径，路径搜寻报中的<源地址>域是该节点的地址，<目的地址>域填写为目的节点地址，与上述步骤2中的过程相同，获得需局部修护的节点到目的节点的新的路径。如果没有获得新的路径，那么执行步骤3； 

3-2b获得新路径后，节点向源节点单播一个路径应答报，其中<路径长度>域填写为新路径的长度，<路径稳定性>域填写为新的路径稳定性，<强制更新>域填写为1； 

3-2c当节点收到所述路径应答报后，依照路径生成过程中对应步骤处理动态路径维护过程； 

3-3、节点向源节点单播一个路径故障报，其中<源地址>域填写为源节点地址，<目的地址>域填写为目的节点地址； 

3-4、当节点收到所述路径故障报后，如果路由转发表中对应于目的地址的表项的<转发地址>域与所述路径故障报的上一跳节点地址相等，那么将路由转发表中的对应表项删除，并转发所述路径故障报；否则，丢弃所述路径故障报。 

下面给出一个具体的无线自组网中实施例。 

在目前广泛应用的无线局域网系统(Wireless LAN，802.11a/b)的Ad Hoc工作模式中，可以采用本发明中的自组织动态路由方法实现通信节点的路由协议，构成一个多跳自组织无线IP网。当节点依照参数为<λ，μ，σ²>的随机行走模型进行运动时，公式(1)中的概率密度函数p(r₀，r₁，t)可以被表示为： 

$p(r_0,r_1,t)=\frac{2r_1}{\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)}\exp (-\frac{r_0^2+r_1^2}{\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)})I_0\left(\frac{2r_0{r}_1}{\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)}\right)$

其中，λ表示节点改变运动方向的频率，μ表示节点运动速率的期望，σ²表示节点运行速率的方差，而α(t)＝2t(μ²+σ²)/λ，I₀表示第一类修正零阶贝塞尔函数。 

通过仿真试验可得：在2500m×2500m的范围内，随机放置36个节点，节点通信半径为300m，随机选择6个源节点与6个目的节点进行通信。节点运动规律符合参数为<λ，μ，σ²>的随机行走移动模型，其中λ＝1/30Hz，节点运动速率符合0～5m/s的均匀分布，而V_max表示节 点的最大移动速率。计算机仿真结果表明，当V_max在1～10m/s的范围内时，采用本发明的路由方法能够延长路由路径生存时间15％以上，提高报文成功递交率约5％，减少路由协议开销，并降低数据传输端到端时延20％以上。 

Claims (10)

1.基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)各节点记录本地节点与邻居节点之间的链路的连通起始时刻；

2)源节点向目的节点发起稳定路径生成过程：

2-1)源节点广播路径搜寻报；所述路径搜寻报中包括源地址、目的地址、路径稳定性概率值，所述路径稳定性概率值的初值为1，所述目的地址为目的节点地址，所述源地址为源节点地址；

2-2)下一跳节点收到路径搜寻报后，该节点通过查找本地记录的链路的连通起始时刻得到链路生命期，并利用链路生命期更新路径搜寻报中的路径稳定性概率值；所述链路生命期为当前时刻与链路的连通起始时刻之差；

2-3)当更新后的路径稳定性概率值大于节点本地存储的路由转发表中的路径稳定性概率值时，利用所述路径搜寻报中的上一跳地址更新指向源节点的路由转发表项的上一跳地址；并判断本地节点地址是否为路径搜寻报中的目的地址，如是，进入下一步骤；如否，广播转发更新后的路径搜寻报，并返回上一步骤；

2-4)目的节点根据本地的路由转发表向源节点单播路径应答报；所述路径应答报中包括源地址、目的地址、路径稳定性概率值，所述路径稳定性概率值的初值为1，所述目的地址为目的节点地址，所述源地址为源节点地址；

2-5)下一跳节点收到路径应答报后，通过查找本地记录的链路的连通起始时刻得到链路生命期，并利用链路生命期更新路径应答报中的路径稳定性概率值；

2-6)当更新后的路径稳定性概率值大于节点本地存储的路由转发表中的路径稳定性概率值时，该节点利用所述路径应答报中的上一跳地址更新指向目的节点的路由转发表项的上一跳地址；并判断本地节点地址是否为路径应答报中的源地址，如是，进入下一步骤；如否，节点根据本地路由转发表项向源节点单播路径应答报，并返回上一步骤；

2-7)源节点收到来自目的节点的路径应答报文后，建立到目的节点的路由转发表项，生成路由路径。

2.如权利要求1所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，所述利用链路生命期更新路径搜寻报或路径应答报中的路径稳定性概率值的方式为：P_{path_stable}×L(T_{link_age})；

所述P_{path_stable}为收到的路径搜寻报或路径应答报中的路径稳定性概率值，..为链路生命期，L(T_{link_age})为链路生命期内链路稳定性概率值；其中，概率密度函数p(r₀，r₁，T_{link_residual})表示在时间段T_{link_residual}内维持连通时，邻居节点在时间段T_{link_residual}内从相对距离r₀移动到相对距离r₁的概率密度，T_{link_residual}是路由参数，表示要求链路维持连通的时间；R表示节点通信半径；概率密度函数p(R，r₀，T_{link_age})表示链路在时间段T_{link_age}内维持连通时，邻居节点在从通信半径R移动至通信范围中的任意位置r₀的概率密度。

3.如权利要求2所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，各个节点中预存有链路稳定性概率值查询表，所述链路稳定性概率值查询表中一个链路生命期对应一个链路稳定性概率值。

4.如权利要求2或3所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，步骤2-3)中所述相应的路由转发表项为路由转发表中存在到源节点的路由表项；所述步骤2-6)中所述相应的路由转发表项为路由转发表中存在到目的节点的路由表项。

5.如权利要求4所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，各节点还周期性检测本地节点与邻居节点之间链路对应的链路生命期，当有链路对应的链路生命期大于预设的链路有效时延阈值，节点在本地删除该链路生命期，并进行路径动态维护处理。

6.如权利要求5所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，各节记录本地节点与邻居节点之间的链路的连通起始时刻的具体方式为：

各节点周期性广播链路连通性嗅探报，并通过接收其邻居节点广播的链路连通性嗅探报来维护本地的链路连通时间表；所述链路连通性嗅探报中包括有发送该链路连通性嗅探报的节点的本地地址；所述链路连通时间表中包括有邻居地址、本地节点与该邻居节点之间的链路的连通起始时刻；

当节点收到来自其邻居节点的链路连通性嗅探报后，该节点查找本地的链路连通时间表，判断链路连通时间表中是否存有在邻居地址与接收到的链路连通性嗅探报中的本地地址相同的表项，如是，丢弃该链路连通性嗅探报，如否，节点在本地的链路连通时间表中加入一条新的表项，该新表项的邻居地址为该链路连通性嗅探报中的本地地址，连通起始时刻为当前时刻，之后，丢弃该链路连通性嗅探报；

节点通过周期性检测本地的链路连通时间表中的连通起始时刻来检测本地节点与邻居节点之间链路对应的链路生命期是否大于预设的链路有效时延阈值；当链路连通时间表中存在链路生命期是否大于预设的链路有效时延阈值的表项时，节点在本地链路连通时间表中删除该表项，并进行针对该节点的路径动态维护处理。

7.如权利要求6所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，所述步骤2-2)中下一跳节点收到路径搜寻报后，该节点通过查找本地记录的链路的连通起始时刻得到链路生命期的具体步骤为：

节点从路径搜寻报的IP报头中获得上一跳节点地址，并在链路连通时间表中查找邻居地址与所述上一跳节点地址相同的表项，提取该表项中的连通起始时刻，再计算当前时刻与链路的连通起始时刻之差，并将计算结果赋值给链路生命期。

8.如权利要求7所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，所述路径应答报还包括强制更新标志，当强制更新标志为1表示强制更新生效，当强制更新标志为0表示强制更新无效；当强制更新生效时，则用所述路径应答报中的上一跳地址更新指向目的节点的路由转发表项的上一跳地址；

源节点向目的节点发起稳定路径生成过程中，路径应答报中的强制更新标志为0。

9.如权利要求8所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，所述路径动态维护处理的具体包括以下步骤：

a、节点向目的节点发起稳定路径生成过程，广播路径搜寻报，建立到目的节点的路由转发表项，生成新的路由路径；所述路径搜寻报中包括源地址、目的地址、路径稳定性概率值，所述路径稳定性概率值的初值为1，所述目的地址为目的节点地址，所述源地址为需进行路径动态维护的节点地址；

b、获得新的路由路径后，节点根据路由转发表项向源节点单播路径应答报，所述路径应答报中目的地址为目的节点地址，源地址为需进行路径动态维护的节点地址、路径稳定性概率值的为路由转表表项中的路径稳定性概率值、强制更新标志为1；

c、下一跳节点收到路径应答报后，检测该路径应答报中强制更新标志为1，则用该路径应答报中的上一跳地址更新指向目的节点的路由转发表项的上一跳地址；并判断本地节点地址是否为路径应答报中的源地址，如是，进入下一步骤；如否，该节点根据本地路由转发表项向源节点单播路径应答报，并返回本步骤；

d、源节点收到路径应答报文后，建立到需动态维护的节点的路由转发表项，生成新的路由路径，动态维护完成。

10.如权利要求9所述基于链路生命期的分布式自组网稳定路径路由方法，其特征在于，所述路径搜寻报、路径应答报中还包括路径长度；所述路径搜寻报、路径应答报中的路径长度初始值为0；

在广播转发更新后的路径搜寻报之前，还将路径搜寻报中的路径长度增加1；

在根据本地路由转发表项向源节点单播路径应答报之前，还将路径应答报中的路径长度增加1；

在用路径搜寻报或路径应答报中的上一跳地址更新指向源节点或目的节点的路由转发表项的上一跳地址的同时，还用路径搜寻报或路径应答报中的路径长度更新指向源节点或目的节点的路由转发表项的路径长度；

路径动态维护处理过程中；步骤a之前，需动态维护的节点删除链路连通时间表中对应表项后，在路由转发表中查找转发地址与所述除链路连通时间表中邻居地址相同的表项，判断该表项中的路径长度是否小于等于阈值，如是，进入步骤a；如否，执行下一步骤：

节点向源节点单播路径故障报，所述路径故障报包括源地址、目的地址，所述目的地址为目的节点地址，源地址为源节点地址；

下一跳节点收到所述路径故障报，查找本地路由转发表中相应目的地址的表项，当该表项内的转发地址与路径故障报中上一跳节点地址相等，则删除该表项，并根据路由转发表转发路径故障报；否则，丢弃所述路径故障报。

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