CN103312606A - 一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法，其通过计算路由时延约束参数、确定组网拓扑、建立等效路径时延模型、修改路由程序本发明在节点间进行传输时使用了多条传输路径，即使单条路径上的数据丢失，也不影响传输，提高了传输的可靠性，通过多条路径保护了传输的数据，减少了数据的重传，从而降低了无线链路不稳定的负面影响，提高了实时性，采用的多路径传输可以获得更多的带宽，有效地减少了端到端的数据传输延迟，并可提高网络资源分配的公平性。

Description

一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法

【技术领域】

本发明涉及无线Mesh网络路由方法技术领域，特别是涉及一种基于多路径并发路径的无线Mesh网络路由及其方法。

【背景技术】

无线Mesh网络：由meshrouters(路由器)和meshcli ents(客户端)组成，其中meshrouters构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为meshclients提供多跳的无线internet连接。无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。

基于无线Mesh网络技术建立的控制系统，不仅可以对移动设备实施远程控制，同时也有控制网络组网灵活、方便，建设成本低等优势，解决了在不具备布线条件和恶劣环境下应用自动化控制的问题。基于无线链路传输现场实时数据给控制系统的应用带来了新的问题，其中，网络诱导时延和数据包丢失是最为常见的两个问题，是引起系统性能下降甚至失稳的主要原因。

提高无线Mesh网络传输实时性和可靠性保证的一个有效措施，就是采用多条路径并发传递同一数据的方式，只要有一份数据在规定时间内可靠地传递成功，就可以保证现场控制系统的正常运行。虽然，这一无线Mesh网的优势在许多研究文章中提到，但却几乎没有具体实现和应用的报道。这与当前无线Mesh网络主要作为接入Internet服务的应用模式有关，因此，相关的多路径路由研究都集中在流量分流、避免拥塞和提高吞吐量方面。

目前，已有的多路径路由技术的目标有两个，一是利用冗余链路进行网络保护；二是通过优化流量分布来缓解网络拥塞。这方面的研究已有较多，相关的学术论文也不少。IETF专门成立了多路径传输控制协议MPTCP工作组，致力于解决MPTCP体系结构、拥塞控制、路由、安全等问题，从而为应用建立基础。

由于无线网络的特殊性，故在较多的研究中使用了多路径路由机制来提高传输性能。例如SMR(Split Multipath Routing)、AOMDV、AODVM、MP-DSR、CHAMP(Caching and Multipath Routing)等。但是，这些多径路由协议是针对Ad hoc网络中节点的高移动性，以及拓扑结构的多变性设计的，不能满足实时性和可靠性要求都比较高的这类数据的传输需求。

在多路径可靠性方面，有寻找冗余路径的路由算法，通过建立回复路径提供保护的方法。在多径时延方面，可利用到了D/G/1排队模型对视频流时延进行分析；可利用一个迭代的算法以最小化单个数据流的最大时延；或针对路径传输的重排序时延问题的方法。针对无线Mesh网络中联合多径Qos路由及底层的无线链路调度算法，可将问题建模为最大化利用率问题；或提供一种在通信量和可靠性间进行平衡的机制。

上述研究都是针对一般文本或多媒体业务传输特性的，没有专门针对多路径并发路由机制的方法。且多数是针对单路径的路由。尚未见多路径并发路由机制在实际无线mesh网络中应用。

【发明内容】

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法，本发明有针对性地利用节点间存在的多条传输路径来提高传输的可靠性和实时性，从而降低无线链路不稳定的负面影响。同时，采用多路径传输可以获得更多的带宽，有效地减少了端到端的数据传输延迟，并可提高网络资源分配的公平性。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法，其(1)计算路由时延约束参数，x(t)、u(t)、y(t)分别表示系统状态、控制输入与系统输出，A、B、C、D为对应的维数矩阵，定义网络诱导误差为

网络控制器和被控对象的联合状态变量为x(t)=[x_p(t)，x_c(t)]^T，

则整个NCS的状态变量为z(t)=[x(t)，e(t)]^T，网络控制系统可以被描述为：

$\stackrel{\·}{z}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\left(t\right)\\ \stackrel{\·}{e}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_{11}{A}_{12}\\ A_{21}{A}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\left(t\right)\\ e\left(t\right)\end{array}\right],$

其中， $A_{11}=\left[\begin{array}{cc}{A}_p+B_p{D}_c{C}_p& B_p{C}_c\\ B_c{C}_p& A_c\end{array}\right],$ $A_{12}=\left[\begin{array}{cc}{B}_p{D}_c& B_p\\ B_c& 0\end{array}\right],$ $A_{21}=-\left[\begin{array}{cc}{C}_p& 0\\ 0& C\end{array}\right]A_{11},$ $A_{22}=-\left[\begin{array}{cc}{C}_p& 0\\ 0& C\end{array}\right]A_{12}.$ 定义 $A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ 则 $\stackrel{\·}{z}\left(t\right)=\mathrm{Az}\left(t\right);$

系统

的Lyapunov函数V(x)=x^T(t)Px(t)满足一般的形式

其中P、Q为对称正定矩阵，那么，对上述的NCS，有p个传感器结点，在MEF-TOD(Maximum Error First-Try Once Discard)或静态调度策略下，如果满足： $\mathrm{\&tau;}<\min \{\frac{\ln 2}{p\left|\right|A\left|\right|},\frac{1}{8\left|\right|A\left|\right|(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}}+1)\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}i},\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }\left(Q\right)}{{16\mathrm{\&sigma;}}_2{\left|\right|A\left|\right|}^2(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}}+1)\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}i}\}$

(其中σ₁＝λ_min(P)，σ₂＝λ_max(P))，则上述网络控制系统全局指数稳定。

因此，可以将约束条件τ作为无线Mesh网络端到端传输时延的上限；

(2)确定组网拓扑：基于图论中的边着色方法，参照802.11标准，确定不同拓扑中无线信道分配冲突的影响，冲突最小化或避免冲突，同时，研究网络中任意两点间的路径组合特征，对称路径(条数相同)和非对称路径组成的等效路径的时延特征；

(3)建立等效路径时延模型：首先，单条链路的时延评估模型如下：假设MAC层采用的是DCF机制，则对于链路i，假设T_i代表链路i对数据帧的服务时间，K表示链路层最大重传次数，P_i代表链路i上的传输失败率，L表示数据包的包长，B表示链路带宽。链路i的平均传输时间E[Ti]可表示为，

$E\left[T_i\right]=\frac{L}{B}\left[\frac{1-p_i^K}{1-p_i}\right]+\frac{W_{\min }[1-{\left({2p}_i\right)}^{K+1}]}{2(1-{2p}_i)}-\frac{1-p_i^K}{2\left({1-p}_i\right)}$

(4)修改路由程序：修改路由器的内核程序，实现两路并发功能，全部修改工作都在网络层完成，这样原有的应用程序不需任何改动，仍可以继续使用，同时，也不改动低层网卡驱动部分和终端设备，原选用的设备也都可以继续使用。

本发明有益效果是：(1)可靠性。本发明在节点间进行传输时使用了多条传输路径，即使单条路径上的数据丢失，也不影响传输，提高了传输的可靠性。(2)实时性。本发明通过多条路径保护了传输的数据，减少了数据的重传，从而降低了无线链路不稳定的负面影响，提高了实时性。(3)低延迟。本发明所采用的多路径传输可以获得更多的带宽，有效地减少了端到端的数据传输延迟，并可提高网络资源分配的公平性。

为使更进一步了解本发明的特征和技术内容，详见本发明附图和实施方式，然而所附图式仅供参考与说明用，并非是对本发明加以限制。

附图说明：

图1为本发明流程示意图：

图2为本发明网络控制模型图；

图3为本发明四方网格中双路径并发示意图；

图4为本发明排队网络模型示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法，如图2所示，X(t)、u(t)、y(t)分别表示系统状态、控制输入与系统输出，A、B、C、D为对应的维数矩阵。定义网络诱导误差为

网络控制器和被控对象的联合状态变量为x(t)＝[x_p(t)，x_c(t)]^T，

则整个NCS的状态变量为z(t)＝[x(t)，e(t)]^T。网络控制系统可以被描述为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{z}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{x}\left(t\right)\\ \stackrel{\&CenterDot;}{e}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_{11}{A}_{12}\\ A_{21}{A}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\left(t\right)\\ e\left(t\right)\end{array}\right],$

其中， $A_{11}=\left[\begin{array}{cc}{A}_p+B_p{D}_c{C}_p& B_p{C}_c\\ B_c{C}_p& A_c\end{array}\right],$ $A_{12}=\left[\begin{array}{cc}{B}_p{D}_c& B_p\\ B_c& 0\end{array}\right],$ $A_{21}=-\left[\begin{array}{cc}{C}_p& 0\\ 0& C\end{array}\right]A_{11},$ $A_{22}=-\left[\begin{array}{cc}{C}_p& 0\\ 0& c\end{array}\right]A_{12}.$ 定义 $A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ 则 $\stackrel{\&CenterDot;}{z}\left(t\right)=\mathrm{Az}\left(t\right).$

系统

的Lyapunov函数V(x)＝x^T(t)Px(t)满足一般的形式

其中P、Q为对称正定矩阵。那么，对上述的NCS，有p个传感器结点，在MEF-TOD(Maximum Error First-Try Once Discard)或静态调度策略下，如果满足： $\mathrm{\&tau;}<\min \{\frac{\ln 2}{p\left|\right|A\left|\right|},\frac{1}{8\left|\right|A\left|\right|(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}}+1)\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}i},\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }\left(Q\right)}{{16\mathrm{\&sigma;}}_2{\left|\right|A\left|\right|}^2(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}}+1)\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}i}\}$

(其中σ₁＝λ_min(P)，σ₂＝λ_max(P))，则上述网络控制系统全局指数稳定。因此，可以将约束条件τ作为无线Mesh网络端到端传输时延的上限。

(2)确定组网拓扑

基于图论中的边着色方法，参照802.11标准，确定不同拓扑中无线信道分配冲突的影响，冲突最小化或避免冲突。同时，研究网络中任意两点间的路径组合特征，如对称路径(条数相同)和非对称路径组成的等效路径的时延特征。(3)建立等效路径时延模型

首先，单条链路的时延评估模型如下：假设MAC层采用的是DCF机制，则对于链路i，假设T_i代表链路i对数据帧的服务时间，K表示链路层最大重传次数，P_i代表链路i上的传输失败率，L表示数据包的包长，B表示链路带宽。链路i的平均传输时间E[Ti]可表示为，

$E\left[T_i\right]=\frac{L}{B}\left[\frac{1-p_i^K}{1-p_i}\right]+\frac{W_{\min }[1-{\left({2p}_i\right)}^{K+1}]}{2(1-{2p}_i)}-\frac{1-p_i^K}{2\left({1-p}_i\right)}.$

在此基础上，利用排队网络理论进行网络中两点间时延建模研究。如图3所示网络拓扑的双并发路径情形，可以建立如图4所示的排队网络模型。

(4)修改路由程序

修改路由器的内核程序，实现两路并发功能。全部修改工作都在网络层完成，这样原有的应用程序不需任何改动，仍可以继续使用。同时，也不改动低层网卡驱动部分和终端设备，原选用的设备也都可以继续使用。

在开放源代码的Linux系统上进行开发，选用的是Fedora7，内核版本为linux-2.6.21。

(1)可靠性。本发明在节点间进行传输时使用了多条传输路径，即使单条路径上的数据丢失，也不影响传输，提高了传输的可靠性。

(2)实时性。本发明通过多条路径保护了传输的数据，减少了数据的重传，从而降低了无线链路不稳定的负面影响，提高了实时性。

(3)低延迟。本发明所采用的多路径传输可以获得更多的带宽，有效地减少了端到端的数据传输延迟，并可提高网络资源分配的公平性。

然而上述仅本发明较佳可行的实施例而已，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于多路径并发的无线Mesh网络路由及其方法，其特征是包括(1)计算路由时延约束参数，x(t)、u(t)、y(t)分别表示系统状态、控制输入与系统输出，A、B、C、D为对应的维数矩阵，定义网络诱导误差为

网络控制器和被控对象的联合状态变量为x(t)=[x_p(t)，x_c(t)]^T，则整个NCS的状态变量

为z(t)=[x(t)，e(t)]^T，网络控制系统可以被描述为： $\stackrel{\&CenterDot;}{z}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{x}\left(t\right)\\ \stackrel{\&CenterDot;}{e}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_{11}{A}_{12}\\ A_{21}{A}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\left(t\right)\\ e\left(t\right)\end{array}\right],$

其中， $A_{11}=\left[\begin{array}{cc}{A}_p+B_p{D}_c{C}_p& B_p{C}_c\\ B_c{C}_p& A_c\end{array}\right],$ $A_{12}=\left[\begin{array}{cc}{B}_p{D}_c& B_p\\ B_c& 0\end{array}\right],$ $A_{21}=-\left[\begin{array}{cc}{C}_p& 0\\ 0& C\end{array}\right]A_{11},$ $A_{22}=-\left[\begin{array}{cc}{C}_p& 0\\ 0& C\end{array}\right]A_{12},$ 定义 $A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ 则 $\stackrel{\&CenterDot;}{z}\left(t\right)=\mathrm{Az}\left(t\right);$

系统

的Lyapunov函数V(x)=x^T(t)Px(t)满足一般的形式

其中P、Q为对称正定矩阵，那么，对上述的NCS，有p个传感器结点，在MEF-TOD(Maximum Error First-Try Once Discard)或静态调度策略下，如果满足： $\mathrm{\&tau;}<\min \{\frac{\ln 2}{p\left|\right|A\left|\right|},\frac{1}{8\left|\right|A\left|\right|(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}}+1)\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}i},\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }\left(Q\right)}{{16\mathrm{\&sigma;}}_2{\left|\right|A\left|\right|}^2(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_1}}+1)\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}i}\}$

(其中σ₁＝λ_min(P)，σ₂＝λ_max(P))，则上述网络控制系统全局指数稳定。

因此，可以将约束条件τ作为无线Mesh网络端到端传输时延的上限；

(2)确定组网拓扑：基于图论中的边着色方法，参照802.11标准，确定不同拓扑中无线信道分配冲突的影响，冲突最小化或避免冲突，同时，研究网络中任意两点间的路径组合特征，对称路径(条数相同)和非对称路径组成的等效路径的时延特征；

(3)建立等效路径时延模型：首先，单条链路的时延评估模型如下：假设MAC层采用的是DCF机制，则对于链路i，假设T_i代表链路i对数据帧的服务时间，K表示链路层最大重传次数，P_i代表链路i上的传输失败率，L表示数据包的包长，B表示链路带宽，链路i的平均传输时间E[Ti]可表示为，

$E\left[T_i\right]=\frac{L}{B}\left[\frac{1-p_i^K}{1-p_i}\right]+\frac{W_{\min }[1-{\left({2p}_i\right)}^{K+1}]}{2(1-{2p}_i)}-\frac{1-p_i^K}{2\left({1-p}_i\right)}$

(4)修改路由程序：修改路由器的内核程序，实现两路并发功能，全部修改工作都在网络层完成，这样原有的应用程序不需任何改动，仍可以继续使用，同时，也不改动低层网卡驱动部分和终端设备，原选用的设备也都可以继续使用。

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