CN103391595B - 基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，包括以下步骤：骨干路由节点根据MAC层维护的与其他骨干路由节点之间的骨干链路状态信息，选择传输成功率最高的链路信息进行路由表的维护与更新。进一步，每个无线Mesh终端均维护一个相邻骨干路由节点列表，记录其通信范围内的骨干路由节点；当需要向网关上传信息时，若发现没有有效的路由信息，则首先查询相邻骨干路由节点列表，选择其中与网关之间传输状态最好的骨干路由节点作为与网关通信的下一跳节点。

Description

基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，尤其涉及基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法。

背景技术

无线网状网，又称为无线Mesh网络，是一种能够实现自组网、自配置的无线多跳中继网络,具有便携、灵活、环境适应能力强等特性，是矿井应急救援通信网络建设的热门技术。当前，基于混合网状网结构的无线Mesh网络在矿井应急救援通信中应用最为广泛。在该结构下，语音电话、传感器节点、摄像机等无线终端设备具有无线Mesh路由功能，能够参与无线Mesh网络组网，从而增强了矿井应急救援网络信息传输的鲁棒性。但是，无线Mesh路由功能的增加同时使无线Mesh终端需要耗费额外的能量来承担路由转发工作，对其能量储备提出了挑战。为了降低无线Mesh终端的能量消耗，研究者通过在现有路由协议的基础上增加对无线Mesh终端的识别功能，并以包含无线Mesh终端最少为路由选择标准，尽量减少了无线Mesh终端的路由转发工作。但是，在这些协议中，整个路由发现过程仍然采用传统的表驱动与基于请求/应答模式的路由发现机制。由于井下应急救援网络的中继规模较大，表驱动路由协议与基于请求/应答机制的路由协议在井下应急救援无线Mesh网络中应用时存在以下问题：

(1)表驱动路由协议要求每个节点维护一个包含到达网络中其他所有节点的路由信息的路由表，通过与邻居节点周期性地交换控制信令，实现对路由表的维护与更新。这造成表驱动路由协议普遍存在信令开销大的问题，且网络规模越大，信令开销越大，相应的网络吞吐量越低。

(2)基于请求/应答机制的路由协议，典型如按需距离矢量路由协议(Ad hoc On-demand Distance Vector，AODV)。该类协议仅当需要路由时才进行路由计算，且只保存近期使用的路由信息，不对路由信息进行日常维护与开销。相比表驱动路由协议，该类协议避免了大量的信令开销。但是，当向未知目的节点发送第一个数据包或者当前路径发生故障时，基于路由请求(Route Request，RREQ)/路由应答(Route Reply,RREP)机制的路由协议需要通过广播路由请求消息的方式进行路由发现，整个发现过程耗费时间，将产生一定的反应时延，并且该时延会随着网络中继规模的扩大增加。因此，该类协议应用于矿井应急救援无线Mesh网络时将严重影响语音、传感数据等对时延敏感业务的实时性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何降低矿井应急救援无线网状网的时延，提高网络的吞吐性能。

为了解决现有技术问题，本发明公开了一种基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，包括以下步骤：

骨干路由节点根据MAC(Media Access Control，媒体访问控制)层维护的与其他骨干路由节点之间的骨干链路状态信息，选择传输成功率最高的链路信息进行路由表的维护与更新。

进一步，作为优选，所述MAC层维护的与其他骨干路由节点之间的骨干链路状态信息将根据链路的实际传输状态进行周期性更新。

进一步，作为优选，当当前骨干路由节点无法通过其他骨干路由节点实现与网关通信时，进一步包括以下步骤：

当前骨干路由节点向外广播路由请求消息；

当路由请求消息到达无线Mesh终端后，无线Mesh终端通过查看其相邻骨干节点列表，发现具有到达网关的有效路由，然后将返回路由应答消息，从而建立新的路由路径。

进一步，作为优选，当当前骨干路由节点无法通过其他骨干路由节点实现与网关通信，在当前骨干路由节点向外广播路由请求消息之前，进一步包括以下步骤：

启动定时器，等待MAC层的链路状态更新；

若当定时器到时时，当前骨干路由节点仍然无法通过其他骨干路由节点实现与网关通信，当前骨干路由节点将向外广播路由请求消息。

进一步，作为优选，进一步包括以下步骤：

每个无线Mesh终端均维护一个相邻骨干路由节点列表，记录其通信范围内的骨干路由节点；

当需要向网关上传信息时，若发现没有有效的路由信息，则首先查询相邻骨干路由节点列表，选择其中与网关之间传输状态最好的骨干路由节点作为与网关通信的下一跳节点。

进一步，作为优选，包括以下步骤：

若多个骨干路由节点的传输状态值相同，则从中选取到达网关距离最小的骨干路由节点作为下一跳节点

进一步，作为优选，包括以下步骤：

若所述相邻骨干路由节点列表为空，则启用基于请求/应答模式的路由发现机制进行路由发现。

本发明具有以下有益效果：

(1)骨干传输网络采用基于跨层路由技术的先应式路由策略，既解决了基于请求/应答模式的路由协议的反应时延问题，又避免了基于表驱动的先应式路由协议存在的信令开销大的问题。

(2)采用周期更新的STR作为路由选择判据，与基于距离矢量的路由判据相比，提高了路由选择质量，缓解了路由冲突造成的网络拥塞现象，进而提高了网络吞吐量，降低了网络时延。

(3)无线Mesh网络通过维护相邻骨干节点列表，优先选择骨干传输网络进行信息传输，充分利用了骨干传输网络资源，节约了自身能量。

(4)无线Mesh网络采用基于相邻骨干节点列表的路由发现方式，与直接使用RREQ/RREP机制进行路由发现相比，降低了路由发现时延。

(5)采用RREQ/RREP机制进行路由修复，充分利用了无线Mesh终端的路由中继功能，保证了矿井应急救援无线网状网的鲁棒性。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是矿井应急救援无线网状网系统示意图。

图2是基于MAC层信息的路由信息反馈示意图。

图3是骨干传输网络基于RREQ/RREP的路由修复过程示意图。

图4是骨干路由节点基于跨层链路状态信息的路由方法流程图。

图5是AODV协议中的HELLO报文格式示意图。

图6是本发明实施例中修改后的HELLO报文格式示意图。

图7a是相邻骨干节点列表中存在可到达网关的邻居骨干路由节点时无线Mesh终端到达网关的路由机制示意图。

图7b是相邻骨干节点列表中不存在可到达网关的邻居骨干路由节点时无线Mesh终端到达网关的路由机制示意图。

图8是无线Mesh终端基于表驱动的路由方法流程图。

图9是吞吐量仿真结果。

图10是平均端到端时延仿真结果。

具体实施方式

参照图1-10对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明所针对的基于混合结构网状网的矿井应急救援无线网状网系统架构如图1所示。

在矿井应急救援无线网状网中，网络节点按功能分为网关1、骨干路由节点2与无线Mesh终端3三种类型。网关1负责矿井应急救援无线Mesh网络与外网信息的协议转换；骨干路由节点2具有无线Mesh组网路由功能，相互连接组成了矿井应急救援无线网状网的骨干传输网络，负责对井下无线Mesh终端3采集的信息向网关1进行路由传输；无线Mesh终端3是指具有无线Mesh组网路由功能的电话、传感节点、摄像机等终端设备，这些设备能够与在其通信范围内的其他终端以及骨干路由节点建立Mesh无线连接。使用无线Mesh终端3与使用非Mesh终端相比，提高了网络节点之间的路径冗余度，增强了井下应急救援无线网状网整体结构的健壮性。

虽然无线Mesh终端3与骨干路由节点2同时具有Mesh组网路由功能，但是受到物理实现的限制，无线Mesh终端3的能量、带宽资源与处理能力配置往往较低。为了保证无线Mesh终端3的工作效率，无线网状网的业务传输仍然主要依靠骨干传输网络。

为了提高混合无线网状网结构下的矿井应急救援无线网状网的时延与吞吐性能，本发明对其路由协议进行了如下设计：

(1)骨干路由节点2采用基于MAC层链路状态反馈的先应式路由策略。骨干路由节点2根据MAC层维护的与其他骨干路由节点2之间的骨干链路状态信息，选择传输成功率最高的链路信息进行路由表的维护与更新；当MAC层反馈信息表明当前节点无法通过其他骨干路由节点2到达网关1时，采用基于RREQ/RREP的请求应答机制进行路由发现。

(2)无线Mesh终端3采用基于表驱动的路由策略。在该策略中，每个无线Mesh终端3均维护一个相邻骨干路由节点2列表，记录其通信范围内的骨干路由节点2，当需要向网关1上传信息时，若发现没有有效的路由信息，则首先查询该列表，选择其中与网关1之间传输状态最好的骨干路由节点2作为与网关1通信的下一跳节点。若列表为空，则启用基于RREQ/RREP的请求应答机制进行路由发现。

下面分别从以上三方面对本发明的技术细节进行详细介绍。

骨干传输网络跨层路由策略：

本发明针对采用多射频多信道技术的矿井应急救援无线网状网。为了实现对各射频资源的统一管理，骨干路由节点2在MAC层维护一个相邻骨干链路列表，如表1所示。骨干链路是指两个骨干路由节点2之间建立的链路。该表中记录了与当前骨干路由节点2相邻的各骨干链路对应的端节点、到达网关1的距离、信道、射频、成功传输率(SucceedTransmission Rate，STR)等信息。假设在单位时间段内经由该链路传输的数据包总数为N_t，成功传输的数据包数量为N_s，则STR＝N_s/N_t。STR值越高表明以对应端节点作为下一跳节点的路由路径的传输质量越高。因此，骨干路由节点2将根据相邻骨干链路列表中STR值最大的链路进行路由表路由信息的更新，从MAC层到路由层的信息反馈方式如图2所示。

表1相邻骨干链路列表

骨干路由节点到达网关的基于跨层链路状态反馈的路由机制的基本工作流程如图4所示。MAC层的相邻骨干链路列表会根据链路的实际传输状态进行周期性更新(S41)，查看MAC层的相邻骨干链路列表(S42)。判断是否包含可达网关的链路(S43)，如果是则判断定时器(Switch_Timer)是否启用(S49)，如果是，则停止定时器，并对其复位(S410),如果定时器未启用，则选择STR最大的链路信息(S411)，从而完成路由的维护与更新(S412)。查看MAC层的相邻骨干链路列表(S42)，是否包含可达网关的链路(S43)。如果未包含可达网关的链路，判断是否已启用定时器(S44)，如果未启用，则启动定时器(S45),进一步判断定时器是否到时(S46)，如果到时，启用RREQ/RREP的路由发现机制(S47)，选择距离矢量最小的路径(S48),从而完成路由的维护与更新(S412)。

本发明采用的基于MAC层链路状态反馈的跨层路由机制，直接从MAC层获取路由信息，既维护了路由信息，避免了路由发现过程，同时通过选择STR值最大的链路作为下一跳链路，相比距离矢量路由判据，路由选择质量大大提高。

矿井应急通信环境恶劣，骨干路由节点2设备难免发生故障，很可能发生当前骨干路由节点2无法通过其他骨干路由节点2实现与网关1通信的情况。此时，相邻骨干链路列表中所有的链路到达网关1的距离将均为无穷大(INFINIT)，相应的路由表中的距离同步为INFINIT。为保证应急网络通信的持续性，将采用基于RREQ/RREP的路由发现机制进行路由发现，通过利用无线Mesh终端3的组网路由功能，建立到达网关1的新路由。如图3中所示，当骨干路由节点B发生损坏后，骨干路由节点R无法再通过骨干传输链路实现与网关G的通信，此时R到达网关的路由表中的跳数为INFINIT。启动定时器Switch_Timer，等待MAC层的链路状态更新，以排除为链路波动导致的短时故障。若当Switch_Timer到时时，路由表中的跳数值仍显示为INFINIT，R将向外广播RREQ路由请求消息。当RREQ到达无线Mesh终端F后，F通过查看其相邻骨干节点列表，发现具有到达网关的有效路由，然后将返回RREP路由应答消息，从而建立R-T-F-A-G的路由路径。

无线Mesh终端到网关的路由机制：

在矿井应急救援无线网状网中，无线Mesh终端3虽然具有无线Mesh组网路由功能，但是受到物理实现的限制，无线Mesh终端在能量、带宽资源以及处理能力方面的配置相对较低，因此无线Mesh终端3在应急通信中的主要作用仍然以应用业务采集为主，而业务传输主要依靠无线骨干传输网络。为了使无线Mesh终端3优先选择骨干传输网络进行业务传输，本发明针对无线Mesh终端提出了一种基于表驱动的路由机制。

在该机制中，无线Mesh终端将维护一个相邻骨干节点列表，如表2所示。

表2相邻骨干节点列表

无线Mesh终端3通过骨干路由节点2周期广播的HELLO报文对相邻骨干节点列表进行维护与更新，AODV路由协议中的HELLO报文格式如图5所示。为了使无线Mesh终端3能够分辨HELLO报文的发送节点类型，并获得相邻骨干路由节点2的到达网关1距离以及STR值信息，本发明对原HELLO报文进行了修改，在原“保留字段”中设置了2比特的节点类型信息T，7比特的STR值信息，并增加了8比特的到达网关1的距离信息。其中，T＝1表示骨干路由节点2，T＝2表示无线Mesh终端3。无线Mesh终端3仅根据T＝1的HELLO报文进行相邻骨干节点2列表的维护与更新。修改后的HELLO报文格式如图6所示。

当无线Mesh终端3需要与网关1进行通信时，若发现其路由表中没有到达网关1的有效路由信息，将直接查看相邻骨干节点2列表。若列表中存在到达网关1的有效路由，则从中选取STR值最大的骨干路由节点2作为与网关1通信的下一跳节点。若多个骨干路由节点2的STR值相同，则从中选取到达网关1距离最小的骨干路由节点2作为下一跳节点。如图7(a)所示，无线Mesh终端S将直接通过与其相邻的骨干路由节点R1进行数据传输。

若无线Mesh终端3的相邻骨干节点2列表中不存在到达网关1的骨干路由节点2时，无线Mesh终端将启用RREQ/RREP路由发现机制，进行路由发现。如图7(b)中，无线Mesh终端S的通信范围内没有骨干路由节点2，通过RREQ/RREP进行路由发现，最终建立的路径如图所示。

在本发明中，无线Mesh终端采用的基于相邻骨干节点列表的路由机制的工作流程如图8所示。Mesh终端需要向网关发送数据，但是不具备有到达网关的有效路由(S81),查看相邻骨干节点列表(S82),判断是否包含可达网关的相邻骨干路由节点(S83),如果是，优先选择STR值最大的路径，当STR值相等时，选择距离网关最近的路径(S85)，完成路由建立(S86)。如果未包含可达网关的相邻骨干路由节点，启用RREQ/RREP路由发现机制(S84),再进入步骤S85。

图9是吞吐量仿真结果，图中NEW代表本发明。

图10是平均端到端时延仿真结果，图中NEW代表本发明。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

在矿井应急救援无线网状网中，网络节点按功能分为网关、骨干路由节点与无线网状Mesh终端三种类型，网关负责矿井应急救援无线Mesh网络与外网信息的协议转换；骨干路由节点具有无线Mesh组网路由功能，相互连接组成了矿井应急救援无线网状网的骨干传输网络，负责对井下无线Mesh终端采集的信息向网关进行路由传输；无线Mesh终端与在其通信范围内的其他终端以及骨干路由节点建立Mesh无线连接；

骨干路由节点采用基于媒体访问控制MAC层链路状态反馈的先应式路由策略,骨干路由节点根据MAC层维护的与其他骨干路由节点之间的骨干链路状态信息，选择传输成功率最高的链路信息进行路由表的维护与更新；当MAC层反馈信息表明当前节点无法通过其他骨干路由节点到达网关时，采用基于路由请求RREQ/路由应答RREP的请求应答机制进行路由发现；

无线Mesh终端采用基于表驱动的路由策略,在该策略中，每个无线Mesh终端均维护一个相邻骨干路由节点列表，记录其通信范围内的骨干路由节点，当需要向网关上传信息时，若发现没有有效的路由信息，则首先查询所述相邻骨干路由节点列表，选择其中与网关之间传输状态最好的骨干路由节点作为与网关通信的下一跳节点；若所述相邻骨干路由节点列表为空，则启用基于RREQ/RREP的请求应答机制进行路由发现。

2.根据权利要求1所述的基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，所述MAC层维护的与其他骨干路由节点之间的骨干链路状态信息将根据链路的实际传输状态进行周期性更新。

3.根据权利要求1所述的基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，当当前骨干路由节点无法通过其他骨干路由节点实现与网关通信时，进一步包括以下步骤：

当前骨干路由节点向外广播路由请求消息；

当路由请求消息到达无线Mesh终端后，无线Mesh终端通过查看其相邻骨干节点列表，发现具有到达网关的有效路由，然后将返回路由应答消息，从而建立新的路由路径。

4.根据权利要求3所述的基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，当当前骨干路由节点无法通过其他骨干路由节点实现与网关通信，在当前骨干路由节点向外广播路由请求消息之前，进一步包括以下步骤：

启动定时器，等待MAC层的链路状态更新；

若当定时器到时时，当前骨干路由节点仍然无法通过其他骨干路由节点实现与网关通信，当前骨干路由节点将向外广播路由请求消息。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

每个无线Mesh终端均维护一个相邻骨干路由节点列表，记录其通信范围内的骨干路由节点；

当需要向网关上传信息时，若发现没有有效的路由信息，则首先查询相邻骨干路由节点列表，选择其中与网关之间传输状态最好的骨干路由节点作为与网关通信的下一跳节点。

6.根据权利要求5的基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

若多个骨干路由节点的传输状态值相同，则从中选取到达网关距离最小的骨干路由节点作为下一跳节点。

7.根据权利要求5的基于跨层链路状态反馈的矿井应急救援无线网状网路由方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

若所述相邻骨干路由节点列表为空，则启用基于请求/应答模式的路由发现机制进行路由发现。