CN104010343A - 智能抄表系统无线网络优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能抄表系统无线网络优化方法，它是一种改进型动态路由分配优化算法。本发明主要解决无线网络网络层的路由优化问题，对DSR进行初步优化，增加了DSR中的非相关路由数，提出一种增强型DSR路由优化算法。为了解决增强型DSR路由优化算法中的路由选择问题，本发明将最小生成树的思想引入动态源路由协议(DSR，dynamic source routing)中，提出了一种基于最小生成树的DSR路由优化协议，综合考虑了带宽、传输拥塞、网络吞吐量等多方面因素，使用仿真软件NS-2进行仿真，结果表明，该方法能有效地减小延时，提高数据传输效率等指标。

Description

智能抄表系统无线网络优化方法

技术领域

本发明涉及无线网络优化方法设计技术领域，具体说是一种快速、准确、高效、可扩展性好的智能抄表系统无线网络优化方法。

背景技术

近年来，WLAN在接入领域中得到了迅速发展，依其所具有的巨大数据传输速率，WLAN被认为是移动数据通信部分的一个主要竞争对手。但是WLAN自身也有其不足之处，其中最主要的一个便是接入点(AP)的覆盖范围较为有限，若要在一个相对较大的区域提供无线覆盖，就需要在该地区内配置多个接入点，因而增加了建设基于WLAN的公共宽带网的成本。虽然人们对此提出了一些解决方法，如通过多种无线技术的共存来提高无限的覆盖和位置的适应性等等，但是这些方法中大多是以增加接入点或者降低网络运行效率为代价的。于是人们把目光转向了另一种网络结构——无线网状网(Wireless Mesh Network)，希望通过这种全新的网络结构来克服传统无线网络中所存在的固有缺点，实现无线通信领域中的一次变革。

由于无线Mesh网络的多跳性，所以每个节点都要有报文转发功能，这就要求节点实现合适的路由协议。无线Mesh网络中节点是可以自由移动的，网络拓扑结构会发生变化，传统的基于Internet的路由选择协议，如距离矢量方法的RIP和链路连接状态方法的OSDF等不适合在无线Mesh网络中使用，原因如下：

(1)无线传输信道与有线传输信道具有不同的特性。自组织网中主机间的无线信道可能存在单向信道，常规路由协议设计中常常没有考虑这个问题或者必须以双向链路作为工作的前提假设，由此计算出来的路由可能不能准确反映无线Mesh网络的拓扑结构，也没有考虑单向信道的存在。

(2)无线信道的广播特性产生了很多冗余链路。由于在无线Mesh网络中一个主机的广播可能覆盖周围的数个主机，在常规路由协议看来，这些链路是冗余的。因为在有线网络环境中，两个相邻的网络之间通常只会用一个或者少数几个路由器进行连接。冗余的链路需要常规路由协议发送更多更大的路由更新报文。

(3)周期性的广播路由更新报文会消耗大量的网络带宽。无论哪种常规路由协议，都需要路由器定期发送路由更新报文，即使网络的拓扑结构没有发生变化也是如此。因为路由器之间通过交换报文进行邻居“活动”状态监控。这将对有限的无线信道带宽带来更多的压力。

(4)周期性的广播路由更新报文会消耗大量的主机能源。无线Mesh网络中的主机每次发送分组都会消耗主机的能源，接收分组相对发送分组消耗的能源要少，但是由于需要经常接收分组，使得主机很难进入“休眠”节能状态。此外，某些常规路由协议需要的复杂计算使得CPU始终处于很高的负载下，这也同样消耗了大量的能源。这将对有限的主机能源带来更多的压力。

(5)常规路由协议不适应动态变化的网络拓扑结构。常规路由协议是为有线固定网络设计的，它们的网络拓扑结构通常是较为固定的，不会出现大的网络拓扑结构变化。而无线Mesh网络的网络拓扑结构会动态变化。产生的后果就是无线Mesh网络环境中，当网络拓扑结构变化后，常规路由协议需要花费很长的时间才能到达收敛状态，而此时拓扑结构可能在达到收敛状态之前又发生了变化。所以可能造成这样的一个情况：无线Mesh网络主机在花费了很高的代价(如网络带宽、能源、CPU资源等)之后得到了网络的临时拓扑结构，而由于动态变化的拓扑结构导致这个结果中的大部分内容变得陈旧，协议状态始终处于不收敛状态。正是由于传统的基于固定网络的路由选择协议无法适应无线网络拓扑快速变化的需求，所以有必要设计专用于无线Mesh网络的路由选择协议。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明智能抄表系统无线网络优化方法的目的是快速、准确、高效、可扩展性好。快速指的是查找路由的时间要尽量的短，减小引入的额外时延；准确指路由协议要适应网络拓扑的变化，提供准确的路由信息；高效的含义比较复杂：其一指提供最佳路由，其二指维护路由的控制信息尽量少，以降低路由协议的开销，其三指路由协议应能根据网络的拥塞状况和业务的类型选择路由，避免拥塞并保证可扩展性指路由选择协议要能够适应网络规模增长的需要。

为了实现上述目的所采用的技术方案是：

智能抄表系统无线网络优化方法，包括无线网络的路由协议、增强型DSR路由优化算法、基于最小生成树的DSR路由优化算法，其中：

无线网络的路由协议包括先验式路由协议、反应式路由协议、混合式路由协议。

在先验式路由协议中，每个节点需要维护一张或多张路由表以记录该节点到其它节点的路由。为了维护网络拓扑和路由信息的一致性，所有节点都要以定期或触发的方式更新路由表。反应式路由选择协议，又称为源启动按需路由，是一种当需要时才查找路由的路由选择方式。节点并不保存及时准确的路由信息。当源节点要向目的节点发送报文时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送报文。为了提高效率，节点可以将找到的路由保存在缓存中供后续发送使用。混合式路由是将表驱动协议和反应式协议结合起来，在局部范围内使用先验式路由协议，维护准确的路由信息，并可以减小路由控制消息传播的范围，当目标节点较远时，使用表驱动路由协议查找发现路由。这种路由协议目前尚没有在研究的范围之内，这主要因为实施混合式路由也面临着很多困难，如簇的选择和维护、表驱动和反应式路由协议的合理选择以及网络工作的大流量等问题。表驱动路由选择协议通过连续的检测链路质量，可维护准确的网络拓扑和路由信息。其优点是发送报文时可立即得到正确的路由信息。但表驱动路由需要大量的控制报文，开销太大。而源驱动路由协议中节点不需要维护网络的拓扑结构，仅当需要时才查找相应的路由，这就节省了路由维护的开销，特别是当网络负荷不是很重时，节省的开销相当可观。但查找路由将引起较大的时延，不适应对时延敏感型应用。混合式路由协议对簇的选择和维护方面的算法比较复杂，并且不易实现。另外，网络中的大流量业务也给该协议的实施带来很大困难。从路由协议的数量分配来看，人们更倾向于源驱动按需路由，因为它比较适合无线Mesh网络的移动、动态、带宽和功率约束等指标。

增强型DSR路由优化算法的实现包：括路由的存储方式的选择、传统DSR协议的优化、算法性能分析。

节点存储路由的方式有两种：一种是传统的以路由表的方式存储，另外一种是以拓扑图的方式存储。对于前者，节点有分组要发送时，直接使用路由表中的路由；对于后者，因为存储的是拓扑图，所以在发送分组时，路径更加灵活，可以根据分组的要求选择合适的路径。因而本发明选择后者。

传统DSR协议的优化可解决路径不能保证非相关性的问题，在源节点和目的节点之间建立更多条路径，对DSR协议的改进如下：

DSR是一种对等的、基于拓扑的反应式自组织路由协议。它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息。

DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护。路由发现过程使用泛洪路由。为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一个缓存器，存放最近用过的路由信息。路由维持过程是源节点用来检测网络拓扑是否发生变化的机制。若拓扑发生变化、源路由发生中断，源节点就会收到路由错误信息。它会试着用缓存中的路由信息，如果不同就重新启动路由发现过程。

在DSR中结合了许多基于积极缓存和拓扑信息分析的优化措施。中间节点可以从数据报的头部获得到达所有下游节点的路由，通过合并多条路径的路由信息还可以推演出更多的拓扑信息。此外，如果设置节点的网络接口工作在混杂模式下，通过监听邻居节点使用的路由，节点还可能获得更多的拓扑信息。通过这些方式，节点可以将越来越多的“感兴趣”的网络拓扑信息存入缓存以提高路由查找的命中率。高的缓存命中率意味着可以减少进行路由发现过程的频率，节约网络带宽。不过，积极缓存也会增加将过期的路由信息注入到网络中的可能性。

基本路由保持，在使用源路由发送或转发分组时，每一个发送分组的节点要负责确认数据可从此节点到下个节点。下一节点的确认方式有三种：被动确认、下层提供的确认消息和软件确认。

附加路由发现，当节点接收到任何一个分组时，都会提取其中的有效路由信息，添加到自己的路由表中。根据链路特性的不同对信息的处理也不同：第一种链路为单向链路；第二种为双向链路，但链路偶尔会工作在单向上；第三种为双向链路。对第一种链路而言，数据分组中的源路由、路由应答中的路由信息、路由请求消息中背负的源路由信息都可被记录，但是记录的是链路正方向上的路由信息，反方向上的路由不能存储。当第一个节点收到路由请求消息后，若自己不是目标节点，就会在自己的路有记录中查询是否有到达目的节点的路由。若有，节点就会向源节点发送一个路由应答消息，而不再对路由请求消息进行转发。在路由应答中，将路由请求消息中的路由记录和该节点到目的节点的路由进行合并，发给源节点。在发送路由应答以前，该节点要确认合并后的路由中没有重复的中间节点。

附加路由保持，当中间节点发现分组的下一节点不可达时，除了按照路由保持过程中所述的处理外，还查询自己的保留缓冲区，看其中是否还有分组经过这条断路，若存在这样的分组。则将分组从保留缓冲区中移走；向分组的源节点发送路由错误消息；如果在节点的路由表中存在到达目的节点的其他可用路由，则使用新路由拯救分组。否则，节点废弃分组。当源路由中一个或多个中间节点不是必要的时候，可将路由截短。若一个节点旁听到一个携带源路由的分组，这个节点会检测源路由中还未经过的部分，若这个节点不是分组的下一跳节点，但是它又在源路由未经过的部分中，那么它就会推断出源路由中它前面的中间节点就是不必要的。当源节点发送的数据分组碰到链路故障时，源节点会收到一个路由错误消息，这个源节点将这个路由错误消息转移到它的下一个路由请求信息中，传播至邻节点。这样，源节点的邻节点就不会产生包含过时信息的路由应答消息。节点根据自己路由表中的信息回应路由请求消息时，在某些情况下可能会产生路由应答风暴。特别是当节点广播路由请求消息时，如果它的邻节点有到达目的节点的路由，则每一个有到达目的节点的邻节点都会企图发送路由应答消息，这样，就会浪费带宽，并会增加网络的碰撞。为了减少这些影响，节点就推迟一小段时间发送它自己的路由应答消息，并在这一段时间内，看源节点是否已经使用一个更短的路由。

对于DSR的优化可部分解决路径不能保证非相关性等问题，在源节点和目的节点之间建立更多条路径。可以在一定程度使得延时和带宽这两个指标得到一定改善。可以加快传输速度，减少时延、防止链路断裂、有利于负载平衡、减少对带宽的要求。

基于最小生成树的DSR路由优化算法，非相关路由数目的增加有利于源节点寻找到吞吐量大的、时延小的路由来进行网络的传输，为了在这些增加的非相关路由中选择最适合的路由进行传输，这些路由的选择是一个动态的过程。

在两节点的并行链路拓扑情况下，均衡的存在性和唯一性可通过一定的弱凸条件得到。对用户i的延时函数进行量化得到的表达式为其中为节点i在链路l上的延时。对于每个用户来说，它的延时为经过链路上的延时之和，每个链路占用率只与该链路上的业务流相关。假设链路的均衡条件：

a. $j_1^i\left(f_1\right)=f_1^i{T}_1^i\left(f_1\right)$

b.连续可微，严格递增且是凸函数。表示每单位流量，这个假设可以保证和都是凸函数。链路占用函数可以表示为其中C_l为链路带宽，f_l为业务流速率。且f_l<C_l，若非则会趋近于无穷，从延时的表达式可以知道它包含了无穷大值(到无穷大的过程是连续的)。对于一个Nash均衡来说，每个业务流分配都是对其他所有联合流分布的一个最佳反应，有：

$j^i({\hat{f}}^1,{\hat{f}}^2,...,{\hat{f}}^{i-1},{\hat{f}}^i,...,{\hat{f}}^1)$

上述两个假设保证了是严格凸于的。只要保证这个模型是凸博弈，那它

的均衡就是存在的。作为每条链路的最佳响应，最优化的问题经过上述的假设之后，就成为一个存在均衡解凸问题。尽管如此，最佳响应的唯一性并不能保证均衡点的唯一性。当链路占用函数为无穷大时，也即当所要发送的数据大小无法在一条链路上传输时就无法通过上述两个约束条件来寻找Nash均衡点,即寻找到最合适的路由来进行传输，为了解决这一问题引入了第三个约束条件。

c.对于任何一个导致无限分配的流分配方案，至少可以找到一种方法将所要传输、可以通过更改流分配使其从无限代价转化成有限代价。为此引入一个效用函数来解决，这个效用函数通常默认是凸增的。也即当业务流速率可能大于链路带宽即有弹性需求时，增加链路来分流超出固定需求的部分，其代价就是该部分业务流的使用。

对于无线Mesh网络来说，判断均衡是否存在的方法就是利用齐次严凸DSC是一种用来求解唯一均衡的常用工具。

在这里，定义为流分配延时的加权和，并且

$\tilde{f}-\stackrel{\&OverBar;}{f}\left[g(\tilde{f},\mathrm{\&rho;})\right]>0$

如果DS系统存在矢量ρ，那么均衡就是唯一的，也就是说该 是正定的，则均衡是唯一存在的。

从上述的表述可知，当业务流速率小于链路带宽时，则依据均衡条件a和b，在延时和吞吐量等因素间的博弈中找到最佳路由。而当业务流速率可能有大于链路带宽即有弹性需求时，则依据均衡条件c，将流分配延时加入博弈的因素之中，在这几种因素中进行博弈，进而得到最佳路由。

依照以上对于DSR路由优化算法的介绍，可以发现该算法在增加了源节点到目的节点的非相关路由之后，考虑了业务流速率小于以及大于链路带宽这两种情况，在众多备选的路由中，综合了延时、网络吞吐量等因素，在这些因素的相互博弈中寻找到了最佳的传输路由，在理论上是可以达到预定的优化效果的。

本发明具有如下优点：

1、传输速度快：能加快传输速度，减少时延。在多条路径之间分配资源进行传输，其传输性能明显优于单路径。

2、稳定性高：防止断裂，增加稳定度。单路径中如果路径断裂，传输将失效，必须重新进行路由发现，多路径算法中当有路径断裂时，其他路径可以照常传输，可以将资源进行重新分配给稳定的路径继续传输而不用重新进行路由发现。

3、负载平衡：单路径的缺点是很容易造成一条路径的使用过密，过于拥塞，而多路径算法可以有效解决这一问题，能是负载平衡分布。

4、减少对带宽的要求：资源在多条路径之间分配，能有效减少对带宽的限制。

5、实时性强：对紧急程度不同的业务也可以通过多条路由给予一定的保证。对很紧急的，并且对准确性要求很高的业务，可以在几条非相关路由上同时传输相同的分组；对于一般紧急的业务，可以一条路径为主用，其余为备用。这样，当主用路径发生故障时，由备用路径来完成数据的传输。

6、分布式运行方式：整个网络以全局方式管理系统资源。

7、功耗低：提供设备“睡眠”操作特性。

8、维护简便：无线Mesh网络中每个节点都有多条可选路由，因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行，方便了网络的维护与操作。

9、本发明对DSR进行初步优化，增加了DSR中的非相关路由数，提出一种增强型DSR路由优化算法。为了解决增强型DSR路由优化算法中的路由选择问题，本发明将最小生成树的思想引入动态源路由协议中，提出了一种基于最小生成树的DSR路由优化协议，综合考虑了带宽、传输拥塞、网络吞吐量等多方面因素，使用仿真软件NS-2进行仿真，结果表明，该路由能有效地减小时延，提高数据传输效率等指标，可以有效的提高网络传输的实时性、效率以及健壮性等。

附图说明

图1是本发明的无线Mesh网络结构图。

图2是本发明的无线Mesh网络协议栈。

图3是本发明在DSR中记录路由创建过程。

图4是本发明的路由发现过程。

图5是本发明的基本路由保持。

图6是本发明的DSR协议路由请求过程。

图7是本发明改进后的DSR协议。

具体实施方式

下面结合附图图1-7对本发明作进一步详细说明。

DSR是一种对等的、基于拓扑的反应式自组织路由协议。它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息。DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护。路由发现过程使用泛洪路由。为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一个缓存器，存放最近用过的路由信息。路由维持过程是源节点用来检测网络拓扑是否发生变化的机制。若拓扑发生变化、源路由发生中断，源节点就会收到路由错误信息。它会试着用缓存中的路由信息，如果不同就重新启动路由发现过程。

1、路由建立过程，如图3所示：

a.当源节点没有到达目的节点的路由时，广播一个路由请求报文。

b.每个收到该报文的中间节点附加上自己的ID然后重新广播(忽略重复请求和已经包含自身ID的报文)。

c.当路由请求到达目的节点(或者某条到达目的节点的路由的中间节点时，目的节点可以确定一条到达目的节点的完整的源路由。

d.目的节点(或中间节点)将所得的源路由包含在路由响应报文中，然后沿着反向路由发送回源节点(或者附带在目的节点的路由请求报文中)。

e.源节点收到路由响应报文后，将源路由存入缓存，并添加到每个数据报的头部。中间节点根据数据报头中的源路由转发数据报。

在DSR中结合了许多基于积极缓存和拓扑信息分析的优化措施。例如，中间节点可以从数据报的头部获得到达所有下游节点的路由，通过合并多条路径的路由信息还可以推演出更多的拓扑信息。此外，如果设置节点的网络接口工作在混杂模式下，通过监听邻居节点使用的路由，节点还可能获得更多的拓扑信息。通过这些方式，节点可以将越来越多的“感兴趣”的网络拓扑信息存入缓存以提高路由查找的命中率。高的缓存命中率意味着可以减少进行路由发现过程的频率，节约网络带宽。不过，积极缓存也会增加将过期的路由信息注入到网络中的可能性。

2、路由维护过程：

a.如果在数据报的逐跳传输过程中发现链路失败，则可以由中间节点使用缓存中的可用路由来代替原头部中含有失败链路的路由，同时向源节点发送路由错误报文。

b.中间节点监听路由错误报文以删除失败路由(减小缓存错误路由信息的影响)。

c.如果路由失败，则由源节点重新开始一次新的路由发现过程。

d.如果节点发现数据报头部的源路由中包括自己的ID(例如由于拓扑变化而产生更短的路由)，可以主动发送路由响应报文告知源节点存在更短路由。

基本路由发现过程

当节点要向目的节点发送分组时，正常情况下，就在自己的路由表中查找到达目标节点的路由信息，若自己的路由表中没有到达目标节点的信息，就发起路由发现过程。

如图4所示，节点A要发现一条到达节点E的路由，节点A发送“路由请求”分组启动路由发现过程，节点A的邻节点(包括节点B)收到该分组。该分组包含源节点和目的节点地址以及一个请求标志(在这个例子中是2)。请求分组中还包含转发该分组的中间节点地址。当另一个节点收到路由请求分组(比如节点B)后，采取以下步骤：

第一步，查看路由请求消息中的目标地址和自己的地址是否匹配，若匹配，节点就向源节点返回一个路由应答消息。第二步，若路由请求消息中的目标地址和自己的地址不匹配，节点必须检查路由请求选择中记录的路由，看是否这个节点的地址已经存在于该地址列表中，如果存在，节点废弃该分组。第三步，若这个节点的地址已经不存在于该地址列表中，每节点必须在他的路由请求表中查询这个路由请求的发起者。若存在，节点在表中查询新近接收到的路由请求的Identification值，决定是否有一项和路由请求中的Identification值和目标节点地址相匹配。如果这个(Identification，目标节点)对在路由请求表中存在，则节点会废弃掉该路由请求选择。第四步，如果这个(Identification)目标节点对不在路由请求表中，节点会根据下述步骤处理路由请求消息：

a.在自己的路由表中对这个路由请求消息增加相对应的值；

b.创建该整个分组的副本并对分组副本执行以下操作；

c.附加自己的地址道路由请求中的路由记录中；

d.检查自己的路由表，看是否有到大目标节点的路由，如果在它的路由表中有这么一项，它就向路由请求消息的源节点返回一个“存储的路由应答”消息；

e.如果节点没有返回一个“存储的路由应答”，那么节点就将这个分组的副本作为广播发送。

在图4中，节点B将自己的地址加入到路由请求消息中的路由记录中，并在自己的路由请求表中加入源节点，目的节点和对应Identification号，然后，再将路由请求消息广播出去。在这里，C接收到请求消息，同样传给D，再由D传给E。节点E发现自己是目标节点，就回应路由应答消息，首先在自己的路由表中查询是否有到达源节点的路由，若有，直接使用该路由将路由应答分组传给源节点；若没有，再发起路由发现过程寻找到源节点的路由。在启动路由发现过程时，发送节点在本地的发送缓冲区内保留分组。

基本路由保持

在使用源路由发送或转发分组时，每一个发送分组的节点要负责确认数据可从此节点到下个节点。如在图5中，节点A使用源路由通过节点B、C，将分组发送到目的节点E。在这种情况下，节点A负责从A到B的链路，节点B负责从B到C的链路，节点C负责C到D的链路，节点D负责D到E的链路。

下一节点的确认方式有三种：被动确认、下层提供的确认消息和软件确认。

增强型DSR路由优化算法

传统DSR协议虽然可以找到源节点到目的节点的多条路径，但这些路径不能保证非相关性：以图6为例，若节点C已存在到节点D的路由，分别为C-E-D和C-F-D，这是，若源节点S的RREQ分组(目的

节点仍为D)到达节点C，按照传统的DSR协议，则第一个到达节点C的RREQ消息被回应，其余后到的RREQ消息被抛弃。也就是说S-A-C和S-B-C只能取一条，假设为S-A-C,这样，源节点若有分组要传输，则只有一条路径可选，要么是S-A-C-E-D，要么是S-A-C-F-D。但两条路径不可同时用，因为这两条路径公用了S-A-C段。其实还是建立了单一的一条路径。另外，若节点存储的为拓扑图，则有一部分拓扑图被废弃。

如图7所示，假设节点C已存在到达节点D的路由C-E-D和C-F-D。当节点S有数据要发送到节点D时，节点S首先发送RREQ消息，节点A和节点B收到RREQ消息后，由于A和B不是目的节点，也不存在到达目的节点的路由，则节点A和B转发RREQ消息。这样，节点C和E也收到RREQ消息。节点C存在到达目的节点D的路由，同样，节点E也存在到达目的节点D的路由。可见，C和E都是中间节点，根据改进，节点C会收到两个RREQ，一个从节点A来，一个从节点B来，节点C会对这两个RREQ消息都给出回应。这样，节点C沿两条路径发送应答消息，一条为C-A-S，另外一条为C-B-S。最后，节点S得到拓扑图中包含节点S，A，B，C，D，E，F，D以及链路S-A，A-C，S-B，B-C，C-E，C-F，E-D，F-D。显然比原协议得到更完全的拓扑图。这样，节点有分组要发送时，通过拓扑图就有更多的路径可以选择，比如就有两条非相关路径S-A-C-E-D和S-B-C-F-D以供选择。

Claims (8)

1.智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于：包括无线网络的路由协议、增强型DSR路由优化算法、基于最小生成树的DSR路由优化算法，其中： 

无线网络的路由协议包括先验式路由协议、反应式路由协议、混合式路由协议；由于无线Mesh网络的多跳性，所以每个节点都要有报文转发功能，每个节点都能选择合适的路由协议；无可以自由移动的，网络拓扑结构会发生变化； 

增强型DSR路由优化算法，在源节点和目的节点之间建立多条路径，回应多的路由请求消息已达到得到更全面的网络拓扑的目的；本算法支持单向链路，可以发现多条路由，可以保证路由的非相关性，在源节点到目的节点间建立多条非相关路由，加快其对路由需求的反应速度； 

基于最小生成树的DSR路由优化算法，非相关路由数目的增加有利于源节点寻找到吞吐量大的、时延小的路由来进行网络的传输，本算法在这些增加的非相关路由中选择最适合的路由进行传输复杂网络环境之下可以有效的提升网络吞吐量，增强健壮性，提高网络传输的效率，减少端到端时延，更为重要的是这种改善的趋势随着节点运动距离的加长而变得更加明显，且不受复杂网络环境的影响。 

2.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护；路由发现过程使用泛洪路由；为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一个缓存器，存放最近用过的路由信息；路由维持过程是源节点用来检测网络拓扑是否发生变化的机制；若拓扑发生变化、源路由发生中断，源节点就会收到路由错误信息；它会试着用缓存中的路由信息，如果不同就重新启动路由发现过程； 

路由建立过程： 

a.当源节点没有到达目的节点的路由时，广播一个路由请求报文； 

b.每个收到该报文的中间节点附加上自己的ID然后重新广播，忽略重复请求和已经包含自身ID的报文； 

c.当路由请求到达目的节点或者某条到达目的节点的路由的中间节点时，目的节点可以确定一条到达目的节点的完整的源路由； 

d.目的节点或中间节点将所得的源路由包含在路由响应报文中，然后沿着反向路由发送回源节点或者附带在目的节点的路由请求报文中； 

e.源节点收到路由响应报文后，将源路由存入缓存，并添加到每个数据报的头部；中间节点根据数据报头中的源路由转发数据报； 

中间节点可以从数据报的头部获得到达所有下游节点的路由，通过合并多条路径的路由信息还可以推演出更多的拓扑信息；此外，如果设置节点的网络接口工作在混杂模式下，通过监听邻居节点使用的路由，节点还可能获得更多的拓扑信息；通过这些方式，节点可以将越来越多的“感兴趣”的网络拓扑信息存入缓存以提高路由查找的命中率；高的缓存命中率意味着可以减少进行路由发现过程的频率，节约网络带宽；不过，积极缓存也会增加将过期的路由信息注入到网络中的可能性； 

路由维护过程： 

a.如果在数据报的逐跳传输过程中发现链路失败，则可以由中间节点使用缓存中的可用路由来代替原头部中含有失败链路的路由，同时向源节点发送路由错误报文； 

b.中间节点监听路由错误报文以删除失败路由，减小缓存错误路由信息的影响； 

c.如果路由失败，则由源节点重新开始一次新的路由发现过程； 

d.如果节点发现数据报头部的源路由中包括自己的ID，可以主动发送路由响应报文告知源节点存在更短路由。 

3.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

路由发现过程： 

当节点要向目的节点发送分组时，正常情况下，就在自己的路由表中查找到达目标节点的路由信息，若自己的路由表中没有到达目标节点的信息，就发起路由发现过程； 

从节点A要发现一条到达节点E的路由，节点A发送“路由请求”分组启动路由发现过程，节点A的邻节点，节点B收到该分组；该分组包含源节点和目的节点地址以及一个请求标志；请求分组中还包含转发该分组的中间节点地址；当另一个节点收到路由请求分组后，采取以下步骤： 

第一步，查看路由请求消息中的目标地址和自己的地址是否匹配，若匹配，节点就向源节点返回一个路由应答消息； 

第二步，若路由请求消息中的目标地址和自己的地址不匹配，节点必须检查路由请求选择中记录的路由，看是否这个节点的地址已经存在于该地址列表中，如果存在，节点废弃该分组； 

第三步，若这个节点的地址已经不存在于该地址列表中，每节点必须在他的路由请求表中查询这个路由请求的发起者；若存在，节点在表中查询新近接收到的路由请求的Identification值，决定是否有一项和路由请求中的Identification值和目标节点地址相匹配；如果这个Identification，目标节点，对在路由请求表中存在，则节点会废弃掉该路由请求选择； 

第四步，如果这个Identification目标节点对不在路由请求表中，节点会根据下述步骤处理路由请求消息： 

a.在自己的路由表中对这个路由请求消息增加相对应的值； 

b.创建该整个分组的副本并对分组副本执行以下操作； 

c.附加自己的地址道路由请求中的路由记录中； 

d.检查自己的路由表，看是否有到大目标节点的路由，如果在它的路由表中有这么一项，它就向路由请求消息的源节点返回一个“存储的路由应答”消息； 

e.如果节点没有返回一个“存储的路由应答”，那么节点就将这个分组的副本作为广播发送； 

节点B将自己的地址加入到路由请求消息中的路由记录中，并在自己的路由请求表中加入源节点，目的节点和对应Identification号，然后，再将路由请求消息广播出去；在这里，C接收到请求消息，同样传给D，再由D传给E；节点E发现自己是目标节点，就回应路由应答消息，首先在自己的路由表中查询是否有到达源节点的路由，若有，直接使用该路由将路由应答分组传给源节点；若没有，再发起路由发现过程寻找到源节点的路由；在启动路由发现过程时，发送节点在本地的发送缓冲区内保留分组； 

基本路由保持： 

在使用源路由发送或转发分组时，每一个发送分组的节点要负责确认数据可从此节点到下个节点；如在图5中，节点A使用源路由通过节点B、C，将分组发送到目的节点E；在这种情况下，节点A负责从A到B的链路，节点B负责从B到C的链路，节点C负责C到D的链路，节点D负责D到E的链路； 

下一节点的确认方式有三种：被动确认、下层提供的确认消息和软件确认。 

4.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

增强型DSR路由优化算法： 

若节点C已存在到节点D的路由，分别为C-E-D和C-F-D，这是，若源节点S的RREQ分组(目的 

节点仍为D)到达节点C，按照传统的DSR协议，则第一个到达节点C的RREQ消息被回应，其余后到的RREQ消息被抛弃；也就是说S-A-C和S-B-C只能取一条，假设为S-A-C,这样，源节点若有分组要传输，则只有一条路径可选，要么是S-A-C-E-D，要么是S-A-C-F-D；但两条路径不可同时用，因为这两条路径公用了S-A-C段；其实还是建立了单一的一条路径；另外，若节点存储的为拓扑图，则有一部分拓扑图被废弃； 

假设节点C已存在到达节点D的路由C-E-D和C-F-D；当节点S有数据要发送到节点D时，节点S首先发送RREQ消息，节点A和节点B收到RREQ消息后，由于A和B不是目的节点，也不存在到达目 的节点的路由，则节点A和B转发RREQ消息；这样，节点C和E也收到RREQ消息；节点C存在到达目的节点D的路由，同样，节点E也存在到达目的节点D的路由；可见，C和E都是中间节点，根据改进，节点C会收到两个RREQ，一个从节点A来，一个从节点B来，节点C会对这两个RREQ消息都给出回应；这样，节点C沿两条路径发送应答消息，一条为C-A-S，另外一条为C-B-S；最后，节点S得到拓扑图中包含节点S，A，B，C，D，E，F，D以及链路S-A，A-C，S-B，B-C，C-E，C-F，E-D，F-D；显然比原协议得到更完全的拓扑图；这样，节点有分组要发送时，通过拓扑图就有更多的路径可以选择，比如就有两条非相关路径S-A-C-E-D和S-B-C-F-D以供选择 。

5.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

先验式路由协议； 

在先验式路由协议中，每个节点需要维护一张或多张路由表以记录该节点到其它节点的路由；为了维护网络拓扑和路由信息的一致性，所有节点都要以定期或触发的方式更新路由表； 

反应式路由协议； 

反应式路由选择协议，又称为源启动按需路由，是一种当需要时才查找路由的路由选择方式；节点并不保存及时准确的路由信息；当源节点要向目的节点发送报文时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送报文；为了提高效率，节点可以将找到的路由保存在缓存中供后续发送使用； 

混合式路由协议； 

混合式路由是将表驱动协议和反应式协议结合起来，在局部范围内使用先验式路由协议，维护准确的路由信息，并可以减小路由控制消息传播的范围，当目标节点较远时，使用表驱动路由协议查找发现路由；这种路由协议目前尚没有在研究的范围之内，这主要因为实施混合式路由也面临着很多困难，如簇的选择和维护、表驱动和反应式路由协议的合理选择以及网络工作的大流量问题； 

几种路由协议性能比较； 

表驱动路由选择协议通过连续的检测链路质量，可维护准确的网络拓扑和路由信息；其优点是发送报文时可立即得到正确的路由信息；但表驱动路由需要大量的控制报文，开销太大；而源驱动路由协议中节点不需要维护网络的拓扑结构，仅当需要时才查找相应的路由，这就节省了路由维护的开销，特别是当网络负荷不是很重时，节省的开销相当可观；但查找路由将引起较大的时延，不适应对时延敏感型应用；混合式路由协议对簇的选择和维护方面的算法比较复杂，并且不易实现；另外，网络中的大流量业务也给该协议的实施带来很大困难；从路由协议的数量分配来看，人 们更倾向于源驱动按需路由，因为它比较适合无线Mesh网络的移动、动态、带宽和功率约束指标。 

6.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

基于最小生成树的DSR路由优化算法，非相关路由数目的增加有利于源节点寻找到吞吐量大的、时延小的路由来进行网络的传输，为了在这些增加的非相关路由中选择最适合的路由进行传输，这些路由的选择是一个动态的过程； 

在两节点的并行链路拓扑情况下，均衡的存在性和唯一性可通过一定的弱凸条件得到；对用户i的延时函数进行量化得到的表达式为 其中为节点i在链路l上的延时；对于每个用户来说，它的延时为经过链路上的延时之和，每个链路占用率只与该链路上的业务流相关；假设链路的均衡条件： 

a.

b.连续可微，严格递增且是凸函数；表示每单位流量，这个假设可以保证和都是凸函数；链路占用函数可以表示为 其中C_l为链路带宽，f_l为业务流速率；且f_l<C_l，若非则会趋近于无穷，从延时的表达式可以知道包含了无穷大值到无穷大的过程是连续的；对于一个Nash均衡来说，每个业务流分配都是对其他所有联合流分布的一个最佳反应，有： 

上述两个假设保证了是严格凸于的；只要保证这个模型是凸博弈，那它的均衡就是存在的；作为每条链路的最佳响应，最优化的问题经过上述的假设之后，就成为一个存在均衡解凸问题；尽管如此，最佳响应的唯一性并不能保证均衡点的唯一性；当链路占用函数为无穷大时，也即当所要发送的数据大小无法在一条链路上传输时就无法通过上述两个约束条件来寻找Nash均衡点,即寻找到最合适的路由来进行传输，为了解决这一问题引入了第三个约束条件； 

c.对于任何一个导致无限分配的流分配方案，至少可以找到一种方法将所要传输、可以通过更改流分配使其从无限代价转化成有限代价；为此 引入一个效用函数来解决，这个效用函数通常默认是凸增的；也即当业务流速率可能大于链路带宽即有弹性需求时，增加链路来分流超出固定需求的部分，其代价就是该部分业务流的使用； 

对于无线Mesh网络来说，判断均衡是否存在的方法就是利用齐次严凸DSC是一种用来求解唯一均衡的常用工具； 

在这里，定义为流分配延时的加权和，并且 

如果DS系统存在矢量ρ，那么均衡就是唯一的，也就是说该 是正定的，则均衡是唯一存在的； 

从上述的表述可知，当业务流速率小于链路带宽时，则依据均衡条件a和b，在延时和吞吐量等因素间的博弈中找到最佳路由；而当业务流速率可能有大于链路带宽即有弹性需求时，则依据均衡条件c，将流分配延时加入博弈的因素之中，在这几种因素中进行博弈，进而得到最佳路由。 

7.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

路由的存储方式； 

节点存储路由的方式有两种：一种是传统的以路由表的方式存储，另外一种是以拓扑图的方式存储；对于前者，节点有分组要发送时，直接使用路由表中的路由；对于后者，因为存储的是拓扑图，所以在发送分组时，路径更加灵活，可以根据分组的要求选择合适的路径；因而本方法选择后者； 

传统DSR协议虽然可以找到源节点到目的节点的多条路径，但这些路径不能保证非相关性；源节点若有分组要传输，则只有一条路径可选，另外，若节点存储的为拓扑图，则有一部分拓扑图被废弃； 

在源节点和目的节点之间建立更多条路径；传统的DSR协议只有在目的节点处才可以处理多个消息，也即后到的消息不被丢弃，目的节点和存在到目的节点路由的中间节点都可以处理多个消息，当然这个数目可以独立确定； 

这种增强型DSR路由优化算法是用回应更多的路由请求消息已达到得到更全面的网络拓扑的目的，那么由于回应分组的增加而导致的分组碰撞，会不会引起更大的时延这是该算法优劣的疑问所在；在对这种增强型DSR路由优化算法做了仿真模拟后，发现分组的端到端时延并没有恶化，而是得到了改善； 

选定以下统计量作为评估标准：数据效率、总请求数目、总开销、总开销分组数、端到端时延；各个评估标准定义如下： 

数据效率＝接收数据分组数目/发送数据分组数目； 

总请求数目＝节点发送的路由请求分组数； 

总开销(按字节)＝(控制消息大小+数据分组中的非数据大小)/(控制消息大小+数据分组大小)*100； 

总开销分组数＝路由请求消息总数+路由应答消息总数+路由错误消息总数+ACK消息总数； 

端到端时延＝数据分组到达目的节点时间―数据分组发生时间； 

从定义上来看，数据效率可以衡量网络的吞吐量；总请求数目反映了网络发起路由发送过程的总数，可以衡量路由的稳健性；总开销反映了协议开销所占的比重；总开销分组数反应了控制分组的数目，因为不论是原始的DSR协议还是本章提出的增强型DSR优化算法，每一个分组头都含有整个路由信息，这样按字节可能开销的区别不是很大，但是以控制分组数计算的开销就会体现出二者的差别；端到端时延反映了每一时刻分组的端到端时延。 

8.按照权利要求1所述的智能抄表系统无线网络优化方法，其特征在于： 

无线Mesh网络中的最小生成树及其纳什均衡； 

定义无线Mesh网络中的源节点1是参与者，其中1为一个有限集合；在无线Mesh网络中，假定每个源节点都要选择一定路由来到达目的节点(或目的网关)，并且所选择的路由策略尽可能保证源节点的最大吞吐量以及尽可能的减少时延和拥塞等问题，尽可能提高Qos，所以在无线Mesh网络中源节点到达目的节点(或目的网关)所有可能单跳或多跳路由策略就是mesh最小生成树的策略集合；在无线Mesh网络中，对任意一对节点之间的功率增益、每个源节点的发射功率、接收端(目的节点或目的网关)的噪声频谱密度等网络必备因素进行设定；在这个前提下，源节点根据一定的路由策略得到的符合完成吞吐量以及解决拥塞问题的路由就是其赢得，也即是最小生成树中的Nash均衡点； 

基于最小生成树的DSR路由优化算法； 

非相关路由数目的增加有利于源节点寻找到吞吐量大的、时延小的路由来进行网络的传输，为了在这些增加的非相关路由中选择最适合的路由进行传输，本文将经济学中的最小生成树思想应用进来，这些备选的路由实际上是竞争关系，存在着一个动态博弈的过程； 

基于最小生成树的DSR路由优化算法的链路选择标准； 

在两节点的并行链路拓扑情况下，均衡的存在性和唯一性可通过一定的弱凸条件得到；对于每个用户来说，它的延时为经过链路上的延时之和，每个链路占用率只与该链路上的业务流相关；假设链路的均衡条件模型，只要保证这个模型是凸博弈，那它的均衡就是存在的；作为每条链路的最佳响应，最优化的问题经过上述的假设之后，就成为一个存在均衡解凸问 题；尽管如此，最佳响应的唯一性并不能保证均衡点的唯一性；当链路占用函数为无穷大时，也即当所要发送的数据大小无法在一条链路上传输时就无法通过上述两个约束条件来寻找Nash均衡点,即寻找到最合适的路由来进行传输，为了解决这一问题引入了第三个约束条件；对于任何一个导致无限分配的流分配方案，至少可以找到一种方法将所要传输、可以通过更改流分配使其从无限代价转化成有限代价；为此引入一个效用函数来解决，这个效用函数通常默认是凸增的；也即当业务流速率可能大于链路带宽即有弹性需求时，增加链路来分流超出固定需求的部分，其代价就是该部分业务流的使用；依照以上对于基于最小生成树的DSR路由优化算法的介绍，可以发现该算法在增加了源节点到目的节点的非相关路由之后，考虑了业务流速率小于以及大于链路带宽这两种情况，在众多备选的路由中，综合了延时、网络吞吐量等因素，在这些因素的相互博弈中寻找到了最佳的传输路由，在理论上是可以达到预定的优化效果的。