CN104902530B - 一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法 - Google Patents
一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法，包括如下步骤：无线Mesh网络中的分布式节点获取本节点的位置信息，以广播的形式将自己的位置信息传递给网内其它节点；网内每个节点以哈希链表的形式维护一个Mac地址与位置信息的映射表L‑Mac；源节点发起路由之前首先根据L‑Mac里位置信息、自己的移动速度和移动方向计算圆形搜索域；中间节点收到路由请求帧时，先判断自己是否在请求域内，若是，则转发，若不是，则丢弃；目的节点收到请求帧后，选择移动速度域累加值较低的路径发送路由响应帧给源节点；源节点收到响应帧后开始发送数据包。本发明充分利用了位置信息，较之以前的路由方法时延更小、占用资源也更少。
Description
技术领域
本发明涉及到无线自组织网的路由协议研究，具体涉及到一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由协议LAWMP(Location Aided Wireless Mesh Protocol)。
背景技术
无线Mesh网络是一种由Ad hoc网络延伸而来的相对较新的技术，以其能够快速部署成本较低的网络、易于覆盖有线网络难以覆盖的范围、自治愈、易还原、可扩展、大范围多跳转发等优点，成为近些年来研究的热点。它利用多跳无线网状结构为移动用户提供宽带接入，是WLAN与移动Ad hoc网络的结合。与WLAN相比，它有多跳转发、站点间对等通信的优点；与Ad hoc相比，它拥有相对固定且电源充足的主干路由器，所以耗能问题考虑较少。
2006年2月，由全球各大通信公司和研究所组成的SEE-Mesh和Wi-Mesh任务小组TGs联合提出802.11s草案及其参考体系结构，2011年7月，该草案成为正式标准。IEEE802.11s标准是在IEEE802.11WLAN基础上发展而来的增补协议，协议中PHY层协议未做改变，主要增改了MAC协议和路由协议，而其默认的路由协议是混合路由协议HWMP(HybridWireless Mesh Protocol)。
混合路由协议HWMP结合了按需路由协议(On Demand-driven routing)的灵活性和表驱动路由协议(table-driven routing)速度快的特点，更适用于无线Mesh网络架构，如图1。无线Mesh网络中设置了根节点，以作为网关节点连通其它网络。HWMP中的两种模式就是建立在有无根节点的判断下：若无根节点，采取按需模式，选择RM-AODV(Radio-MetricAd hoc On-demand Distance Vector Routing)路由算法，采取PREQ广播的机制查询节点MP到节点ROOT的路径；若有根节点，则选择按需路由和到根节点的先验式路由结合的方式，采取利用先验信息的RANN根通告帧获取路径。
随着GPS的普及，位置信息成为路由过程中的一个强有利的辅助因素。但受环境和成本的限制，并不是所有地方都能收到GPS信号，这又使得基于位置的路由协议束之高阁。然而，随着研究的深入，自主定位技术得到了迅猛的发展。借助来自邻居节点的已知位置信息和测量而来的接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication)、信号到达的时间TOA((Time of Arrival))、到达时间差TDOA(Time Difference of Arrival)或者波达方向DOA(Direction of Arrival)，可以计算出不能收到GPS信号的本节点位置信息。自主定位算法与GPS定位技术相辅相成，使得节点位置的获得成为一种普遍的可能，因而促进了位置辅助的路由协议的发展。
典型的基于位置路由协议有LAR(LocationAided Routing)、GPSR(GreedyPerimeter Stateless Routing)和GeoCast(Geographic Addressing and Routing)。LAR的设计目的主要是为了限制参与寻址的节点数目，从而降低网络负载；GPSR的设计目的主要是为了实现无状态路由，从而增强网络的扩展性。而GeoCast协议的设计是为了提供网络协议与地理位置的结合，地理位置在协议中所起的作用类似于IP地址。
在无线Mesh网中节点移动性不大，位置信息变化不频繁。因此，路由过程中加入位置信息，可以大大减少路由洪泛广播，减少数据包发送时延和抖动，极大的提高路由效率。若同时可以获得节点移动速度和方向，就可以降低路由寻路迂回，减少路由跳数，极大地提高路由效率，减少资源占用率。
综上所述，需要一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种减少了资源的占用，削弱了移动速度较大的节点对路径选择的影响，大大提高了路由效率的应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法。
技术方案：本发明的应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法，包括如下步骤：
1)无线Mesh网络中的分布式节点从GPS或在GPS的辅助下以自主定位的方法获取本节点的位置信息；
2)分布式节点以发送位置广播帧的形式周期性的将自己的位置信息传递给网内其它节点，所述位置广播帧包括位置广播帧标志位、本节点Mac地址、位置坐标、移动速度、方向以及判断该位置广播帧是否过期的序列号；
3)网内每个节点以哈希链表的形式维护一个全网的Mac地址与位置信息的映射表L-Mac，当本节点收到网内某个节点的位置广播帧的序列号比自己维护的L-Mac中该节点的序列号更大时，更新本节点维护的L-Mac中该节点的Mac地址与位置信息的记录；
4)源节点首先从映射表L-Mac中读出自己的位置信息、移动方向、移动速度大小以及目的节点的位置信息，再以源节点到目的节点之间的距离为直径设置圆形搜索域，然后以广播的形式发送路由请求帧；
5)中间节点收到路由请求帧时，先判断自己是否在所述圆形搜索域内，若是，则转发，并将自己的速度值累加入路由请求帧的速度域，否则丢弃该路由请求帧；
6)目的节点收到路由请求帧后，选择其中速度域值最小的路径，即中间节点移动最少的路径发送路由响应帧到源节点；
7)源节点收到路由响应帧后，开始发送数据包。
进一步地，步骤2)中分布式节点发送的位置广播帧为Beacon帧，同时以序列号的大小判断该位置广播帧是否过期，每次广播前将序列号加1，以使序列号最大的广播帧为最新广播帧，所述Mac地址和序列号唯一标识一次位置广播帧的发送。
进一步地，所述步骤3)中，若节点收到的位置广播帧中的序列号大于原映射表L-Mac中维护的该节点的序列号，则将该节点的记录更新。
进一步地，所述步骤4)中，源节点读取位置信息的方法为：若源节点S要发信息给目的节点T，则先根据目的节点T的Mac地址算出Hash链表的key值，再根据其指示的存储地址，找到目的节点T对应的地址坐标；
所述步骤4)中，圆形搜索域按照如下方法确定：
(1)若该源节点静止或者运动速度v的方向与源节点到目的节点向量同向，则该圆形搜索域根据以下解析式确定：
(2)若该源节点运动速度v的方向与源节点到目的节点向量反向，夹角为θ，速度的获取间隔为t0，则圆形搜索域的直径扩大r0＝vt0，该圆形搜索域根据以下解析式确定：
其中，源节点S坐标为(xs,ys)，目的节点T坐标为(xt,yt)。
有益效果：本发明的路由方法LAWMP与现有技术相比，具有以下优点：
本发明方法是在原HWMP的基础上加入位置信息，路由过程中充分利用源节点和目的节点的位置信息建立圆形搜索域，同时搜索域的范围随着源节点移动速度方向向量和源节点到目的节点的方向向量的夹角做动态改变。这样做既缩小了广播帧的洪泛范围，又确保节点有路可选。有益效果是减少了路径不必要的迂回，减少了资源的占用。同时路由请求帧中加入速度域，将该路径经过的节点速度值累加，传递给目标节点，以便目标节点选择长时链路发送响应帧，这样做削弱了移动速度较大的节点对路径选择的影响，大大提高了路由效率。该路由方法加入了当下最热门的定位技术，同时考虑到节点的移动性带来的不利影响并加以削弱，优化了无线Mesh网默认路由协议HWMP，以助无线Mesh网在应急响应、军事通信、指挥交通等应用场景中有更出色的表现。
附图说明
图1是位置信息广播帧LBC帧结构图；
图2是移动速度与目标节点同向的路由原理图；
图3是移动速度与目标节点反向的路由原理图；
图4是HWMP路由小场景仿真图，其中图4a为源节点3在最右端时的场景图，图4b为源节点3移动到中间时的场景图，图4c为源节点3移动到左端时的场景图；
图5是LAWMP路由小场景仿真图，其中图5a为源节点3在最右端时的场景图，图5b为源节点3移动到中间时的场景图，图5c为源节点3移动到左端时的场景图；
图6是HWMP路由大场景仿真图；
图7是LAWMP路由大场景仿真图；
图8是无线Mesh网络架构图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：本发明公开了一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法LAWMP，在简单且典型的6节点场景下使用NS2软件仿真，场景图见图4、图5，包括如下步骤：
1)场景设置：无线Mesh网络中设置分布式节点1到节点6，其中源节点3发送固定比特流CBR给目的节点0，同时节点3以12m/s的速度从右向左水平移动，节点4、5距离节点3的垂直距离较近，节点1、2距离节点3的垂直距离较远。设置节点单跳最远传输距离为796m。设置固定比特流cbr包大小为1024Byte，速率1Mb。
2)分布式节点从GPS或在GPS的辅助下以自主定位的方法获取本节点的位置信息和速度值。因为依靠现有技术，时间的测量误差为10～100ns，光速为3×108m/s，所以位置的测量误差在3～30m。因此，在设置搜索域的时候，要加上位置修正量Correction最大值Cmax＝30m；
3)分布式节点以Beacon帧广播的形式周期性的将自己的位置信息传递给网内其它节点，位置广播帧LBC(Location Broadcast)包括位置广播帧标志位、本节点Mac地址、位置坐标、移动速度以及判断该帧是否过期的序列号，如图1所示。每个节点再次发送广播帧时，需将序列号加1，以序列号大小区分新旧广播帧；
4)网内每个节点以Hash链表的形式维护一个Mac地址与位置信息的映射表L-Mac，收到序列号更大的LBC帧时，更新自己维护的L-Mac表中该节点的相应位置、移动速度速度记录。
Hash链表的构建：因为无法确定关键字中哪几位分布较均匀，所以采取平方取中法作为散列函数H(key)。Mac地址形如94-DE-80-26-44-05，以前四个字符94DE为关键字。先求出关键字的平方值，然后按需要取平方值的中间几位作为哈希地址，如表1，取5～7位。最终每个节点都以16进制Mac地址的前四个字符作为Key，按照平方取中法建立并维护L-Mac；
表1哈希表生成方法
5)源节点发起路由之前，首先根据自己的移动方向和移动速度、以及源节点和目的节点的位置信息设置圆形搜索域：
第一步，计算该节点运动速度v的方向与源节点到目的节点向量的夹角
第二步，判断若cosθ≥0，即该节点静止或者运动速度v的方向与源节点到目的节点向量同向，则该圆形搜索域为
第三步，判断若cosθ<0，即该节点运动速度v的方向与源节点到目的节点向量反向，设速度的获取间隔为t0，则该圆形搜索域直径将扩大r0＝vt0，则该圆形搜索域为
第四步，根据第二步或第三步算出的结果，将圆形搜索域的圆心坐标和半径值存储在请求帧RREQ中，传递给中间节点。
6)中间节点收到路由请求帧RREQ时，先读出圆心坐标和半径值，判断自己到圆心的距离是否小于RREQ帧传递过来的半径值。若是，说明该中间节点在搜索域内，则转发，并将自己的速度值累加入请求帧速度位，否则丢弃该帧；
7)目的节点收到请求帧后，选择移动速度位累加值较小的路径即长时链路发送路由响应帧；
8)源节点收到请求响应帧后，开始发送数据包。
仿真结果表明，图4、5中节点3以12m/s的速度从右向左移动，图4a节点选择的路径为3-5-4-1-0和3-2-0，而图5a路径直接为3-2-0；图4b节点选择的路径为3-4-1-0三跳，而图5b路径为3-1-0两跳；图4c节点选择的路径为3-4-1-0三跳，而图5c路径为3-1-0两跳。可以看出，相比于HWMP，LAWMP有效的减少了路由跳数。
实施例2：本发明公开了一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法LAWMP，在随机生成的30节点大场景下仿真，其中四个节点随机移动，最大移动速率12m/s，cbr包大小：1024Byte，速率1Mb，设置单跳最远距离796m。步骤同上，场景图图6、图7表明，相比于HWMP，LAWMP有效的减少了路由跳数和路径迂回，时延和时延抖动也更小。
综上所述，这种方法就是充分利用位置信息，根据速度移动方向动态的缩小广播帧洪泛范围，以减少路径迂回和时延。仿真结果表明，这种方法行之有效。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)无线Mesh网络中的分布式节点从GPS或在GPS的辅助下以自主定位的方法获取本节点的位置信息；
2)分布式节点以发送位置广播帧的形式周期性的将自己的位置信息传递给网内其它节点，所述位置广播帧包括位置广播帧标志位、本节点Mac地址、位置坐标、移动速度、方向以及判断该位置广播帧是否过期的序列号；
3)网内每个节点以哈希链表的形式维护一个全网的Mac地址与位置信息的映射表L-Mac，当本节点收到网内某个节点的位置广播帧的序列号比自己维护的L-Mac中该节点的序列号更大时，更新本节点维护的L-Mac中该节点的Mac地址与位置信息的记录；
4)源节点首先从映射表L-Mac中读出自己的位置信息、移动方向、移动速度大小以及目的节点的位置信息，再以源节点到目的节点之间的距离为直径设置圆形搜索域，然后以广播的形式发送路由请求帧；
5)中间节点收到路由请求帧时，先判断自己是否在所述圆形搜索域内，若是，则转发，并将自己的速度值累加入路由请求帧的速度域，否则丢弃该路由请求帧；
6)目的节点收到路由请求帧后，选择其中速度域值最小的路径，即中间节点移动最少的路径发送路由响应帧到源节点；
7)源节点收到路由响应帧后，开始发送数据包。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法，其特征在于：所述步骤2)中分布式节点发送的位置广播帧为Beacon帧，同时以序列号的大小判断该位置广播帧是否过期，每次广播前将序列号加1，以使序列号最大的广播帧为最新广播帧，所述Mac地址和序列号唯一标识一次位置广播帧的发送。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法，其特征在于：所述步骤3)中，若节点收到的位置广播帧中的序列号大于原映射表L-Mac中维护的该节点的序列号，则将该节点的记录更新。
4.根据权利要求1或2所述的一种应用于无线Mesh网中的位置辅助路由方法，其特征在于：所述步骤4)中，源节点读取位置信息的方法为：若源节点S要发信息给目的节点T，则先根据目的节点T的Mac地址算出Hash链表的key值，再根据其指示的存储地址，找到目的节点T对应的地址坐标；
所述步骤4)中，圆形搜索域按照如下方法确定：
(1)若该源节点静止或者运动速度v的方向与源节点到目的节点向量同向，则该圆形搜索域根据以下解析式确定：
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(2)若该源节点运动速度v的方向与源节点到目的节点向量反向，夹角为θ，速度的获取间隔为t0，则圆形搜索域的直径扩大r0＝vt0，该圆形搜索域根据以下解析式确定：
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其中，圆形搜索域的边界坐标为(x,y)，源节点S坐标为(xs,ys)，目的节点T坐标为(xt,yt)。
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| CN104902530A (zh) | 2015-09-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |