CN105516000B - 一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效自适应路由方法 - Google Patents

一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效自适应路由方法 Download PDF

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Abstract

一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效的自适应路由策略，利用传感器得知节点运动状态，在AOVD路由协议的消息报文中添加运动状态的标识，以表明自己是移动节点还是静止节点，且在不同的节点之间，自适应地建立起邻居关系（一跳）的策略不同：（1）静止节点和静止节点之间，采用稳定邻居关系策略；（2）移动节点和移动节点之间，采用邻居消极发现策略；（3）移动节点和静止节点之间，采用路由快速切换策略。本发明有效地解决了传统无线移动Mesh网络中，网络拓扑的不稳定，节点路由切换慢的问题，为无线移动Mesh网络提供了一种稳定高效的自适应路由策略，具有重要的实际意义和很好的应用前景。

Description

一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效自适应路由方法
技术领域
涉 及一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效的自适应路由策略 方法，属于无线移动Mesh网络中路由技术领域。
背景技术
无线移动Mesh网络是一种为了满足人们对无线网络新需求而产生的新兴技术，它相对于传统的无线网络，具有更高的带宽、容量及速率，是一种覆盖范围广的分布式网络。无线移动Mesh网络也被称为无线网状网或无线网格网，已成为一个新的、高效、廉价的实现下一代无线网络解决方案的网络。在当前采用的无线移动Mesh技术中，融合了其他传统无线网络技术(比如wifi，3G，4G等)的优势，传输速度快，理论上可以达到54Mbps，甚至更高，并且自组成了一个含有多跳无线链路的网状网络，这种网状网络不仅仅可以大幅度扩展无线网络的覆盖范围，同时还可以提高原来无线网络的带宽、容量及通信可靠新。正因为如此，无线移动Mesh可突破传统无线网络在远距离传输高质量多媒体方面的技术瓶颈，用以组成视频流业务的传输网络。
基于无线自组织网络无中心，分布式操作的特性，AODV路由协议采用按需路由，不需要维护整个网络的拓扑信息，只有在发送分组且没有到目的节点的路由时才发起路由发现过程，仅维护活跃的路由，即邻居节点，是一种反应式路由协议。具体来时，当每台终端设备产生数据传送要求的时候，它需要查找自身路由表是否有之前的路由记录。如果在其路由表里面没有到达相应目的节点的路由条目，该节点就会发起路由寻路过程，向整个网络中的其他节点洪泛路由寻路消息RREQ。直到该RREQ消息到达目的节点，目的节点会根据该RREQ消息里所记录的一路传递过来的路径，将生成的目的节点应答消息RREP原路返回送回源寻路节点。在这两个过程中，由于洪范效应可能会产生很多的冗余数据包，造成多个RREQ请求消息之间的混淆，AODV路由协议引入了源、目的节点，以及 RREQ、RREP消息的序列号，通过序列号的唯一递增性，确保所处理的所有信息都是最新的消息，有效的避免了洪范机制可能导致的无限冗余。
在最基本的寻路机制以外，AODV核心的内容还包括路由表的维护，局部邻居维护，以及局部的断路修复机制，以求增加协议的强健性。对于所有之前获得的路由信息，源节点、目的节点和中间参与转发的节点均会写入起自身的路由表中，每条路有条路对应一个30秒钟的定时(可调整)。在给定的时间内，如果没有再次读写该路由条目，超时的路由条目会自动标记为路由超时，经过一定时间的等待自动被删除出该节点的路由表中，这体现了一个无线自组织网络动态收敛的特性，符合了该类网络实时动态发生变化的需求。
所谓局部邻居维护，是为了保证路由条目中的下一跳的可达性。每个终端节点需要周期性的向邻居节点发送TTL＝1的HELLO消息。一旦当邻居节点被验证失踪，该节点将会删除自身路由表中所有下一跳包含该邻居节点的路由条目，并且启动路由修复机制，通知所有的上游节点通过该邻居节点作为下一跳的路由失效，同时也会局部发起寻路，寻求绕过该邻居节点的备用路由。这也就是所谓的局部断路修复机制。
在无线移动Mesh网络中，链路质量对多跳路由的传输路径至关重要，他是构成这条传输路径的重要基础。AODV路由协议通过Hello机制来确认链路。但是，在实际应用中，通过简单的Hello发现机制是无法保证链路质量的，需要采取另外的机制。现有的方法是使用无线信号强度RSSI来确认邻居节点，但是，受到地形、单向路径的频带干扰等因素的影响，这个方法并不准确；同时在众多的便携式无线终端上，底层的驱动并没有提供相应的接口，以便精确获知自组织网络中的每个节点的无线信号强度。另外一种现有的技术是将GPS模块引入节点，通过地理位置的筛选来确定路由。它的局限性是使用范围限制于室外，同时增加了成本。另外，还有一种方法是通过链路的数据丢包率统计，进行邻居的筛选，其缺陷是需要较多的数据传输开销。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效的自适应路由策略，有效地解决了传统无线移动Mesh网络中，网络拓扑的不稳定，节点路由切换慢的问题。
技术方案：本发明利用节点运动状态，在AODV 路由协议的消息报文中添加该属性的标识，表明自己是移动节点还是静止节点，对于不同的节点之间，采取不同的策略组建邻居节点：(1)静止节点和静止节点之间，采用稳定邻居关系的策略；(2)移动节点和移动节点之间，采用邻居消极发现的策略；(3)移动节点和静止节点之间，采用移动节点路由快速切换的策略。所诉策略方法分别在下列操作步骤说明，邻居节点的确立统一采用Hello应答机制。
(1)静止节点和静止节点：由于静止节点相对于移动节点，它的链路状况更好，在无线移动Mesh网络中要承担更多的传输任务，所以它们之间要有更加稳定的网络拓扑结构：
步骤1：静止源节点周期性地广播Hello报文，周期为T；
步骤2：其他静止节点收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，并标识为1，表明自己是静止节点。
步骤3：重复步骤1和2，当源节点收到n个连续Hello_ACK应答报文后，邻居节点链接建立，将该静止节点添加进路由表。
步骤4：源节点继续周期性广播Hello报文，当在T_ALLOW_LOSS之后，还没有收到该静止节点发回的Hello_ACK应答报文，则链路断开，将该静止节点从路由表删除。
(2)移动节点和移动节点：由于移动节点的链路状况一般较差，特别是移动节点和移动节点之间，经常出现高频繁的链路断裂，应该尽量避免此类邻居节点的建立，除非是相隔非常近的，链路状况较好的两个移动节点。所以此类邻居节点的建立条件也应该较为严格。另外，移动节点之间一旦建立链接，往往又因为各自离去，距离越来越远，链路又马上断开了，所以它们间邻居节点断开条件应该较为宽松。
根据以上分析，此类步骤与上面的类型(1)步骤相似，不同之处在于：步骤2 中的标示改为0，以表明是移动节点；步骤4中的T_ALLOW_LOSS要设为更小的值。
(3)移动节点和静止节点：移动节点往往要采集实时数据，并及时把数据通过静止节点传输出去，所以移动节点在移动的过程中应该要有快速切换路由的能力。通过减小类型(1)中n和T_ALLOW_LOSS的值可以达到更迅速地建立和断开邻居节点的目的，从而缩短路由切换所带来的延迟。为了进一步减小延迟，甚至达到“软切换”的效果，本发明还引入hello延时机制和RREQ重发送机制。
步骤1：移动源节点周期性地广播Hello报文，并在报文中加入时间戳t1，广播周期为T；
步骤2：静止节点收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，并标识为1，表明自己是静止节点，还要添加收到的Hello报文中所带的时间戳t1；
步骤3：当源节点收到该Hello_ACK报文后，记录发送该Hello_ACK报文的静止节点的IP地址，然后用当前时间t2减去报文中的时间戳t1，得到时间延迟 t_delay，并记录。
步骤4：重复步骤1至3，计算最近m个t_delay的权值平均t_average，当t_average小于阈值T_ALLOW_DELAY 时，才将该静止节点添加进路由表，作为邻居节点。
步骤5：接下来，每次收到该静止节点回应的Hello_ACK报文，就计算最近 m个t_delay的权值平均t_average。
步骤6：若移动节点正作为源节点向目的节点进行多跳的数据传输，随着移动节点的运动，它必然会远离作为下一跳的该静止节点，从而造成链路质量下降，延迟增大。当t_average大于T_ALLOW_DELAY_2时，移动节点开始向其他静止的邻居节点发送RREQ_2报文，寻求更合适的路径。
步骤7：当该移动节点收到目的节点发回的RREP_2报文时，并且下一跳的邻居节点中的t_average比当前下一跳的邻居节点小，则插入这条路由，并删除原路由，从而进行了路由的切换，这样可以大大减小了延迟。按照原来的策略，当移动节点离开静止节点时，需要等待T_ALLOW_LOSS的时间，才感知到和这个邻居节点链路的断开，这时才重新广播RREQ报文，进行对目的节点寻路。所以本发明提出的策略可以减少T_ALLOW_LOSS和重新对目的节点寻路所带来的延迟。
2、所述的广播周期T，一般取值为1秒。
3、所述类型(1)和类型(2)中建立邻居节点关系所需的连续Hello报文个数n，和类型(3)中所需的Hello报文m关系为：n>m，n的取值范围为[5,10]， m的取值范围为[3,5]。
4、所述类型(1)和类型(2)中T_ALLOW_LOSS取值范围分别可取10s至 20s和3s至10s。
5、所述类型(3)中的T_ALLOW_DELAY和T_ALLOW_DELAY_2关系为可设置为：T_ALLOW_DELAY＝1.5*T_ALLOW_DELAY_2，其中 T_ALLOW_DELAY取值范围根据网络环境设置，可设置为100ms至300ms。
6、所述类型(1)中的两个静止的邻居节点由于正好处于对方无线覆盖范围的边缘，也会出现高频繁的链路断裂，此时可以利用MAC地址过滤，屏蔽对方的Hello报文，不建立邻居关系。
7、所述类型(3)为移动节点向静止节点发送Hello报文，建立邻居节点关系的方法；而静止节点向移动节点发送Hello报文，建立邻居节点关系的方法与类型 (2)相同。
有益效果
本发明有效地解决了传统无线移动Mesh网络中，网络拓扑的不稳定，节点路由切换慢的问题，为无线移动Mesh网络提供了一种稳定高效的自适应路由策略，具有重要的实际意义和很好的应用前景。
附图说明
图1本发明实施例的路由策略选择流程图；
图2本发明实施例的邻居节点关系建立的信息交互示意图；
图3本发明实施例的类型(1)和(2)的邻居节点关系建立流程图；
图4本发明实施例的类型(3)的节点位置结构图；
图5本发明实施例的类型(3)的不同时刻的网络拓扑图；
图6本发明实施例的类型(3)的邻居节点关系建立流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式，对本发明所诉的路由策略做详细描述。
如图1所示，本发明根据节点运动状态(可利用传感器得知)，在AODV 路由协议的消息报文中添加该属性的标识，以表明自己是移动节点还是静止节点，对于不同的节点之间，相互建立成为邻居(一跳)策略不同：(1)静止节点和静止节点之间，采用稳定邻居关系的策略；(2)移动节点和移动节点之间，采用邻居消极发现的策略；(3)移动节点和静止节点之间，采用移动节点路由快速切换的策略。下面对本发明的操作过程进行描述：
1.对于类型(1)和类型(2)，参见图2，图3进行说明。
步骤1：源节点周期性地广播Hello报文，周期为T；
步骤2：邻居节点收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，比如自己是静止节点就标记为1，移动节点就标记为0。
步骤3：重复步骤1和2，当源节点收到n个连续Hello_ACK应答报文后，邻居节点链接建立，将该邻居节点添加进路由表，
步骤4：源节点继续周期性广播Hello报文，当在T_ALLOW_LOSS之后，还没有收到该邻居节点发回的Hello_ACK应答报文，则链路断开，将该邻居节点从路由表删除。此处，Hello_ACK报文的允许丢失时间T_ALLOW_LOSS不同，邻居节点为静止节点的T_ALLOW_LOSS要比移动节点的久。
2.对于类型(3)，参见图4，图5，图6进行说明
移动节点往往要采集实时数据，并及时把数据通过静止节点传输出去，所以移动节点在移动的过程中应该要有快速切换路由的能力。通过减小类型(1)中n 和T_ALLOW_LOSS的值可以达到更迅速地建立和断开邻居节点的目的，从而缩短路由切换所带来的延迟。为了进一步减小延迟，甚至达到“软切换”的效果，本发明还引入hello测延时机制和RREQ重发送机制。图中，B和C为静止节点， A,A’和A”为同一个移动节点在不同时刻的位置，大圆表示两个静止节点的覆盖范围。下面详细说明整个过程。
步骤1：移动源节点A周期性地广播Hello报文，并在报文中加入时间戳t1，广播周期为T；
步骤2：静止节点B收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，并标识为1，表明自己是静止节点，还要添加收到的Hello报文中所带的时间戳t1
步骤3：当源节点A收到该Hello_ACK报文后，记录发送该Hello_ACK报文的静止节点B的IP地址，然后用当前时间t2减去报文中的时间戳t1，得到时间延迟t_delay，并记录。
步骤4：重复步骤1至3，计算最近m个t_delay的权值平均t_average，当 t_average小于阈值T_ALLOW_DELAY 时，才将该静止节点添加进路由表，作为邻居节点。
步骤5：接下来，每次收到该静止节点回应的Hello_ACK报文，就计算最近 m个t_delay的权值平均t_average。
步骤6：随着移动节点的运动，它必然会远离该静止节点，从而造成链路质量下降，延迟增大。比如运动到图中的A’位置，此时t_average大于 T_ALLOW_DELAY_2，移动节点开始向其他静止的邻居节点发送RREQ_2报文，寻求更合适的路径，其中T_ALLOW_DELAY＝1.5*T_ALLOW_DELAY_2。
步骤7：当移动节点A’收到目的节点发回的RREP_2报文时，并且下一跳的邻居节点C中的t_average比当前下一跳的邻居节点B小，则插入这条下一跳为C 的路由，并删除原路由，从而进行了路由的切换，这样可以大大减小了延迟。按照原来的策略，当移动节点离开静止节点B到达A”位置时，需要等待T_ALLOW_LOSS的时间，才感知到和这个邻居节点链路的断开，这时才重新广播RREQ报文，进行对目的节点寻路。所以本发明提出的策略可以减少T_ALLOW_LOSS和重新对目的节点寻路所带来的延迟。

Claims (7)

1.一种用于无线移动Mesh网络中的稳定高效的自适应路由方法，其特征在于，该方法利用传感器得知节点运动状态，并将邻居节点关系分为三种类型：(1)静止节点和静止节点；(2)移动节点和移动节点；(3)移动节点和静止节点；
分别对应三种不同的路由策略，即静止节点和静止节点对应稳定邻居关系策略，移动节点和移动节点对应邻居消极发现策略，移动节点和静止节点对应路由快速切换策略；
所述方法分别在下列操作步骤说明，另外邻居节点的确立统一采用Hello应答机制：
(1)静止节点和静止节点：
步骤1：静止源节点周期性地广播Hello报文，周期为T；
步骤2：其他静止节点收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，并标识为1，表明自己是静止节点；
步骤3：重复步骤1和2，当源节点收到n个连续Hello_ACK应答报文后，邻居节点链接建立，将该静止节点添加进路由表；
步骤4：源节点继续周期性广播Hello报文，当在T_ALLOW_LOSS_1之后，还没有收到该静止节点发回的Hello_ACK应答报文，则邻居关系解除，将该静止节点从路由表删除；
(2)移动节点和移动节点：
步骤1：移动源节点周期性地广播Hello报文，周期为T；
步骤2：其他移动节点收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，并标识为0，表明自己是移动节点；
步骤3：重复步骤1和2，当源节点收到n个连续Hello_ACK应答报文后，邻居节点链接建立，将该移动节点添加进路由表；
步骤4：源节点继续周期性广播Hello报文，当在T_ALLOW_LOSS_2之后，还没有收到该静止节点发回的Hello_ACK应答报文，则邻居关系解除，将该静止节点从路由表删除；
(3)移动节点和静止节点：
步骤1：移动源节点周期性地广播Hello报文，并在报文中加入时间戳t1，广播周期为T；
步骤2：静止节点收到一个Hello报文后，马上应答一个Hello_ACK报文，在该应答报文中添加一个节点属性标志位，并标识为1，表明自己是静止节点，还要添加收到的Hello报文中所带的时间戳t1；
步骤3：当源节点收到该Hello_ACK报文后，记录发送该Hello_ACK报文的静止节点的IP地址，然后用当前时间t2减去报文中的时间戳t1，得到时间延迟t_delay，并记录；
步骤4：重复步骤1至3，计算最近m个t_delay的权值平均t_average，当t_average小于阈值T_ALLOW_DELAY时，才将该静止节点添加进路由表，作为邻居节点；
步骤5：接下来，每次收到该静止节点回应的Hello_ACK报文，就计算最近m个t_delay的权值平均t_average；
步骤6：若移动节点正作为源节点向目的节点进行多跳的数据传输，随着移动节点的运动，它必然会远离作为下一跳的该静止节点，从而造成链路质量下降，延迟增大；当t_average大于T_ALLOW_DELAY_2时，移动节点开始向其他静止的邻居节点发送RREQ_2报文，寻求到目的节点的更合适路径；
步骤7：当该移动节点收到目的节点发回的RREP_2报文时，并且下一跳的邻居节点中的t_average比当前下一跳的邻居节点小，则插入这条路由，并删除原路由，从而进行了路由的切换，减小了延迟。
2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于：所述的广播周期T，取值为1秒。
3.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于：所述类型(1)和类型(2)中建立邻居节点关系所需的连续Hello报文个数n，和类型(3)中所需的Hello报文m关系为：n>m，n的取值范围为[5,10]，m的取值范围为[3,5]。
4.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于：所述类型(1)中的T_ALLOW_LOSS_1和类型(2)中的T_ALLOW_LOSS_2的关系为：T_ALLOW_LOSS_1大于T_ALLOW_LOSS_2，取值范围分别取10s至20s和3s至10s。
5.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于：类型(3)中所述的T_ALLOW_DELAY和T_ALLOW_DELAY_2关系为可设置为：T_ALLOW_DELAY＝1.5*T_ALLOW_DELAY_2，其中T_ALLOW_DELAY取值范围根据网络环境设置，设置为100ms至300ms。
6.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于：所述类型(1)中的两个静止的邻居节点由于正好处于对方无线覆盖范围的边缘，也会出现高频繁的链路断裂，此时利用MAC地址过滤，屏蔽对方的Hello报文，不建立邻居关系。
7.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于：所述类型(3)为移动节点向静止节点发送Hello报文，建立邻居节点关系的方法；而静止节点向移动节点发送Hello报文，建立邻居节点关系的方法与类型(2)相同。
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