CN106385701A - 一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法，源节点采用AODV路由协议建立通信信道路由，在路由请求报文分组广播经过中间节点至目的节点的过程中，同时建立反向路由，反向路由包括源节点至目的节点的传输时间长度等信息，如果源节点接收多条到达目的节点的反向路由信息时，就会根据源节点至目的节点的传输时间长度最短，确定一条经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由，优化了传统AODV协议依据最少跳数的选择路径的方法，保证了源节点在收到多条相同的最少跳数的反向路由信息时，确定路由的最佳性，实现路由控制开销、链路稳定、功率控制是最优的。

Description

一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法
技术领域
本发明涉及无线通信自组局域网络技术领域，具体地说，涉及一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法。
背景技术
可见光通信无线自组局域(Ad hoc)网络是一种不依赖预设设施基础，具有一定动态拓扑结构变化的自组建临时局域网络，网络节点都具有收发及路由双重功能，采用分布式控制方式进行信息交互，借助中间节点中继实现多跳远程通信，该网络适应性强、架构简单、功耗低、不受干扰、便于携带、适合于安全、救灾、消防、军事等领域小分队通信。
Ad hoc网络技术研究重点是AODV路由协议实现的最优化，确定Ad hoc网络的最佳路由对降低路由控制开销、提高链路稳定性、节能路由、功率控制、跨层优化等方面有重要意义。
传统AODV路由协议的路由实现是当源节点接收多条到达目的节点的反向路由信息时，源节点根据源节点经过中间节点到达目的节点的跳数最少为选择原则来确定路由，当源节点收到多条相同的最少跳数的反向路由信息时，这种方法不能保证确定路由的最佳性，造成路由开销、链路稳定、功率控制不是最优的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法，该方法在传统AODV路由协议依据最少跳数的选路原则基础上，增加了一条基于传输时间长度确定最佳路由原则，传统AODV路由协议的节点时间主要用于报文网络时钟同步，节点有效生存时间是决定跳径次数的标尺，扩展节点时间在选路原则上的应用是确定最佳路由的必备条件。
其具体技术方案为：
一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法，包括以下步骤：
在无线自组局域网络可见光通信系统中，源节点的矩阵紫外LED灯具发射经过信息调制的可见光，所述可见光的调制信息中包括按需路由AODV协议；
在路由请求(RREQ)报文分组广播经过中间节点至目的节点的过程中，同时建立反向路由，反向路由包含源节点至目的节点的收发时间，经时钟同步解算得出对应时间长度等信息；
源节点收到多条到达目的节点的反向路由信息时，就会选取源节点至目的节点传输时间长度最短，经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由。
优选地，所述无线自组局域网络可见光通信系统由一个源节点和多个中间节点、目的节点组成的主从结构，每个节点有控制单元、接收单元、发射单元、电源管理单元，都具有收发及路由双重功能，借助中间节点中继发送实现多跳远程通信。源节点与中间节点、目的节点之间采用点对多点或点对点半双工通信链路，中间节点与中间节点、目的节点之间采用点对点的半双工通信链路。
进一步，每个节点均设置晶振控制自己本地时间的时钟源，Ad hoc网络时钟同步采用网络所有节点的时间与源节点(时间参考节点)时间保持同步，即源节点广播带有自身时间信息，所有节点在获取源节点时间信息后保持与其同步。ASP方法设计了一种时钟自动跟踪机制，利用该方法可在丢失时间同步信息后仍保持与源节点时钟较快同步，改进了IEEE802.11标准中同步可展性差的弱点、更加适合无线自组局域网络主从结构的可见光通信系统。
优选地，源节点将包括源节点和目的节点序列号、IP地址、广播ID、时间等信息的路由请求(RREQ)报文调制为可见光，在直流电源驱动下，通过矩阵紫外LED灯具分组广播发射，对于不在紫外光通信单级传送距离范围内目的节点，源节点与其通信又无有效路径，就需实施路由建立。源节点和每个中间节点、目的节点都有自己节点的序列号和广播ID两个独立计数器，源节点每发送一次路由请求(RREQ)，便把自己的节点序列号和广播ID记录到分组的路由请求(RREQ)中，如果中间节点再中继转发一次路由请求(RREQ)，广播ID自动加1，AODV路由协议利用目的节点的序列号，确保到达目的节点的路径是唯一的，不重叠、不交叉。
优选地，源节点首先在路由请求(RREQ)的报文中记录报文发出时间T1，然后分组广播传送，中间节点根据接收的报文序列号、IP地址识别是否发给自己的报文，若是，报文经过解调、解码、数模转换实现向PC传送数据。若不是，中间节点只在第一次有效生存时间内接收到该路由请求(RREQ)信息时进行处理，如果没有目的节点的信息，就会根据网络拓扑信息继续向相邻中间节点中继传送路由请求(RREQ)，同时建立反向路由，并记录报文收到和发出时间，保存到路由请求(RREQ)信息中继续转发，直到目的节点路由应答(RREP)反馈到源节点为止。如果以后本中间节点接收到同样的路由请求(RREQ)信息便丢弃。
当路由请求(RREQ)分组到达目的节点时，目的节点回复一个分组路由应答(RREP)，并记录报文收到和发出时间T2、T3，路由应答(RREP)沿着刚才的路径返回源节点，并记录源节点收到时间T4，在返回过程中记录每一个中间节点反向路由时间信息，不在路由应答(RREP)分组回传路上的中间节点，会因为反向路由生存时间超时而被删除。
优选地，减少节点之间的时间累积偏差，实现源节点与目的节点的按需时钟同步。节点内部的硬件时钟受环境影响因素较大，如能量受限、节点运算能力有限、动态网络拓扑结构变化、不对称链路等等，这些因素局限自组无线局域网络可见光通信系统难以获得全网络时钟基准，准确测定节点之间的时钟偏差。实现中间节点不参加时钟同步计算，克服了中间节点跳数的时间累积偏差对源节点与目的节点之间的传输时间的影响，满足了源节点基于传输时间确定路由的时间同步偏差要求。源节点选取源节点至目的节点传输时间长度最短，经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由，至此源节点至目的节点的路由就建立了。
优选地，源节点至目的节点传输时间长度的计算等于路由请求(RREQ)传输时长和路由应答(RREP)传输时长的平均值。见如下公式：
D＝{(T2-T1)+(T4-T3)}/2
D：源节点至目的节点传输时间长度平均值。
T1：源节点发出广播路由请求(RREQ)的本地时间；
T2：目的节点收到广播路由请求(RREQ)的本地时间；
T3：目的节点发出反馈路由应答(RREP)的本地时间；
T4：源节点收到反馈路由应答(RREP)的本地时间；
优选地当需要进行数据传输时，执行时钟校准函数公式：
(T)＝T+σ+D，
σ＝{(T2-T1)-(T4-T3)}/2
T：某节点的时钟戳，
σ：为时钟偏差值，
D：源节点至目的节点往返传输时间长度平均值，
T1/T2/T3/T4：源节点、目的节点收发时间(同上)。
实现源节点至目的节点时钟同步。
优选地，源节点至少收到2条以上经过中间节点至目的节点相同的最少跳数的反向路由信息，确定一条源节点至目的节点传输时间长度最短，经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明优化了传统AODV协议依据最少跳数的选路方法，保证了源节点在收到多条相同的最少跳数的路由信息时，确定路由的最佳性，实现路由控制开销、链路稳定、功率控制是最优的。
附图说明
图1基于传输时间长度确定最佳路由方法的路径示意图，图中：节点传输时间长度最短确定的最佳路由为实线路径示意；
图2基于传输时间长度确定最佳路由方法的流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细地说明。
具体实例是采用了一种具有中继传输紫外光通信的系统来实施的。本系统由一个源节点、六个中间节点、一个目的节点组成的主从结构局域网络，每个节点均由控制单元、发射单元、接收单元、电源管理单元组成，都具有收发及路由双重功能。源节点与中间节点之间采用点对多点或点对点半双工通信链路，中间节点与中间节点、目的节点之间采用点对点的半双工通信链路。(见图1)
所述的控制单元均由ARM为主处理模块，FPGA为从处理模块、时钟模块、复位模块、外联接口模块组成。ARM采用是S3C2410ARM核心模块，FPGA主要由芯片EPISI0、配置芯片EPC2LC20、JTAG接口和PCMCIA接口组成，RTC时钟采用芯片S29CL80D，外联接口包括USB接口、调试串口、LAN接口、WLAN接口、SD卡，ARM与FPGA之间通过数据总线、地址总线进行通信。
所述的发射单元由UART、RS232串口传送数据比特流、光电耦合器、高速开关、定制阵列紫外LED光源模块组成。阵列紫外LED光源模块是紫外光发射的核心。
所述的接收单元由处理器(FPGA采用Altero公司生产的Cyclone系列，)、由透镜和SB-AF紫外滤光片组成的光学集光器、自制紫外光探测器、可变增益放大器、带通滤波器、数模转换器、外联接口(wifi接口、蓝牙接口、USB接口)组成。
所述的电源管理单元的高能量锂离子电池，电源电压为5V，5V电压作为阵列紫外LED发射光的驱动基准电源，CAN电路总线使用，一部分经LM1085-3.3V降压后得到3.3V电压，供硬件电路板使用，作为每个节点使用的直流电源，
所述的控制单元采用Ad Hoc网络通用协议栈：传输层采用UDP协议、网络层采用路由协议(AODV)、数据链路层采用MAC协议(IEEE802.11DCF)。
路由协议(AODV)包括数据结构表：路由表、相邻中间节点列表、广播ID表；三个基本控制分组报文：路由请求(RREQ)、路由应答(RREP)、路由出错(RRER)。
在路由表条目中增加源节点与目的节点之间时钟偏差估计σ，传输延时估计D，同步完成标志f。
优化路由表条目数据结构如下：
相邻中间节点列表记录激活状态的相邻中间节点和其生存时间,相邻中间节点数据结构如下：
优化路由请求(RREQ)报文格式如表1所示：
表1
优化路由应答(RREP)报文格式如表2所示：
表2
源节点首先在路由请求(RREQ)的报文中记录报文发出时间T1，然后分组广播传送，中间节点根据接收的报文序列号、IP地址识别是否发给自己的报文，若是，报文经过解调、解码、数模转换实现向PC传送数据。若不是，中间节点只在第一次有效生存时间内接收到该路由请求(RREQ)信息时进行处理，如果没有目的节点的信息，就会根据网络拓扑信息继续向相邻中间节点发送路由请求(RREQ)，同时建立反向路由，记录报文收到和发出时间，保存到路由请求(RREQ)信息中继续转发，直到目的节点路由应答(RREP)反馈到源节点为止。如果以后本中间节点接收到同样的路由请求(RREQ)信息便丢弃。
当路由请求(RREQ)分组到达目的节点时，目的节点回复分组路由应答(RREP)，并记录报文收到和发出时间T2、T3，路由应答(RREP)沿着刚才的路径返回源节点，并记录源节点收到时间T4，在返回过程中记录每一个中间节点反向路由时间信息，不在路由应答(RREP)分组回传路上的中间节点会因为反向路由生存时间超时而被删除。
为减少传输时间累积偏差，中间节点时间不参加时钟同步校准，克服了中间节点跳数的时间累积偏差对源节点与目的节点之间传输时间精度的影响，满足了源节点基于传输时间确定路由的时间同步偏差要求，实现了时钟的按需同步，源节点选取源节点至目的节点传输时间长度最短，经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由，至此源节点至目的节点的路由就建立了。(见图2)
源节点至目的节点传输时间长度的计算等于路由请求(RREQ)传输时长和反馈路由应答(RREP)传输时长的平均值。见如下公式：
D＝{(T2-T1)+(T4-T3)}/2
D：源节点至目的节点传输时间长度平均值。
T1：源节点发出广播路由请求(RREQ)的本地时间；
T2：目的节点收到广播路由请求(RREQ)的本地时间；
T3：目的节点发出反馈路由应答(RREP)的本地时间；
T4：源节点收到反馈路由应答(RREP)的本地时间；
执行时钟校准函数公式：实现源节点至目的节点时钟同步。
S(T)＝T+σ+D，
σ＝{(T2-T1)-(T4-T3)}/2
T：某节点的时钟戳，
σ：为时钟偏差值，
D：源节点至目的节点传输时间长度平均值，
T1/T2/T3/T4：源节点、目的节点收发时间(同上)。
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在无线自组局域网络可见光通信系统中，源节点的矩阵紫外LED灯具发射经过信息调制的可见光，所述可见光的调制信息中包括优化的路由AODV协议；
在路由请求报文分组广播经过中间节点至目的节点的过程中，同时建立反向路由，反向路由包含源节点至目的节点的收发时间，经时钟同步解算得出对应时间长度信息；
源节点收到多条到达目的节点的反向路由信息时，就会选取源节点至目的节点传输时间长度最短，经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由。
2.根据权利要求1所述的基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，所述无线自组局域网络可见光通信系统由一个源节点和多个中间节点、目的节点组成的主从结构，每个节点有控制、接收、发射、电源管理单元，借助中间节点中继功能实现多跳远程通信；源节点与中间节点、目的节点之间采用点对多点或点对点半双工通信链路，中间节点与中间节点、目的节点之间采用点对点的半双工通信链路。
3.根据权利要求2所述的基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，每个节点均设置晶振控制自己本地时间的时钟源，Ad hoc网络时钟同步采用网络所有节点的时间与源节点时间保持同步，源节点广播带有自身时间信息，所有节点在获取源节点时间信息后保持与其同步。
4.根据权利要求1所述的基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，源节点将包括源节点和目的节点序列号、IP地址、广播ID、时间的信息的路由请求报文调制为可见光，在直流电源驱动下，通过矩阵紫外LED灯具分组广播发射，对于不在紫外光通信单级传送距离范围内的目的节点，源节点与其通信又无有效路径，就需实施路由的建立；源节点和每个中间节点、目的节点都有自己节点的序列号和广播ID两个独立计数器，源节点每发送一次路由请求，便把自己的节点序列号和广播ID记录到分组的路由请求中，如果中间节点再中继转发一次路由请求，广播ID自动加1，AODV路由协议利用目的节点的序列号，确保到达目的节点的路径是唯一的，不重叠、不交叉。
5.根据权利要求1所述的基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，源节点首先在路由请求的报文中记录报文发出时间T1，然后分组广播传送，中间节点根据接收的报文序列号、IP地址识别是否发给自己的报文，若是，报文经过解调、解码、数模转换实现向PC传送数据；若不是，中间节点只在第一次有效生存时间内接收到该路由请求信息时进行处理，如果没有目的节点的信息，就会根据网络拓扑信息继续向相邻中间节点中继传送路由请求，同时建立反向路由，并记录报文收到和发出时间，保存到路由请求信息中继续转发，直到目的节点路由应答反馈到源节点为止；如果以后本中间节点接收到同样的路由请求信息便丢弃；
当路由请求分组到达目的节点时，目的节点回复一个分组路由应答，记录目的节点收到和发出报文时间T2、T3，路由应答沿着刚才的路径返回源节点，记录源节点收到时间T4，在返回过程中不在路由应答分组回传路上的中间节点，会因为反向路由生存时间超时而被删除。
6.根据权利要求1所述的基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，源节点至目的节点传输时间长度的计算等于路由请求传输时长和路由应答传输时长的平均值；见如下公式：
D＝{(T2-T1)+(T4-T3)}/2
D：源节点至目的节点传输时间长度平均值；
T1：源节点发出广播路由请求的本地时间；
T2：目的节点收到广播路由请求的本地时间；
T3：目的节点发出反馈路由应答的本地时间；
T4：源节点收到反馈路由应答的本地时间；
优选地当需要进行数据传输时，执行时钟校准函数公式：
(T)＝T+σ+D，
σ＝{(T2-T1)-(T4-T3)}/2
T：某节点的时钟戳，
σ：为时钟偏差值，
D：源节点至目的节点往返传输时间长度平均值，
T1/T2/T3/T4：源节点、目的节点收发时间同权利要求5；
实现源节点至目的节点时钟同步。
7.根据权利要求1所述的基于传输时间长度确定最佳路由的方法，其特征在于，源节点至少收到2条以上经过中间节点至目的节点最少跳数相同的反向路由信息，确定一条源节点至目的节点传输时间长度最短，经过中间节点跳数最少到达目的节点的最佳路由。
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