CN110493845B - 一种无线自组网路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种链路不稳定情况下的无线自组网路由方法，属于无线自组网及路由等技术领域。其流程包括邻居探测、链路质量计算、链路质量更新、网络控制信息发送、拓扑生成、转发表计算等步骤。本发明可以实现链路不稳定情况下无线自组网逻辑拓扑的稳定，消除链路闪烁，同时可快速跟踪实际拓扑，使得无线自组网可以高效、可靠地传输运行。本发明逻辑清晰、参数设置简单，可适用于各种无线自组网的路由计算。

Description

一种无线自组网路由方法
技术领域
本发明涉及无线自组网及路由等技术领域，特别是指一种无线自组网路由方法，适用于各种链路不稳定条件下的动态无线自组网等应用场景。
背景技术
无线自组织网络是一种基于无线链路的自组织网络系统，具备多跳传输、拓扑时变的能力。
与有线网络相比，无线网络在带宽、容量、传输性能等都是受限的。此外，无线信道还会因为各种遮挡、多径、天气因素存在一定的“闪烁情况”，即，在某一瞬间存在断链的情况，有可能导致网络不收敛。另一方面，无线自组网中各个节点有可能处于运动状态，这就要求网络协议能够适应节点的运动情况，生成的网络拓扑尽可能“实时的”反应实际拓扑，这就要求增大路由开销。
总之，现有无线自组网中的路由方法难以在保证较小开销的条件下实现无线自组网的快速收敛，影响了无线自组网的整体性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种无线自组网路由方法，该方法可快速进行邻居发现和拓扑更新，避免链路“闪烁”，具备路由开销较小、方法简单、容易实现的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无线自组网路由方法，应用于无线自组网节点，所述节点维护有自己的临时链路质量列表、正式链路质量列表以及当前链路质量列表，所述临时链路质量列表、正式链路质量列表和当前链路质量列表均由对应于其他各节点的对应项组成；该方法包括邻居探测部分和路由构建部分，其中，邻居探测部分包括以下步骤：
(1)周期性地产生并广播邻居探测信息，所述邻居探测信息包括时间戳以及本节点的节点号，每次广播邻居探测信息后，执行步骤(2)～(5)；
(2)启动一个等待周期，并将当前链路质量列表的各项值均置为极大值，等待其他节点的回复信息，所述回复信息包括时间戳以及回复节点的节点号；若在等待周期中收到某一节点的回复信息，则进一步判断该回复信息中的时间戳：若为最新的时间戳，则用该回复节点与本节点之间的链路质量更新本节点当前链路质量列表中对应项的值，否则不做更新；
(3)针对每一个其他节点，根据本节点在最近N个等待周期时对其所记录的链路质量进行加权求和，N>1，得到每一个其他节点的平均链路质量，并用该平均链路质量更新本节点临时链路质量列表中的对应项；
(4)比较临时链路质量列表和正式链路质量列表中对应于同一节点的对应项，对于每一对儿对应项，若其差值超出误差阈值，则用临时链路质量列表中的对应项更新正式链路质量列表中的对应项，然后执行步骤(5)，否则返回步骤(1)等待下一周期；
(5)向全网广播网络控制信息，所述网络控制信息包括本节点的正式链路质量列表，然后返回步骤(1)等待下一周期；
所述路由构建部分包括以下步骤：
根据收到的网络控制信息进行网络拓扑构建；
根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成。
进一步地，所述步骤(2)中的链路质量由时延或误码率计算得到，所述极大值大于链路质量取值范围的上限。
进一步地，所述步骤(3)中加权求和的权重为：
Figure GDA0003033065610000031
式中：i为等待周期的序号，其中，当前结束的等待周期序号为0，向前逐次加一；wi表示第i个等待周期时其他节点与本节点之间链路质量的权重。
一种无线自组网路由方法，应用于无线自组网节点，所述节点维护有自己的临时链路质量列表、正式链路质量列表以及当前链路质量列表，所述临时链路质量列表、正式链路质量列表和当前链路质量列表均由对应于其他各节点的对应项组成；该方法包括四个进程，其中，
第一进程周期性地产生并广播邻居探测信息，每次广播邻居探测信息后，重新触发第二进程和第三进程；
第二进程包括以下步骤：
(201)启动一个等待周期，并将当前链路质量列表的各项值均置为极大值，等待其他节点的回复信息，所述回复信息包括时间戳以及回复节点的节点号；若在等待周期中收到某一节点的回复信息，则进一步判断该回复信息中的时间戳：若为最新的时间戳，则用该回复节点与本节点之间的链路质量更新本节点当前链路质量列表中对应项的值，否则不做更新；
(202)针对每一个其他节点，根据本节点在最近N个等待周期时对其所记录的链路质量进行加权求和，N>1，得到每一个其他节点的平均链路质量，并用该平均链路质量更新本节点临时链路质量列表中的对应项；
(203)比较临时链路质量列表和正式链路质量列表中对应于同一节点的对应项，对于每一对儿对应项，若其差值超出误差阈值，则用临时链路质量列表中的对应项更新正式链路质量列表中的对应项，然后重新触发第三进程，否则结束本进程；
所述第三进程周期性地向全网广播网络控制信息，所述网络控制信息包括本节点的正式链路质量列表；
第四进程包括以下步骤：
根据收到的网络控制信息进行网络拓扑构建；
根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成。
本发明与背景技术相比所取得的有益效果为：
1、本发明方法简单、性能稳定可靠、实时性能好。
2、本发明邻居探测信息与网络控制信息发送间隔相对独立，网络控制信息采用主动方式和被动方式相结合的发送，结合了两种方式的优点。
3、本发明方法的网络开销较小，占用物理带宽小。
4、本发明逻辑清晰，易于实现，具有良好的通用性和可移植性。
总之，本发明能够使无线自组网在链路不稳定条件下保持逻辑拓扑稳定，同时也可以快速跟踪实际拓扑变化，网络因此付出的开销并不会急剧增大，解决了网络开销、逻辑拓扑稳定以及快速跟踪实际拓扑的矛盾。
附图说明
图1是本发明实施例中链路质量加权的原理图。
图2是本发明实施例中链路质量更新的流程图。
图3是本发明实施例中历史邻居状态表的存储结构示意图。
图4是本发明实施例中临时/正式链路质量列表的存储结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种无线自组网路由方法，应用于无线自组网节点，所述节点维护有自己的临时链路质量列表、正式链路质量列表以及当前链路质量列表，所述临时链路质量列表、正式链路质量列表和当前链路质量列表均由对应于其他各节点的对应项组成；该方法包括邻居探测部分和路由构建部分，其中，邻居探测部分包括以下步骤：
(1)周期性地产生并广播邻居探测信息，所述邻居探测信息包括时间戳以及本节点的节点号，每次广播邻居探测信息后，执行步骤(2)～(5)；
(2)启动一个等待周期，并将当前链路质量列表的各项值均置为极大值，等待其他节点的回复信息，所述回复信息包括时间戳以及回复节点的节点号；若在等待周期中收到某一节点的回复信息，则进一步判断该回复信息中的时间戳：若为最新的时间戳，则用该回复节点与本节点之间的链路质量更新本节点当前链路质量列表中对应项的值，否则不做更新；
(3)针对每一个其他节点，根据本节点在最近N个等待周期时对其所记录的链路质量进行加权求和，N>1，得到每一个其他节点的平均链路质量，并用该平均链路质量更新本节点临时链路质量列表中的对应项；
(4)比较临时链路质量列表和正式链路质量列表中对应于同一节点的对应项，对于每一对儿对应项，若其差值超出误差阈值，则用临时链路质量列表中的对应项更新正式链路质量列表中的对应项，然后执行步骤(5)，否则返回步骤(1)等待下一周期；
(5)向全网广播网络控制信息，所述网络控制信息包括本节点的正式链路质量列表，然后返回步骤(1)等待下一周期；
所述路由构建部分包括以下步骤：
根据收到的网络控制信息进行网络拓扑构建；
根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成。
进一步地，所述步骤(2)中的链路质量由时延或误码率计算得到，所述极大值大于链路质量取值范围的上限。
链路质量是本领域技术人员的公知常识，关于链路质量的计算方式在现有技术中有许多现成方法，此处不再赘述。需要说明的是，本发明不限定任何一种具体的计算方法。一般来说，用于表征链路质量的值为大于等于1的整数值，时延或误码率越小，则链路质量越好，用于表征链路质量的值就越小；反之，链路质量越差，则表征链路质量的值越大，设为极大值就表示链路已经完全断开。
进一步地，所述步骤(3)中加权求和的权重为：
Figure GDA0003033065610000071
式中：i为等待周期的序号，其中，当前结束的等待周期序号为0，向前逐次加一；wi表示第i个等待周期时其他节点与本节点之间链路质量的权重。
一种无线自组网路由方法，应用于无线自组网节点，所述节点维护有自己的临时链路质量列表、正式链路质量列表以及当前链路质量列表，所述临时链路质量列表、正式链路质量列表和当前链路质量列表均由对应于其他各节点的对应项组成；该方法包括四个进程，其中，
第一进程周期性地产生并广播邻居探测信息，每次广播邻居探测信息后，重新触发第二进程和第三进程；
第二进程包括以下步骤：
(201)启动一个等待周期，并将当前链路质量列表的各项值均置为极大值，等待其他节点的回复信息，所述回复信息包括时间戳以及回复节点的节点号；若在等待周期中收到某一节点的回复信息，则进一步判断该回复信息中的时间戳：若为最新的时间戳，则用该回复节点与本节点之间的链路质量更新本节点当前链路质量列表中对应项的值，否则不做更新；
(202)针对每一个其他节点，根据本节点在最近N个等待周期时对其所记录的链路质量进行加权求和，N>1，得到每一个其他节点的平均链路质量，并用该平均链路质量更新本节点临时链路质量列表中的对应项；
(203)比较临时链路质量列表和正式链路质量列表中对应于同一节点的对应项，对于每一对儿对应项，若其差值超出误差阈值，则用临时链路质量列表中的对应项更新正式链路质量列表中的对应项，然后重新触发第三进程，否则结束本进程；
所述第三进程周期性地向全网广播网络控制信息，所述网络控制信息包括本节点的正式链路质量列表；
第四进程包括以下步骤：
根据收到的网络控制信息进行网络拓扑构建；
根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成。
具体的，本发明方法可以基于嵌入式实时操作系统vxWorks实现，具体方式为：
(1)设置发送邻居探测信息计时器timer1、接收邻居信息超时计时器timer2，以及发送网络控制信息计时器timer3；
(2)在节点本地产生邻居探测信息，探测信息包括本节点号以及时间戳；
(3)若timer1超时，则广播邻居探测信息，同时复位timer1、timer2；
(4)对接收的邻居探测回复消息进行如下处理：
a)若timer2超时前收到其他节点对邻居探测消息的回复，则记录相应的链路质量；若timer2超时，且未收到其他节点回复的消息，则将相应的链路质量设为0xff；
b)如图1所示，对N次获得的链路质量S0,S1,…,SN-1进行加权，获得相应的链路质量的加权和St：
Figure GDA0003033065610000091
将其存入临时链路质量列表；其中权重的计算方式为：
Figure GDA0003033065610000092
式中，N为预设值，N>1，i＝0,1,…,N-1，w0表示当前时刻的链路质量权重，w1表示上一时刻的链路质量权重，依次类推；
c)按照图2流程比较正式链路质量列表和临时链路质量列表，若临时链路质量列表与正式链路质量列表中有对应项的差值超出设定阈值，则进入步骤d)；
d)更新正式链路质量列表，向全网广播网络控制信息，复位timer3，返回a)；
(5)若timer3超时，则向全网广播网络控制信息，然后复位timer3；
(6)网络中各个节点根据收到的网络控制帧进行拓扑构建；
(7)网络中各个节点根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成。
表示当前时刻的链路质量权重本方法能够在路由开销较小的条件下使无线自组网能够快速收敛，快速跟踪实际拓扑，提高无线自组网的稳定性和移动性的。
本发明还可通过如下步骤实现：
(1)设置历史邻居状态表、临时链路质量列表、正式链路质量列表，并将各表中的各项初始化为0xff。其中，历史邻居状态表的存储结构如图3所示，临时链路质量列表和正式链路质量列表均如图4所示。图中，M表示其他节点的个数，N表示预设的历史时刻记录个数，M、N均大于1。
(2)设置发送邻居探测信息计时器timer1、接收邻居信息超时计时器timer2，以及发送网络控制信息计时器timer3，将各计时器初始化为0。
(3)在节点本地产生邻居探测信息，探测信息包括本节点号以及时间戳。
(4)若timer1超时，则广播邻居探测信息，同时复位timer1和timer2。
(5)创建一个列表变量temp，共包含M项，M为全网中所有其他节点的数量，其索引号表示各个其他节点，值代表本节点与相应节点的链路质量。例如，temp[12]＝10,就表示本节点与12号节点的链路质量为10。
(6)等待接收邻居的回复消息，直至timer2超时，在此期间进行如下处理：
a)temp中的所有的值置为0xff；
b)若收到某一邻居的回复信息，则判断接收帧的时间戳，若为最新的时间戳，则记录该节点的当前时间戳，并更新temp中相应的值；否则丢弃该帧；
(7)timer2超时后，将历史邻居状态表中的第N-2列拷贝至第N-1列，第N-3列拷贝至N-2列，依次类推，第0列拷贝至第1列，将temp中的所有项拷贝至历史邻居状态表中的第0列；
(8)对历史邻居状态表中的链路质量按照每一行进行加权，加权方法参见图1，获得相应的链路质量的加权和St：
Figure GDA0003033065610000111
将其存入临时链路质量列表。其中权重的计算方式为：
Figure GDA0003033065610000112
式中，N为预设值，N>1，i＝0,1,…,N-1，w0表示当前时刻的链路质量权重，w1表示上一时刻的链路质量权重，依次类推。
(9)按照图2的流程比较正式链路质量列表和临时链路质量列表，若临时链路质量列表与正式链路质量列表中至少有一项的差值超出设定阈值，则进入步骤(10),否则进入步骤(11)。
(10)更新正式链路质量列表中相应邻居节点的链路质量，向全网广播网络控制信息，复位timer3，进入步骤(12)。
(11)若timer3超时，则向全网广播网络控制信息，复位timer3，然后进入步骤(12)；否则直接进入步骤(12)。
(12)网络中各个节点根据收到的网络控制帧进行拓扑构建。
(13)网络中各个节点根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成，返回步骤(3)。
总之，本方法流程包括邻居探测、链路质量计算、链路质量更新、网络控制信息发送、拓扑生成、转发表计算等步骤。本发明可以实现链路不稳定情况下无线自组网逻辑拓扑的稳定，消除链路闪烁，同时可快速跟踪实际拓扑，使得无线自组网可以高效、可靠地传输运行。本发明逻辑清晰、参数设置简单，可适用于各种无线自组网的路由计算。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无线自组网路由方法，其特征在于，应用于无线自组网节点，所述节点维护有自己的临时链路质量列表、正式链路质量列表以及当前链路质量列表，所述临时链路质量列表、正式链路质量列表和当前链路质量列表均由对应于其他各节点的对应项组成；该方法包括邻居探测部分和路由构建部分，其中，邻居探测部分包括以下步骤：
（1）周期性地产生并广播邻居探测信息，所述邻居探测信息包括时间戳以及本节点的节点号，每次广播邻居探测信息后，执行步骤（2）～（5）；
（2）启动一个等待周期，并将当前链路质量列表的各项值均置为极大值，等待其他节点的回复信息，所述回复信息包括时间戳以及回复节点的节点号；若在等待周期中收到某一节点的回复信息，则进一步判断该回复信息中的时间戳：若为最新的时间戳，则用该回复节点与本节点之间的链路质量更新本节点当前链路质量列表中对应项的值，否则不做更新；
（3）针对每一个其他节点，根据本节点在最近N个等待周期时对其所记录的链路质量进行加权求和，N>1，得到每一个其他节点的平均链路质量，并用该平均链路质量更新本节点临时链路质量列表中的对应项；
（4）比较临时链路质量列表和正式链路质量列表中对应于同一节点的对应项，对于每一对儿对应项，若其差值超出误差阈值，则用临时链路质量列表中的对应项更新正式链路质量列表中的对应项，然后执行步骤（5），否则返回步骤（1）等待下一周期；
（5）向全网广播网络控制信息，所述网络控制信息包括本节点的正式链路质量列表，然后返回步骤（1）等待下一周期；
所述路由构建部分包括以下步骤：
根据收到的网络控制信息进行网络拓扑构建；
根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成；
所述步骤（2）中的链路质量由时延或误码率计算得到，所述极大值大于链路质量取值范围的上限；
所述步骤（3）中加权求和的权重为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：i为等待周期的序号，其中，当前结束的等待周期序号为0，向前逐次加一；
Figure 616554DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个等待周期时其他节点与本节点之间链路质量的权重。
2.一种无线自组网路由方法，其特征在于，应用于无线自组网节点，所述节点维护有自己的临时链路质量列表、正式链路质量列表以及当前链路质量列表，所述临时链路质量列表、正式链路质量列表和当前链路质量列表均由对应于其他各节点的对应项组成；该方法包括四个进程，其中，
第一进程周期性地产生并广播邻居探测信息，每次广播邻居探测信息后，重新触发第二进程和第三进程；
第二进程包括以下步骤：
（201）启动一个等待周期，并将当前链路质量列表的各项值均置为极大值，等待其他节点的回复信息，所述回复信息包括时间戳以及回复节点的节点号；若在等待周期中收到某一节点的回复信息，则进一步判断该回复信息中的时间戳：若为最新的时间戳，则用该回复节点与本节点之间的链路质量更新本节点当前链路质量列表中对应项的值，否则不做更新；
所述链路质量由时延或误码率计算得到，所述极大值大于链路质量取值范围的上限；
（202）针对每一个其他节点，根据本节点在最近N个等待周期时对其所记录的链路质量进行加权求和，N>1，得到每一个其他节点的平均链路质量，并用该平均链路质量更新本节点临时链路质量列表中的对应项；
加权求和的权重为：
Figure 766912DEST_PATH_IMAGE001
式中：i为等待周期的序号，其中，当前结束的等待周期序号为0，向前逐次加一；
Figure 33946DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个等待周期时其他节点与本节点之间链路质量的权重；
（203）比较临时链路质量列表和正式链路质量列表中对应于同一节点的对应项，对于每一对儿对应项，若其差值超出误差阈值，则用临时链路质量列表中的对应项更新正式链路质量列表中的对应项，然后重新触发第三进程，否则结束本进程；
所述第三进程周期性地向全网广播网络控制信息，所述网络控制信息包括本节点的正式链路质量列表；
第四进程包括以下步骤：
根据收到的网络控制信息进行网络拓扑构建；
根据构建的网络拓扑进行路由转发表的生成。
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