CN110831104B - 一种线型拓扑无线自组网网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线型拓扑无线自组网网路由方法，属于无线通信网络路由技术领域。该方法包括：网络中每个无线节点内生成一张静态的无线节点之间拓扑结构关系表；在网络运行过程中，每个无线节点基于实时状态生成一张动态的无线节点跟无线终端关联表并动态维护；各无线节点收到需转发无线通信数据包后，根据本地路由表中该目的无线终端的最短路由路径或进行最短路由路径计算转发到目的无线终端；当目的无线终端移动并关联到新的无线节点或无线节点之间的链路发生中断等影响该最短路由路径有效性时，删除其本地路由表中的对应记录，在本地路由表中新增该条记录。本发明具有网络负荷低、路由效率高、实现简单以及硬件性能要求低的特点。

Description

一种线型拓扑无线自组网网络路由方法

技术领域

本发明属于无线通信网络路由技术领域，特别提出一种线型拓扑无线自组网网络路由方法。

背景技术

无线自组网是由一组带有无线收发装置的可移动无线节点所组成的一个临时性多跳自治系统，它不依赖于预设的基础设施，具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点。无线自组网的拓扑结构存在多种类型，包括树型、网状、线型等。其中，线型拓扑结构无线自组网是一种特殊的树型拓扑结构，指以根无线节点为起始层无线节点，每层一个无线节点，多个无线节点逐层级联，可以在少量无线节点情况下实现较远距离的网络覆盖，如图1所示的题为《一种线型拓扑结构无线自组网组网方法》的专利申请文件(中国专利申请号：CN201810188947.8)的线型拓扑结构拓扑结构。另外，该处“线型”仅仅表达了其无线节点逐层级联关系，并非部署空间一定是直线。

无线自组网路由技术是指对在无线自组网内进行网络信息转发和交换的技术，其包括路由拓扑信息的收集和维护、路由路径查询计算以及路由路径维护等内容。其中，路由拓扑信息的收集和维护是指网络无线节点相对位置和之间连接状态信息的收集和维护，包括相邻无线节点的发现、链路状态的广播、整个网络拓扑的计算和维护等内容。路由路径查询计算是指在无线节点收到网络信息转发和交换需求后进行转发路径查找和确定的过程，包括路径的建立过程管理和控制、最优路由指标值(如：跳数少、延时少等)的计算等内容。路由路径维护包括路由路径的新建、更新和删除等内容。

现有无线自组网路由技术中，主要是针对无线自组网络拓扑结构较为复杂的场景来设计的，如：网状拓扑结构或树型拓扑结构等，这些网络的路由技术复杂度高，实现难度大，对硬件的性能要求高，比如：动态源路由DSR(Dynamic Source Routing)、无线自组网按需距离矢量AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector routing)、目的序列路径矢量DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector routing)、优化的链路状态路由OLSR(Optimized Link State Routing)等典型无线自组织网络路由技术。

例如现有无线自组网AODV的泛洪路由技术方案包括以下步骤：

1)路由拓扑信息的收集和维护：按场景需求设置的多个动态无线节点的路由大多是通过动态无线节点发现方式来收集网络拓扑和路由路径信息，即：数据包发送的无线节点向网络邻居无线节点广播路由请求消息(RREQ)，直到接收无线节点确认该目的无线节点可达后构造一个路由响应包(RREP)，该路由技术增加了网络的负荷。

2)路由路径查询计算：对于路由路径查询计算的确认，AODV是通过路由路径遍历后收到路由应答的结果来确认最终的路由路径，而非通过路由算法和拓扑结构信息来计算得到。

3)路由路径的维护：AODV路由技术是通过无线节点来存储到达目的无线节点路由路径信息。若发现在该路由路径表项中在一段固定时间内没有再次采用或某段链路中断，则删除该条旧路由路径内容，然后通知路径上相关无线节点删除该条旧路由路径。另外，如后续要向该目的无线节点转发或交换网络信息，则需要重新返回步骤1)进行路由发现过程。这种被动路由维护方式效率较低。

线型拓扑无线自组织网络部署架构，如图2所示的其中无线节点之间是直接可以进行无线通信的，无线节点下面跟1或多个无线终端保持关联联系。另外，两个无线节点之间的间距是相同的，无线节点的部署是准静止的(即：固定的)，无线终端是可以移动的设备，其跟无线节点的连接关系是动态变化的。这种组网的场景有很多，比如：矿井巷道内，各种道路或铁路的穿山隧道内等场景中无线通信网。该线型拓扑无线自组网结构是现有技术中的线型拓扑自组网专利《一种线型拓扑结构无线自组网组网方法》中的拓扑架构演进形式，即：在其线型拓扑架构的无线节点下增加了1个或多个无线终端。针对上述提到的线型拓扑无线自组织网部署场景，将现有的无线自组网路由技术应用于线型拓扑结构的无线自组织网络，其路由拓扑信息的收集和维护、路由路径查询计算中通过发送大量消息的实现方式，给本身路由路径选择不多而对通信通道容量敏感的线性拓扑结构网络，增加了通信拥塞的风险，不利于提供高容量的网络。另外，对临时不用的路径进行删除导致再次有信息转发需求的重新进行一次路由拓扑信息的收集和维护和路由路径查询计算的过程，造成路由效率低下，使得路由时延增加，降低用户的体验质量。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种线型拓扑无线自组网网络路由方法。本发明方法具有网络负荷低、路由效率高、实现简单以及硬件性能要求低的特点。

本发明提出一种线型拓扑无线自组网网络路由方法，包括以下步骤：

Step1：路由拓扑信息的收集和维护：根据线型拓扑无线自组网的网络部署进行初始化，每个无线节点内根据线型拓扑结构特点以及相关参数生成一张静态的无线节点之间拓扑结构关系表；在网络运行过程中，每个无线节点基于实时状态生成一张动态的无线节点跟无线终端关联表并动态维护，所述静态的无线节点之间拓扑结构关系表和所述动态的无线节点与无线终端关联关系表构成整个网络拓扑信息；

Step2：路由路径查询计算：各无线节点收到需转发无线通信数据包后，根据无线通信数据包中目的无线终端信息，先查询本地路由表中是否有该目的无线终端的最短路由路径，如有，则以此路由路径转发无线通信数据包到目的无线终端而完成路由路径查询计算；否则，基于当前的整个网络拓扑信息以及最大有效隔离度条件进行最短路由路径计算，得到的最短路由路径并放入本地的路由表中，并以此路由路径转发无线通信数据包到目的无线终端而完成路由路径计算，所述最大有效隔离度条件为：在路由计算和选择中基于最大有效隔离度Im配置参数来确定最终的路由路径，允许路由中无线节点可以跟有效隔离度Ie的非相邻无线节点直接交互转发无线通信数据包；

Step3：路由路径的维护：针对本地路由表中某条最短路由路径，当目的无线终端移动并关联到新的无线节点或无线节点之间的链路发生中断等影响该最短路由路径有效性时候，该条路由路径所途径的所有无线节点会删除其本地路由表中的对应记录，并根据需求针对该目的无线终端重新按照Step2的路由查询计算方法得到新的有效最短路径，在本地路由表中新增该条记录。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的一种线型拓扑无线自组网网络路由方法，将网络设备分为无线节点和无线终端两类，无线节点之间静态关系以及无线节点跟无线终端的动态关系形成两个独立的关系数据表，利用静态和动态结合的方式来进行路由网络拓扑的发现，从而简化路由拓扑信息的收集和维护过程，在每次网络信息转发中只需无线节点内进行路由查询计算即可，而避免每次网络信息转发都需要做一次泛洪式路由广播，减少对网络通信通道的负荷。

另外，本路由方法中标识无线节点和无线终端的并非一定是IP地址，是基于场景需求分配的一个设备标识，基于部署情况来具体静态分配和配置，该标识在路由网络中唯一，使得路由对象标识更加灵活。

附图说明

图1是已有的《一种线型拓扑结构无线自组网组网方法》的通用线性拓扑无线自组网拓扑图架构示意图。

图2是本发明线型拓扑无线自组网网络拓扑架构图。

图3是本发明方法的总体流程图。

图4是本发明隔离度概念示意图。

图5是本发明无线节点之间拓扑关系示意图。

图6是本发明实施例1的无线节点跟无线终端关联关系示意图。

图7是本发明实施例1的拓扑更新流程图。

图8是本发明最佳路由路径算法逻辑图。

图9是本发明实施例1的第一种路由转发方式流程图。

图10是本发明实施例2的第二种路由转发方式流程图。

图11是本发明实施例3的路由表示例图。

图12是本发明方法的实现系统框图。

图13是本发明系统的无线路由转发装置示意图。

图14是本发明系统的无线终端装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

本发明针对的线型拓扑无线自组织网络部署架构，如图2所示，包括多个设置在同一通道空间内依次排列的多个无线节点，与该多个无线节点处于该通道空间内的多个无线终端，其中无线节点之间能直接进行无线通信，无线节点可跟一个或多个无线终端保持关联联系并能互相无线通信。另外，两个相邻无线节点之间的间距等长，并保证该两个无线节点无线信号可达，所述无线节点的部署是临时固定状态，无线终端是可以移动的设备，该设备中设置有必要的消息解析和生成模块、无线射频收模块、射频前端、天线等通信元器件，其跟无线节点的连接关系是动态变化的。这种组网的场景有很多，比如：矿井巷道内，各种道路或铁路的穿山隧道内等场景中。

针对图2中的部署场景，本发明提出的一种线型拓扑无线自组网网络路由方法，总体流程如图3所示，包括以下步骤：

Step1:路由拓扑信息的收集和维护：根据线型拓扑无线自组网的网络部署进行初始化，每个无线节点内根据线型拓扑结构特点以及相关参数生成一张静态的无线节点之间拓扑结构关系表；在网络运行过程中，每个无线节点基于实时状态生成一张动态的无线节点跟无线终端关联表并动态维护，所述静态的无线节点之间拓扑结构关系表和所述动态的无线节点与无线终端关联关系表构成整个网络拓扑信息，完成整个网络拓扑结构信息收集和维护；

Step2:路由路径查询计算：各无线节点收到需转发无线通信数据包后，根据无线通信数据包中目的无线终端信息，先查询本地路由表中是否有该目的无线终端的最短路由路径，如有，则以此路由路径转发无线通信数据包到目的无线终端而完成路由路径查询计算；否则，基于当前的整个网络拓扑信息以及最大有效隔离度条件进行最短路由路径计算，得到的最短路由路径并放入本地的路由表中，并以此路由路径转发无线通信数据包到目的无线终端而完成路由路径计算；

Step3：路由路径的维护：针对本地路由表中某条最短路由路径，当目的无线终端移动并关联到新的无线节点或无线节点之间的链路发生中断等影响该最短路由路径有效性时候，该条路由路径所途径的所有无线节点会删除其本地路由表中的对应记录，并根据需求针对该目的无线终端重新按照Step2的路由查询计算方法得到新的有效最短路径，在本地路由表中新增该条记录。

本发明方法提出了“隔离度”概念，用I表示。“隔离度”是指两个无线节点之间的物理空间跳数或拓扑层跨度，如图4所示，即：在线型组网中物理空间相邻的两个无线节点的隔离度为“I₁＝1”，如：无线节点1和无线节点2，或，无线节点2和无线节点3，或，无线节点3和无线节点4，或，无线节点4和无线节点5之间的隔离度，在物理空间跨了一个无线节点的两个无线节点之间的隔离度为“I₂＝2”，如：无线节点1和无线节点3之间的隔离度，依次类推，在物理空间跨了网络中M个无线节点的两个无线节点之间的隔离度为“I_M+1＝M+1”。另外，在“隔离度”的基础上提出了一个“最大有效隔离度I_m”的概念，即：指在线型拓扑无线自组网里面，无线节点的最大有效传输距离最多能够多少跳或跨多少层，即：无线节点之间能进行通信的最大有效隔离度为多少。若每两个相邻无线节点之间物理空间间距相等并都为DD，其无线节点的无线信号有效传输距离为DT,最大有效隔离度I_m的取值是：

即：无线节点的无线有效传输距离除以无线节点间空间间距的结果中整数部分取值，最大有效隔离度条件为：在路由计算和选择中基于最大有效隔离度I_m配置参数来确定最终的路由路径，允许路由中无线节点可以跟有效隔离度I_e的非相邻无线节点直接交互转发无线通信数据包，有效隔离度I_e的取值范围为：1≤I_e≤

使得获得更短有效路由路径，以提高路由的转发效率。

上述步骤Step2最短路由路径计算的方式有两种，包括实时路由查询计算方式：各无线节点在收到网络信息转发需求时，根据最新网络拓扑结构信息，并在最大有效隔离度条件下基于最短路径算法计算得到转发目的无线终端的最短路由路径，并按照该路由路径进行数据包转发，直到到达目的无线终端为止完成该次路由任务；或事先的路由查询计算方式：该无线节点事先根据最新网络拓扑结构信息，并在最大隔离度条件下基于计算得到该无线节点到各个无线终端的最短路径，将这些最短路径信息生成从该无线节点到各个无线终端的路由表，当收到无线通信数据包转发需求时在该路由表信息中查找到需要的路由路径，并按照该路由路径进行数据包转发，直到到达目的无线终端为止完成该次路由任务。

对于步骤Step2的两种不同的路由查询计算方式，步骤Step3具体路由路径的维护也不同。对于实时的路由查询计算方式，该最短路由路径上的无线节点将最短路由路径数据进行保存，直到该条最短路由路径无效为止才删除该记录，即：该最短路由路径中的目的无线终端移动并关联到新无线节点或其中途径无线节点出现链路中断故障等影响该最短路由路径有效性情况，待下次有同样目的无线终端的无线通信数据包需要转发则重新按照Step2的路由查询计算方法得到新的有效最短路径，或，对于事先的路由查询计算方式，当该最短路由路径中目的无线终端移动关联到新无线节点，或，途径无线节点之间发生链路中断等影响其路由有效性情况后删除该记录，并在本地路由表中新增按照Step2中的路由路径查询计算方法重新找到该目的无线终端的最短路由路径，而每次有通信数据包转发需求的时候，无线节点会根据其中的目的无线终端信息重新进行本地最新路由表中查询。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施案1应用在矿井中一巷道内生产过程中的线型拓扑无线自组网网络，该巷道内临时设置多个固定的无线节点和矿井人员和矿井设备，该设备和人员均设置有必要的消息解析和生成模块、无线射频收模块、射频前端、天线等通信元器件构成无线终端，该无线节点和无线终端组成内网线型拓扑无线自组网，如图2所示，

本实施例路由方法的流程包括以下步骤：

步骤1：进行路由拓扑信息的收集和维护。具体包括以下步骤：

步骤1a：对无线节点和无线终端进行初始化参数配置，包括：最大有效隔离度参数I_m、标识ID和部署无线节点的总数N_t。

本实施例中对于无线节点来说，配置时候还要为该内网内所有无线节点配置一个最大有效隔离度I_m参数，并要求无线自组织网络部署时候两个无线节点的间距DD小于等于无线信号有效传输距离DT的三分之一，即：最大有效隔离度I_m的取值为“3”，用于后续拓扑结构发现和路由路径查询计算。

另外，每个无线节点和跟每个无线节点关联的无线终端上都事先配置好标识ID值，用于本发明的路由方法提供对象标识。标识ID的具体介绍如下：

本实施例的标识ID为一个16位长度的字段，能标识65536个设备，该标识按无线节点和无线终端分别分配不同的ID资源池，无线节点假设最多只有1024个的话，故可以将16位的该字段取值“1”到“1024”作为无线节点标识资源池(即：[1，1024])，特殊的“0”和“65536”则预留出来，剩余的标识取值(即：[1025，65535])作为无线终端标识资源池。所以在标识取值上就可以判断是无线节点还是无线终端。另外，其标识ID也可以用IP地址、MAC物理地址等能代表设备的索引号。

对于标识ID的分配规则，无线节点的标识ID是按照部署方式从其某一端开始从小到大顺序和步长为“1”的规则来进行分配，第一个分配的标识ID为“1”，为根无线节点，按此规则部署下来，另外一端的无线节点上标识ID是最大的，并且正好是部署网络中无线节点的数目大小，即：部署无线节点的总数N_t。无线终端的标识分配则按需来分配，可以从小到大分配也可以随机分配。

步骤1b：网络拓扑的发现主要是通过无线节点拓扑结构关系表以及无线节点跟无线终端关联表来形成的。

在步骤1a中部署好无线节点设备和无线终端设备后，在每个无线节点上配置整个网络的无线节点数目参数N_t，即：最大无线节点的标识ID_m。无线节点上根据该配置值以及最大有效隔离度参数I_m自动生成一张无线节点拓扑结构关系表。本实施例中为有10个无线节点部署的线型拓扑无线自组织网络，得到的无线节点拓扑结构和关系表，如图5所示。图5中的(a)中无线节点按照线型拓扑方式部署，无线节点之间都是通过无线方式进行通信，以虚线来表示，图5中的(b)中表格是这些无线节点形成的无线节点拓扑结构关系表，其中，符号“-”表示同一个节点，“O”表示最大隔离度范围内的相邻节点，“×”表示最大隔离度的节点。表中第一行和第一列均为节点的序号。

无线节点跟无线终端的关联表，则需要根据实时具体情况来确定，是一个动态表，在网络初始部署还未有关联无线终端的情况下，该表中无线节点跟无线终端的关联表是空的，直到运行一段时间后网络中发现新无线终端关联到某些无线节点后才更新该关联表，把这些无线节点新关联的无线终端加入关联表中。该关联表是描述该时刻状态下无线节点跟无线终端关联的关系，一般以无线节点为索引，其下有哪些关联无线终端来进行描述。本实施例以10个无线节点下的多个无线终端为例得到无线节点跟无线终端关联表，如图6所示。图6中的(a)中是线型拓扑组网的无线节点和无线终端的关联拓扑结构图，无线节点跟无线终端处于关联状态的情况都以虚线连接表示，图6中的(b)中的表格根据无线节点跟无线终端关联状态给出的无线节点标识ID和无线终端标识ID关联表。

步骤1c：无线节点拓扑结构关系表加上无线节点和无线终端关联表共同组成该网络的拓扑结构信息，该信息的维护主要就是对无线节点和无线终端关联关系的更新维护，包括：添加新关联的无线终端，删除去关联的无线终端等。

本实施例中基于“拓扑更新定时器”参数或以无线终端关联或去关联事件来触发拓扑更新消息流程，发生无线终端关联关系变化的无线节点用单播或广播消息发起拓扑更新流程，通知该网络的其他无线节点进行无线节点和无线终端关联关系表的更新操作，如图7所示。具体说明如下：

所述无线节点和无线终端关联的拓扑更新流程如图7中的(a)所示，无线节点1上电后初始化无线节点拓扑结构关系表以及无线节点和无线终端关联表，当无线终端1025选择无线节点1发起关联流程，跟其形成关联关系后，无线节点1上就在本地无线节点和该无线终端关联表中更新本地无线节点跟无线终端关联表的信息，即：新增无线终端1025。根据拓扑更新策略，例如采用：基于“拓扑更新定时器”参数定时触发拓扑更新消息流程实现，或采用以无线终端关联事件来触发拓扑更新消息流程实现，在两种拓扑更新消息流程中，无线节点1发送单播或广播的拓扑更新请求消息给无线节点2～ID_m，收到拓扑更新消息的无线节点2～ID_m，同时更新本地无线节点和无线终端关联表，即：在无线节点1对应记录上新增新关联的无线终端1025，更新完后会反馈拓扑响应消息给无线节点1。当无线节点1收到所有其他无线节点2～ID_m的拓扑响应消息则完成本次拓扑更新流程。

所述无线节点和无线终端去关联的拓扑更新流程如图7中的(b)所示，当无线终端1025选择跟其关联的无线节点1发起去关联流程后，无线节点1也在其无线节点和无线终端关联表中更新本地无线节点跟无线终端关联表的信息，即：删除无线终端1025。根据拓扑更新策略，如：基于“拓扑更新定时器”参数定时触发拓扑更新消息流程，或，以无线终端去关联事件来触发拓扑更新消息流程，在拓扑更新消息流程中，无线节点1发送单播或广播的拓扑更新请求消息给无线节点2～ID_m，收到拓扑更新消息的无线节点2～ID_m更新本无线节点上的无线节点跟无线终端关联表，即：在无线节点1对应记录上删除去关联的无线终端1025，更新完后会反馈拓扑响应消息给无线节点1。当无线节点1收到所有其他无线节点2～ID_m的拓扑响应消息则完成本次拓扑更新流程。

步骤2：进行实时的路由路径查询计算并按最佳路由路径进行路由转发。具体包括以下步骤：

步骤2a：当该线型拓扑无线自组网内有网络信息转发需求的时候，发送信息的无线终端将发送携带目标无线终端信息的无线通信数据包给其关联的无线节点，当该无线节点收到该无线通信数据包后根据目的无线终端信息、最大有效隔离度I_m以及本无线节点上的拓扑结构信息(该拓扑结构信息包括本地无线节点拓扑结构关系表和无线节点跟无线终端关联表)，用最短路径算法查询计算查找到最佳路由路径。

该最佳路由路径是指尽量在线型拓扑部署的无线节点中选择最少数量的途径无线节点来进行该次路由，即：通过最大有效隔离度I_m来确认下一跳的无线节点，若是下行路由(Direction＝1)，即：从标识为“1”的无线节点到标识为“ID_m”(ID_m为另一端无线节点标识)的无线节点方向，ID_下一跳＝ID_上一跳+I_m，或，若是上行路由(Direction＝0)，即：从标识为“ID_m”(ID_m为另一端无线节点标识)的无线节点到标识为“1”的无线节点方向，ID_下一跳＝ID_上一跳-I_m。具体的最短路径算法如图8所示，具体步骤包括：

该无线节点将发送无线终端和无线通信数据包发送的目的无线终端分别标记为T1和T2，并将发送无线终端的无线节点和目的无线终端关联的无线节点的标识ID分别标记为N1和N2，并将N1赋值给中间临时无线节点变量A；根据本实施例中“路由拓扑信息的收集和维护部分”的步骤1中标识ID分配规则前提下，若：N1的标识ID等于N2的标识ID，则判断路由方向为本地路由(即：发送无线终端跟目的无线终端与同一个无线节点关联)，将N1或N2作为路由途经无线节点集合R中唯一一个无线节点并输出最终找到的最短路由路径结果；否则，进行N1的标识ID和N2的标识ID的大小判断，若：N1的标识ID小于N2的标识ID，则判断路由方向为“下行”(Direction＝1)，否则判断为“上行”(Direction＝0)；将变量A的中间临时无线节点标识ID作为确定的途径点写入该次路由路径无线节点集合R中，并基于判断的路由方向并在最大隔离度门限I_m条件下，若Direction＝1，ID _i＝ID_A+I_m，或，若Direction＝0，ID_i＝ID_A-I_m，并将隔离度等于最大隔离度门限I_m的无线节点ID_i设置为变量A。

判断变量A的无线节点标识ID是否跟目标无线终端关联的N2无线节点标识ID相等，若相等，则判断最短路由路径已经找到，将N2作为路由路径无线节点集合R最后一个无线节点输出路由路径无线节点集R，若不相等，则还要判断路由方向和A跟N2的无线节点标识ID大小，若路由方向为“上行”且A的无线节点内网ID小于N2的无线节点内网ID，或者，路由方向为“下行”且A的无线节点内网ID大于N2的内网ID，则判断最短路由路径已经找到，将N2作为路由路径无线节点集合R最后一个无线节点输出路由路径无线节点集R，否则将A的无线节点标识ID作为确定的途径点写入该次路由路径无线节点集合R中，并基于判断的路由方向并在最大隔离度门限I_m条件下，若Direction＝1，ID_i＝ID_A+I_m，或，若Direction＝0，ID_i＝ID_A-I_m，并将隔离度等于最大有效隔离度门限I_m的无线节点ID_i设置为A，继续循环接下来的处理步骤，直到确认N2作为路由路径无线节点集合R最后一个无线节点为止，并输出最终找到的最短路由路径结果。

该过程中的查找最佳路由路径算法除了以上处理方法外，还可以借用现在已经比较成熟的迪杰斯特拉(Dijkstra)最短路径算法或其他类似算法来完成，其计算过程都是在途径无线节点上独立处理，无需发广播消息来获取该最佳路径结果，节省路由发现消息交互过程中的时延，提高路由转发效率。

步骤2b：发送无线终端关联的无线节点再基于该最佳路由路径将无线通信数据包通过途径无线节点或直接转发到目的无线终端；

具体路由转发采用每个无线节点都会进行一次路由查询处理并根据自身查询结果发给下一跳的无线节点，依此类推将无线通信数据包转发到目的无线终端，具体发送方式分别如图9所示。

如图9所示，无线节点1025发无线通信数据包给关联的无线节点1，无线节点1收到后根据无线通信数据包中目的无线终端信息查找拓扑信息，用最短路径算法找到最短路由路径转发给下一跳无线节点，中间无线节点根据无线通信数据包中目的无线终端信息查找拓扑信息，用最短路径算法再次找到最短路由路径并转发给下一跳无线节点，直到转发到直接关联目标无线终端的无线节点ID_i，由该无线节点直接发送给关联的无线终端1026。成功收到无线通信数据包的无线终端1026反馈一个无线通信数据包确认消息给无线节点ID_i，无线节点ID_i按照原路由路径转发给发送无线终端1025，从而最终完成该次消息路由流程。若中间出现转发问题(例如：消息接收不正确或一定时间内目的无线终端没有收到)，则发送无线终端将收到消息不成功接收确认消息，或消息路由定时器超时后确认此处发送失败，将采取对应的策略重发或停止发送无线通信数据包。

步骤3：进行路由路径的维护。具体包括以下步骤：

步骤3a：当完成路由转发后，各个途径无线节点将在本无线节点的路由表中增加本次查找的最短路由路径结果，以便下次收到同一目的无线终端的网络信息转发需求能直接查询本地路由表找到该记录，而不用再次去进行路由查询计算，能提高转发效率。

步骤3b：当该路由路径上目的无线终端移动导致其关联的无线节点发生变化，或，该路由路径途径无线节点出现中断故障等，使得该条路由路径无效情况发生后，途径无线节点将删除本地路由表中该目的无线终端的路由路径记录。

步骤3c：待下次收到该目的无线终端的网络信息转发需求后，再按照步骤2a中的路由查询计算方式找到从本无线节点到目的无线终端的最佳路由路径，并按照步骤3a在本地路由表中新增该条最佳路由路径记录，如此循环反复维护本地路由表中该目的无线终端的最佳路由路径。

实施例2也是应用在矿井中一巷道内生产过程中的线型拓扑无线自组网：

本实施例对比实施例1，主要的区别在于实施例步骤2b中的路由方式上的不同，本实施例中的路由方式如下：

具体路由转发可采用第一个收到无线通信数据包的无线节点将查询到的路由路径结果在转发的无线通信数据包中携带所需途径的无线节点，接收到该无线通信数据包的无线节点根据该数据包中携带的该信息直接转发给下一跳无线节点，直到将无线通信数据包转发到目的无线终端，具体发送方式分别如图10所示。

如图10所示，无线节点1025发无线通信数据包给关联的无线节点1，无线节点1收到后根据无线通信数据包中目的无线终端信息查找拓扑信息，用最短路径算法找到最短路由路径，将路由路径信息和无线通信数据包一并转发给下一跳无线节点，中间无线节点根据无线通信数据包中无线节点1增加的该次路由路径信息，转发给下一跳无线节点或发给目的无线终端，并保存该次路由信息，直到转发到直接关联目标无线终端的无线节点ID_i，由该无线节点直接发送给关联的无线终端1026。成功收到无线通信数据包的无线终端1026，将反馈一个无线通信数据包确认消息给无线节点ID_i，无线节点ID_i会按照原路由路径转发给发送无线终端1025，从而最终完成该次消息路由流程。若中间出现转发问题(如：消息接收不正确或一定时间内目的无线终端没有收到)，则发送无线终端将收到消息不成功接收确认消息或消息路由定时器超时后确认此处发送失败后，采取对应的策略来重发或停止发送无线通信数据包。

本实施例相对实施例1，仅除了步骤2b部分不同外，其他步骤和相关内容都跟实施例1一样。

实施例3应用在铁路的穿山隧道修建过程中的线型拓扑无线自组网网络：

本实施例3对比实施例1，主要区别在于包括最佳路由路径信息的路由表生成不是收到路由转发需求后实时生成，而是在获取了网络路由拓扑信息(即：无线节点拓扑结构关系表和无线节点跟无线终端的关联表)后，根据该信息基于最短路由算法或其他路由算法生成动态的本地路由表，该路由表中包括从该无线节点到各个无线终端最佳路由路径记录，其中的信息动态维护更新跟网络路由拓扑结构信息更新同步处理(即：网络路由拓扑结构信息中的无线节点跟无线终端关联表更新后会触发本地路由表的更新)。具体包括如下步骤：

步骤1：进行路由拓扑信息的收集和维护。具体步骤步骤1a、步骤1b和步骤1c，由于本实施例该部分内容跟实施例1一样，故这些步骤内容参考实施例1中步骤1a、步骤1b和步骤1c。

步骤2：进行事先的路由路径查询计算并按最佳路由路径进行路由转发。具体包括以下步骤：

步骤2a：每个无线节点会根据最新的网络路由拓扑结构信息，即：无线节点拓扑结构关系表加上无线节点跟无线终端关联表，自动基于最短路由算法或其他路由算法生成从该无线节点到各个无线终端最佳路由路径的路由表。以10个无线节点和19个无线终端场景来举例如图6中的(a)所示，对应该状态下的无线节点3上路由表如图11所示。

该最佳路由路径是指尽量在线型拓扑部署的无线节点中选择最少的无线节点来进行最终路由的路径，即：通过本实施例中取值为“3”的最大隔离度I_m来确认下一跳的无线节点，若是下行路由(Direction＝1)，即：从标识为“1”的无线节点到标识为“ID_m”(ID_m为另一端无线节点标识)的无线节点方向，ID_下一跳＝ID_上一跳+I_m，或，若是上行路由(Direction＝0)，即：从标识为“ID_m”(ID_m为另一端无线节点标识)的无线节点到标识为“1”的无线节点方向，ID_下一跳＝ID_上一跳-I_m。

具体的最短路由算法逻辑步骤参考图8，具体描述参考实施例1中的步骤2a中对应的详细介绍。

步骤2b：该步骤跟实施例1中的步骤2b一样，具体步骤细节参考实施例1中的步骤2b相关内容描述。

步骤3：无线节点进行本地静态路由表的维护。具体包括以下步骤：

步骤3a:当网络部署好后，每个无线节点就会初始化本地路由表，该本地路由表是基于当时路由拓扑信息，即：无线节点拓扑结构关系表和无线节点跟无线终端的关联表，以及路由查询计算算法来生成的。路由拓信息具体参考图5、图6以及实施例1中步骤1b对应介绍内容。路由表生成过程以及格式举例参考图8、图11以及本实施例步骤2a的内容。

步骤3b：当某无线节点的本地路由表中,某目的无线终端关联的无线节点发生变化，或，某条最佳路由路径中途径无线节点出现中断故障等情况发生后，使得从该无线节点到目的无线终端的原有最佳路由路径出现无效情况后，该无线节点将根据最新路由拓扑信息重新按照路由查询计算步骤中相关算法得到其新的最佳路由路径，并对原最佳路由路径信息进行更新。网络中所有无线节点下的最佳路由路径信息都动态按照该处理方式进行实时动态更新，以保证路由准确性和高效性。

实施例4应用在铁路的穿山隧道修建过程中的线型拓扑无线自组网网络：

本实施例对比实施例3，主要的区别在于实施例步骤2b中的路由方式上的不同，本实施例中的路由方式如下：

具体路由转发可采用第一个收到无线通信数据包的无线节点将查询到的路由路径结果在转发的无线通信数据包中携带所需途径的无线节点，接收到该无线通信数据包的无线节点根据该数据包中携带的该信息直接转发给下一跳无线节点，直到将无线通信数据包转发到目的无线终端，具体发送方式分别如图10所示。

如图10所示，无线节点1025发无线通信数据包给关联的无线节点1，无线节点1收到后根据无线通信数据包中目的无线终端信息查找拓扑信息，用最短路径算法找到最短路由路径，将路由路径信息和无线通信数据包一并转发给下一跳无线节点，中间无线节点根据无线通信数据包中无线节点1增加的该次路由路径信息，转发给下一跳无线节点或发给目的无线终端，并保存该次路由信息，直到转发到直接关联目标无线终端的无线节点ID_i，由该无线节点直接发送给关联的无线终端1026。成功收到无线通信数据包的无线终端1026，将反馈一个无线通信数据包确认消息给无线节点ID_i，无线节点ID_i会按照原路由路径转发给发送无线终端1025，从而最终完成该次消息路由流程。若中间出现转发问题(如：消息接收不正确或一定时间内目的无线终端没有收到)，则发送无线终端将收到消息不成功接收确认消息或消息路由定时器超时后确认此处发送失败后，采取对应的策略来重发或停止发送无线通信数据包。

本实施例相对实施例3，仅除了步骤2b部分不同外，其他步骤和相关内容都跟实施例3一样。

本发明还提出基于线型拓扑无线自组网网络路由方法的实现系统，如图12所示，由无线终端装置和路由转发装置两类装置组成，无线路由转发装置个数可以是1个或多个，视网络的部署需求而定。

所述无线路由转发装置，由无线节点关系生成模块、无线节点跟无线终端关联维护模块、路由查询模块、路由维护模块、收发模块、射频前端、天线以及消息解析和生成模块组成，如图13所示。

在图13中，无线路由转发装置的无线节点关系生成模块是用于在上电后初始化状态下根据网络部署的无线节点数量参数生成对应的无线节点标识ID关系表。

无线路由转发装置的无线节点跟无线终端关联维护模块是用于无线节点跟无线终端关联表中本无线节点下关联无线终端的信息维护，并且根据其他无线节点携带无线节点跟无线终端关联的拓扑更新请求消息更新无线节点跟无线终端关联表中其他无线节点下关联无线终端信息。

无线路由转发装置的路由查询模块是用于按照本发明中路由查询计算的方法查询到达目的无线终端的路由路径，并指示数据发送模块根据该路由查询结果将转发数据包。

无线路由转发装置的路由维护模块是用于本地路由表的维护，即：保存路由查询模块查询结果，并负责按照本发明中路由路径维护的方法对本地路由表中的所有最佳路由路径信息进行新增、删除或更新等维护处理。

无线路由转发装置的收发模块是将从收发模块接收到的信息译码根据既定规则进行字段解析，并将需要发送的信息按照既定规则进行编码并发送给收发模块。

无线路由转发装置的射频前端模块是对信号进行处理的模块，如：信号过滤、信号功率放大等。

无线路由转发装置的天线模块是把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换的器件。

消息解析和生成模块将从收发模块接收到的信息译码根据既定规则进行字段解析，并将需要发送的信息按照既定规则进行编码并发送给收发模块。

上述无线终端装置，由消息解析和生成模块、收发模块、射频前端、天线组成，如图14所示。

在图14中，无线终端装置的消息解析和生成模块将从收发模块接收到的信息译码根据既定规则进行字段解析，并将需要发送的信息按照既定规则进行编码并发送给收发模块。

无线终端装置的收发模块是处理发送信号和接收信号的，将需要发给无线终端装置的信息编码、调制等操作后通过天线发送出去，并将天线接收的信号通过信号解调、解码等操作恢复出信号携带的信息。

无线终端装置的射频前端模块是对无线信号进行处理的模块，如：无线信号过滤、无线信号功率放大等。

无线终端装置的天线模块是把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换的器件。

Claims (4)

1.一种线型拓扑无线自组网网络路由方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

Step1：路由拓扑信息的收集和维护：根据线型拓扑无线自组网的网络部署进行初始化，每个无线节点内根据线型拓扑结构特点以及相关参数生成一张静态的无线节点之间拓扑结构关系表；在网络运行过程中，每个无线节点基于实时状态生成一张动态的无线节点跟无线终端关联表并动态维护，所述静态的无线节点之间拓扑结构关系表和所述动态的无线节点与无线终端关联关系表构成整个网络拓扑信息；

Step2：路由路径查询计算：各无线节点收到需转发无线通信数据包后，根据无线通信数据包中目的无线终端信息，先查询本地路由表中是否有该目的无线终端的最短路由路径，如有，则以此路由路径转发无线通信数据包到目的无线终端而完成路由路径查询计算；否则，基于当前的整个网络拓扑信息以及最大有效隔离度条件进行最短路由路径计算，得到的最短路由路径并放入本地的路由表中，并以此路由路径转发无线通信数据包到目的无线终端而完成路由路径计算，所述最大有效隔离度条件为：在路由计算和选择中基于最大有效隔离度Im配置参数来确定最终的路由路径，允许路由中无线节点可以跟有效隔离度Ie的非相邻无线节点直接交互转发无线通信数据包；

Step3：路由路径的维护：针对本地路由表中某条最短路由路径，当目的无线终端移动并关联到新的无线节点或无线节点之间的链路发生中断等影响该最短路由路径有效性时候，该条路由路径所途径的所有无线节点会删除其本地路由表中的对应记录，并根据需求针对该目的无线终端重新按照Step2的路由查询计算方法得到新的有效最短路径，在本地路由表中新增该条记录。

2.如权利要求1所述线型拓扑无线自组网网络路由方法，其特征在于，所述有效隔离度I_e的取值范围为：

其中最大有效隔离度I_m指在线型拓扑无线自组网里面，无线节点的最大有效传输距离最多能够多少跳或跨多少层；其中DD为每两个相邻无线节点之间物理空间间距，DT为无线节点的无线信号有效传输距离。

3.如权利要求1所述线型拓扑无线自组网网络路由方法，其特征在于，所述最短路由路径计算的方式为实时路由查询计算方式，具体包括：各无线节点在收到网络信息转发需求时，根据最新网络拓扑结构信息，并在最大有效隔离度条件下基于最短路径算法计算得到转发目的无线终端的最短路由路径，并按照该路由路径进行数据包转发，直到到达目的无线终端为止完成该次路由任务；

所述Step3的路由路径的维护方式具体包括：该最短路由路径上的无线节点将最短路由路径数据进行保存，直到该条最短路由路径无效为止才删除该记录，即：该最短路由路径中的目的无线终端移动并关联到新无线节点或其中途径无线节点出现链路中断故障等影响该最短路由路径有效性情况，待下次有同样目的无线终端的无线通信数据包需要转发则重新按照Step2的路由查询计算方法得到新的有效最短路径。

4.如权利要求1所述线型拓扑无线自组网网络路由方法，其特征在于，所述最短路由路径计算的方式为事先的路由查询计算方式，具体包括：该无线节点事先根据最新网络拓扑结构信息，并在最大隔离度条件下基于计算得到该无线节点到各个无线终端的最短路径，将这些最短路径信息生成从该无线节点到各个无线终端的路由表，当收到无线通信数据包转发需求时在该路由表信息中查找到需要的路由路径，并按照该路由路径进行数据包转发，直到到达目的无线终端为止完成该次路由任务；

所述Step3的路由路径的维护方式，具体包括：当该最短路由路径中目的无线终端移动关联到新无线节点，或，途径无线节点之间发生链路中断等影响其路由有效性情况后删除该记录，并在本地路由表中新增按照Step2中的路由路径查询计算方法重新找到该目的无线终端的最短路由路径，而每次有通信数据包转发需求的时候，无线节点就会根据其中的目的无线终端信息重新进行本地最新路由表中查询即可。

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