一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法的製作方法
2023-10-26 02:14:52 1
專利名稱：一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及網絡技術領域，尤其涉及一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法。
背景技術：
無線網狀網，又稱為無線Mesh網絡，是一種能夠實現自組網、自配置的無線多跳中繼網絡。無線網狀網擴展不依賴有線基礎設施，能夠快速組網，具有靈活、便攜、環境適應能力強等應用特性，是構建煤礦井下應急救援無線通信網絡的優勢技術。其中，基於混合網狀網結構的井下應急救援無線網狀網因其網絡路徑冗餘度高，具有較強的傳輸魯棒性，成為了研究熱點。基於混合網狀網結構的煤礦井下應急救援無線網狀網結構如圖1所示。在基於混合網狀網結構的礦井應急救援無線Mesh網絡中，無線Mesh終端與Mesh骨幹路由節點一樣具有路由轉發功能。由於現有無線網狀網路由協議不區分網絡節點類型，因此無線Mesh終端在執行其應用功能的基礎上需承擔額外的路由轉發任務，這對無線Mesh終端的能量配置提出了較高要求。而在井下應急救援場景中，無線終端設備的能量儲備較低，終端能耗問題嚴重製約了礦井應急救援通信系統的工作時長。
發明內容
本發明解決的技術問題在於提供一種路由算法，基於該算法可在保證礦井應急救援無線網狀網的路由效率的前提下，儘量減少網絡中的無線Mesh終端的中繼能量消耗。本發明實施例公開了一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法，包括以下步驟:步驟1:設置節點類型信息，記為T，並規定T=I表示Mesh骨幹路由節點，T=2表示無線Mesh終端節點；步驟2:將Mesh無線終端的通信狀態分為了三種類型，即「內部」狀態、「邊緣」狀態以及「修復」狀態，所述「內部」狀態是指Mesh終端的通信範圍內具有可達網關的骨幹路由節點的情況；所述「邊緣」狀態是指Mesh終端的通信範圍內不包含任何Me s h骨幹路由節點的場景；所述「修復」狀態是指Mesh終端的通信範圍內包含Mesh骨幹路由節點，但是這些骨幹路由節點發生了故障或者與網關連接中斷的情況；步驟3:每個Mesh終端節點維護一個Mesh骨幹路由節點列表,該列表記錄了當前Mesh終端通信範圍內的骨幹路由節點的地址、有效期以及到達網關的跳數信息；若此也終端的Mesh骨幹路由節點列表為空時，則說明當前節點為「邊緣」狀態；若不為空，且具有可達網關的骨幹路由鄰居節點，則表明當前節點為「內部」狀態；否則，說明當前節點處於「修復」狀態；步驟4:若發現第一 Mesh終端處於「內部」狀態，則直接根據Mesh骨幹路由節點列表信息，選擇與網關距離最近的鄰居骨幹路由節點，建立到達網關的路由。進一步，作為優選，在所述步驟4之後還包括以下步驟:
若發現第一 Mesh終端處於「邊緣」狀態，則將啟動基於請求-應答方式的路由發現機制，生成RREQ消息並向外廣播；接收到該RREQ信息的第二 Mesh終端檢查本地狀態，若檢查結果為「內部」狀態，則首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後根據自身到達網關的路由信息，產生一個RREP，並沿反向路徑發送給第一 Mesh終端；若檢查結果為「邊緣」狀態或者「修復」狀態，首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後設置鏈路類型的路徑權重，在第二 Mesh終端更新RREQ消息中的節點類型信息、請求類型消息、跳數、鏈路類型的路徑權重以及相關的地址序列號信息，並將更新後的RREQ消息向外廣播。進一步，作為優選，在所述步驟4之後還包括以下步驟:若發現第一 Mesh終端處於「修復」狀態，則將啟動基於請求-應答方式的路由發現機制，生成RREQ消息並向外廣播；若接收節點為第二 Mesh終端時，接收到該RREQ信息的第二 Mesh終端檢查本地狀態，若檢查結果為「內部」狀態，則首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後根據自身到達網關的路由信息，產生一個RREP，並沿反向路徑發送給第一 Mesh終端；若檢查結果為「邊緣」狀態或者「修復」狀態，首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後設置鏈路類型的路徑權重，在第二 Mesh終端更新RREQ消息中的節點類型信息、請求類型消息、跳數、鏈路類型的路徑權重以及相關的地址序列號信息，並將更新後的RREQ消息向外廣播；若接收節點為骨幹路由節點時，首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後在第二 Mesh終端更新RREQ消息中的節點類型信息、跳數、鏈路類型的路徑權重以及相關的地址序列號等信息，並將更新後的RREQ消息繼續向外廣播。本發明通過採用基於「狀態」的路由選擇機制，減少了 RREQ路由請求消息的使用機率與廣播範圍，減少了 Mesh終端用於中繼廣播RREQ消息的能量開銷，同時降低了網絡中的路由發現請求帶寬開銷，增加了路由效率，提高了網絡的吞吐性能、穩定性與實時性。
當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發明以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定，其中:圖1為基於混合網狀網結構的礦井應急救援無線網絡結構圖。圖2 Ca)為終端通信狀態為「內部」狀態的路由發現示例圖。圖2 (b)為終端通信狀態為「邊緣」狀態的路由發現示例圖。圖2 (c)為終端通信狀態為「修復」狀態的路由發現示例圖。圖3為RAODV協議中的HELLO報文格式。圖4為RAODV中RREQ的報文格式。圖5為網絡吞吐量性能仿真曲線。
圖6為網絡端到端時延性能仿真曲線。
具體實施例方式參照圖1-6對本發明的實施例進行說明。為使上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。根據礦井應急救援通信場景中無線終端主要與網關通信的應用特性，本發明設計基於以下應用背景:.所有Mesh終端僅與網關進行通信；.Mesh骨幹路由節點與網關之間採用先應式路由協議，任意骨幹路由節點日常維護到達網關的路由信息。按需距離矢量路由協議(adhoc on demand distance vector routing, AODV)是無線網狀網使用最為廣泛的路由協議，且有研究表明該協議相比DSR、OLSR等路由協議在煤礦井下環境中的傳輸性能最好，據此，本發明延用了 AODV路由協議中的基於請求-應答機制的路由發現與路由修復模式，並以減少無線Mesh終端的路由轉發任務為目的，進行了具體的路由機制設計，因此本發明又稱為改進型AODV路由協議，簡稱RAODV路由協議。該協議的基本路由原理如下:本發明根據無線Mesh終端的通信狀態，將礦井應急救援無線網狀網中的任意無線終端的通信狀態分為了三種類型，即「內部」狀態、「邊緣」狀態以及「修復」狀態，分別如圖2 (a)、2 (b)與2 (c)中所示。在此基礎上RAODV定義了 Mesh終端在不同狀態下的路由發現方式。「內部」狀態是指當前Mesh終端的通信範圍內具有可達網關的骨幹路由節點的情況。此時，採用ROADV的Mesh終端將採用類似AP模式的通信方式，直接通過骨幹路由節點接入骨幹傳輸網絡，然後利用骨幹傳輸網絡實現與網關的信息交互。該方法避免了通過廣播路由請求消息(Route Request, RREQ)進行路由發現,從而減少了 Mesh終端對RREQ消息的中繼廣播能耗。圖2 (a)中的終端節點S即處於「內部」狀態，其採用RAODV路由策略與網關D建立的路徑如圖中實線箭頭所示，可見該路徑不包含Mesh終端節點。「邊緣」狀態是指Mesh終端的通信範圍內不包含任何Mesh骨幹路由節點的場景。此時，Mesh終端無法直接通過Mesh骨幹路由節點接入骨幹傳輸網絡，需啟用基於請求_應答方式的路由發現機制，向外廣播RREQ請求消息，通過藉助相鄰的無線Mesh終端接入骨幹傳輸網絡。如圖2 (b)中節點S即為「邊緣」節點，在RAODV策略下，其向外廣播RREQ路由請求，該請求到達Mesh終端R時，由於R處於「內部」狀態,所以R將停止對RREQ繼續廣播，並向S返回經由它接入骨幹傳輸網絡的傳輸路徑，最後建立的路徑如圖中實線箭頭所示。「修復」狀態是指Mesh終端的通信範圍內包含Mesh骨幹路由節點，但是這些骨幹路由節點發生了故障或者與網關連接中斷的情況，如圖2 (c)所示。此時，採用RAODV路由策略的Mesh終端同樣啟用基於請求-應答方式的路由修復機制，向外廣播RREQ消息，並在所發現的路徑中選擇經過Mesh終端數目最少的路徑作為最終路由返回源節點S，最終建立的路徑如圖中實線箭頭所示。為了實現上述不同「狀態」下的路由過程，RAODV對AODV的路由協議內容進行了如下改進。①為了使路由選擇過程能夠識別節點類型，RAODV在原AODV路由機制中引入了節點類型信息，記為T,並規定T=I表示Mesh骨幹路由節點，T=2表示無線Mesh終端節點。②為了方便獲得當前Mesh終端的通信狀態，RAODV在原有鄰居列表的基礎上增加
了 Mesh骨幹路由節點列表，其數據結構如下:
權利要求
1.一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1:設置節點類型信息，記為T，並規定T=I表示Mesh骨幹路由節點，T=2表示無線Mesh終端節點； 步驟2:將Mesh無線終端的通信狀態分為了三種類型，即「內部」狀態、「邊緣」狀態以及「修復」狀態，所述「內部」狀態是指Mesh終端的通信範圍內具有可達網關的骨幹路由節點的場景；所述「邊緣」狀態是指Mesh終端的通信範圍內不包含任何Mesh骨幹路由節點的場景；所述「修復」狀態是指Mesh終端的通信範圍內包含Mesh骨幹路由節點，但是這些骨幹路由節點發生了故障或者與網關連接中斷的情況； 步驟3:每個Mesh終端節點維護一個Mesh骨幹路由節點列表,該列表記錄了當前Mesh終端通信範圍內的骨幹路由節點的地址、有效期以及到達網關的跳數信息；若Mesh終端的Mesh骨幹路由節點列表為空時，則說明當前節點為「邊緣」狀態；若不為空，且具有可達網關的骨幹路由鄰居節點，則表明當前節點為「內部」狀態；否則，說明當前節點處於「修復」狀態； 步驟4:若發現第一 Mesh終端處於「內部」狀態，則直接根據Mesh骨幹路由節點列表信息，選擇與網關距離最近的鄰居骨幹路由節點，建立到達網關的路由。
2.根據權利要求1所述一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法，其特徵在於，在所述步驟4之後還包括以下步驟: 若發現第一 Mesh終端處於「邊緣」狀態，則將啟動基於請求-應答方式的路由發現機制，生成RREQ消息並向外廣播； 接收到該RREQ信息的第二 Mesh終端檢查本地狀態，若檢查結果為「內部」狀態，則首先根據RREQ消息更新第二 Mesh`終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後根據自身到達網關的路由信息，產生一個RREP，並沿反向路徑發送給第一 Mesh終端；若檢查結果為「邊緣」狀態或者「修復」狀態，首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後設置鏈路類型的路徑權重，在第二 Mesh終端更新RREQ消息中的節點類型信息、請求類型消息、跳數、鏈路類型的路徑權重以及相關的地址序列號信息，並將更新後的RREQ消息向外廣播。3、根據權利要求1所述一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法，其特徵在於，在所述步驟4之後還包括以下步驟: 若發現第一 Mesh終端處於「修復」狀態，則將啟動基於請求-應答方式的路由發現機制，生成RREQ消息並向外廣播； 若接收節點為第二 Mesh終端時，接收到該RREQ信息的第二 Mesh終端檢查本地狀態，若檢查結果為「內部」狀態，則首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後根據自身到達網關的路由信息，產生一個RREP，並沿反向路徑發送給第一 Mesh終端；若檢查結果為「邊緣」狀態或者「修復」狀態，首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後設置鏈路類型的路徑權重， 在第二 Mesh終端更新RREQ消息中的節點類型信息、請求類型消息、跳數、鏈路類型的路徑權重以及相關的地址序列號信息，並將更新後的RREQ消息向外廣播； 若接收節點為骨幹路由節點時，首先根據RREQ消息更新第二 Mesh終端到達第一 Mesh終端以及上一跳節點的反向路由，然後在第二 Mesh終端更新RREQ消息中的節點類型信息、跳數、鏈路類型的路徑權重以及相關的地址序列號等信息，並將更新後的RREQ消息繼續向外廣播。`
全文摘要
本發明公開了一種混合結構礦井應急救援無線網狀網的節能路由算法，包括以下步驟步驟1設置節點類型信息；步驟2將Mesh無線終端的通信狀態分為了三種類型，即「內部」狀態、「邊緣」狀態以及「修復」狀態；步驟3每個Mesh終端節點維護一個Mesh骨幹路由節點列表；步驟4若發現第一Mesh終端處於「內部」狀態，則直接根據Mesh骨幹路由節點列表信息，選擇與網關距離最近的鄰居骨幹路由節點，建立到達網關的路由。
文檔編號H04W40/10GK103108374SQ20131003395
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者張玉, 楊維, 張海濤 申請人:北京交通大學