CN102149161A - 一种层次规则化mesh网络路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于通信技术领域的层次规则化mesh网络路由方法，该方法通过构建一种层次化的规则的网络拓扑结构，实现了对mesh网络的路由；层次规则化拓扑结构由金字塔拓扑的网络实际节点所构成，网络实际节点首先形成平面结构的mesh网络，然后通过有效的拓扑控制策略形成规则的虚拟小区拓扑，虚拟小区由实际的网络实体构成；在该层次规则化拓扑结构下，采用综合的链路质量评价指标，描述网络中虚拟小区之间以及实际节点之间链路的链路质量；mesh网络路由采用基于地理位置以及链路状态的路由协议，实现QoS需求与协议以及路径质量的适配；本发明的显著效果是：提高了对mesh网络路由对信道和业务的适配能力，以及mesh网络的容错、负载均衡和业务的QoS性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及无线mesh网络路由机制。
背景技术
无线通信在网络建设方面具备快速网络展开、支持移动或游牧等优势。然而，相对于有线信道来说，无线(移动)信道的最大特点就是其信道是时变的，而有线信道相对比较稳定。由于无线节点的移动性和无线信道的时变性以及干扰等因素，使得无线网络的拓扑变化较大且无线链路的可靠性低于有线链路。无线mesh网络路由协议借鉴了近年来对Ad hoc网络路由的研究成果，但是Adhoc网络路由协议的目标一般是为了适应快速变化的多条拓扑，以最短跳数等判据最为准则。如：DSR，AODV等使用最短跳数作为路径选择依据。ABR等在选择路径时，采用路径有效时间长短作为选路标准。这些单一的衡量尺度不能完全反映无线链路的质量状况，尤其是在多信道环境中，单一判据选择的路由不一定是最优的。
其次，现有的无线mesh网络的路由协议大多为单径路由协议，多径路由是当前研究中的热点。在mesh网络中使用单径路由协议不仅在网络发生拥塞或者链路断开时不能很好地重新选择合适路径，而且也不能在轻载时充分利用资源。从业务的角度看，不同类型的业务需要占用不同的带宽，且要求的时延等QoS不同，需要为不同的业务提供不同链路质量的路径。如果目的节点相同但不同类型业务的数据包全部都在同一条路径上发送，当某条链路拥塞或者断开时，通过该链路发送的所有数据就全都必须由新的路径发送，就造成了网路的不稳定，且业务流没有被合理有效地分配到可用资源上，引起部分网络资源过度使用，而其它部分却未充分使用。显然，单径路由协议不能充分利用网络资源、避免拥塞链路、达到网络负载平衡，且无法满足不同类型业务的QoS需求。
另一方面，基于拓扑结构信息的链路状态路由协议可以通过对链路质量的评价，提供具有QoS保障的路径，但其建立的端到端的路径会因路径中的一个或几个节点的失效、移动而经常中断，需要不断地进行路由维护。对于基于地理位置信息的路由协议，拓扑结构的变化对路由的影响较小，但相比基于部分或全局拓扑结构信息的路由机制，基于地理位置路由机制只能根据临近的或目的节点的位置信息转发数据包，且无法用代价描述其所建立的路径，因而无法提供对业务的QoS保障。
综上所述：现有无线mesh网络的路由协议采用单一的评价指标来衡量一条链路的链路质量，尚未解决有效的网络资源分配和利用，以及QoS性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服单一的链路质量评价指标无法全面评价一条链路的链路质量的问题，解决单路径协议不能合理利用网络资源的问题；解决链路状态路由协议的路径失效以及不同QoS需求的业务适配的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：通过构建一种层次化的规则的网络拓扑结构，并在该拓扑结构下，采用综合的链路质量评价指标，计算出不同链路质量的多条到达目的小区的路径，且引入基于地理位置信息的容错路由协议，从而实现不同QoS需求的业务与协议以及路径的适配；其特征在于：由通过有效的拓扑控制策略，以及基于链路状态和地理位置信息所构成一种层次规则化mesh网络的路由方法，包括以下步骤：
A、采用有效的拓扑控制策略使无线mesh网络形成规则的虚拟层次化拓扑结构。
B、基于A步骤的虚拟层次化无线mesh网络，采用综合的链路质量评价指标评价链路的质量，通过hello报文获得全网一致的链路状态数据库，当前节点在此基础上获得到达目的小区的不同链路质量的多路径。
C、在A步骤的规则虚拟拓扑下，通过hello报文获取网络其它节点的地理位置信息，采用基于地理位置信息的容错路由协议，根据一种基于角度的机制选择下一跳转发小区，直到将数据包发送到目的小区。
所述步骤A中，形成原始的平面结构的无线mesh网络方法为：任意一节点通过周期性发送探测帧检测其频率覆盖范围内是否存在其它节点所构建的网络，如有则直接加入该网络，无则将其做为起始节点建立一个新的网络，然后等待其它节点接入该网络；当所有节点都加入该网络后，就形成了原始的平面结构的无线mesh网络，并开始业务流的传输，其流程如图1所示。
所述步骤A中，在业务流的传输过程中，组成该网络的的所有节点通过对业务流的源地址自学习，建立一个用于初始数据转发的转发表，然后在此基础上通过有效的拓扑控制策略形成多个虚拟小区，并且每个虚拟小区内又包含多个实际节点，如图2所示。
所述步骤A中，采用有效的拓扑控制策略形成的规则的虚拟拓扑结构，是将其地理位置相近的节点划分成小区，小区内的所有节点组成一个虚拟小区，虚拟小区结构如图3所示。每个虚拟小区内部的节点可以相互直接通信，且不同虚拟小区内节点间实现多跳通信，在此过程中，节点将通过对业务流的源地址自学习过程，建立第二个用于小区内数据转发的转发表。
所述步骤B中，通过衡量单条链路的端口的可靠性以及链路的带宽，误码率、数据突发率、数据包重传次数、***安全性、路由稳定性、能量等因素来综合评价该链路质量的好坏。
所述步骤B中，所有网络节点通过获取各相邻节点发送携带与该邻居之间链路的链路质量指标、邻近节点ID以及邻近节点所在虚拟小区ID等信息的hello报文，在全网内周期性洪泛。
所述步骤B中，为使得链路状态数据库达到全网的同步，节点的链路状态数据库有两种更新方式，一是通过节点周期性发送hello报文，来更新和维护链路状态数据库；二是在网络中有节点离开网络、或链路失效时，节点立即发送hello报文，将拓扑的状态变化信息发送给网络中的其它节点。Hello报文洪泛过程如图4所示。
所述步骤B中，解决源小区S到目的小区D中多路径寻找方法为：首先通过dijkstra方法得到由源小区S到目的小区D的最短路径信息并把此信息存入到多路径集中。然后在全网的虚拟拓扑图中删除此多路径集合中除源节点和目的节点外的其它所有节点，再通过dijkstra方法得到更新拓扑结构条件下的最短路径信息，将此信息到多路径集中。重复上述步骤，直到获得所有独立路径信息。
所述步骤B中，节点通过获取到达目的小区的多路径信息得到包括目的小区ID、下一跳小区ID、代价等信息，形成节点的用于多跳小区通信的路由表，进而可通过该路由表获得用于下一跳节点转发的路由转发表。
所述步骤C中，节点通过GPS定位装置获其当前所处的经纬度等地理坐标信息，并将携带该信息的hello报文中在全网洪泛。
所述步骤C中，计算当前小区与目的小区以及与其它邻近小区之间所形成的夹角θ(如图5所示)，将θ角最小的邻居小区作为下一跳转发小区(如图6所示)。
所述步骤C中，当节点在转发数据的过程中遇到最大非凹区(如图7所示)时，节点首先选择右旋(如图8所示)以绕过该最大非凹区，若能顺利找到下一跳小区，则业务流被传递至该小区，当在右旋方向上找不到下一跳小区时，选择左旋方向选择下一跳小区，若能顺利找到下一跳小区，则业务流被传递至该小区。当节点在左旋和右旋方向都找不到下一跳小区时，将会把该数据包回退给上一跳小区，则上一跳小区选择其它的下一跳小区进行转发。当数据包的生存时间字段减少到0时，丢弃该数据包。
本发明的有益效果为：提出了一种层次规则化mesh网络的路由方法，通过对无线mesh网络进行有效的拓扑控制，形成规则的虚拟层次化结构，并融合基于位置和链路状态的路由协议，提高了对无线网络中的信道和业务的适配能力，有效的提高了无线me sh网络的容错、负载均衡和业务的QoS性能。
附图说明
图1为mesh网络的形成流程图
图2为虚拟层次化拓扑结构
图3为虚拟小区示意图
图4为节点洪泛hello报文示意图
图5为与邻居小区所成θ角示意图
图6为下一跳小区选择示意图
图7为最大非凹区示意图
图8为碰到最大非凹区时下一跳小区选择示意图
图9为全网节点洪泛hello报文示意图
图10为形成虚拟拓扑示意图
图11为节点获得到达目的小区多路径的示意图
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明的基本思路如下：节点所组成的无线mesh网络经过有效的拓扑控制策略形成规则的虚拟层次化结构，然后根据不同类型业务的QoS需求选择基于位置或链路状态的路由协议，将数据包送达目的节点。
1.链路状态的路由协议
如图9所示，全网所有节点周期性的发送hello报文，hello报文在全网的范围内洪泛。当节点b收到周围节点始发的hello报文，且报文中包含自己的节点ID时，将会和该节点建立邻居关系，将该节点加入到邻居表中。之后，由节点b始发的hello报文中将携带与该邻居相关的信息。
节点b通过接收全网其它节点发来的hello报文建立链路状态数据库，该数据库通过周期更新和触发更新发送的hello报文来达到全网的同步。
在链路状态数据库的基础上，节点b将得到全网的带权虚拟拓扑图(如图10所示)，通过多重dijkstra算法构建出以自己所处小区为源的到达目的节点所在虚拟小区3的多条路径(如图11所示)，然后就获得了多径路由表，该表中包含了到达同一目的小区的多条不同链路质量的路径。
此时，当节点b有话音等一定的QoS需求的业务产生时，将查找多径路由表，选择符合QoS需求的路径(即在路由表中找到了对应的下一跳小区)。
2.基于地理位置的路由协议
(a)如图5所示，虚拟小区S内的某实际节点有广播等对QoS要求较低或不要求QoS保障等类型的业务要发送到目的小区D，则首先检测目的小区D是否为小区S的邻居小区。
(b)当发现目的小区D不是其邻居小区，就计算小区S与目的小区D以及与其它邻居小区之间所形成的夹角θ，如图6所示，选择θ角最小的邻居小区a作为下一跳转发小区。
(c)如图8所示，当虚拟节点a发送数据包时发送遇到最大非凹区时，优先选择目的方向偏右的小区(如果没有，则选择偏左方向的小区，图8中选择了偏右的小区b)，将数据包发送给该小区。
(d)然后其他节点将重复上述步骤，知道将数据包发送到目的小区。到达目的小区后，数据包将直接通过小区内的一跳通信被发送到目的节点。
另外，除了适应没有QoS保障的业务需求外，当节点的多径路由表失效时，也将直接发起基于地理位置的路由协议。
本发明提供了一种层次规则化mesh网络的路由方法，通过对无线mesh网络有效的拓扑控制，形成规则的虚拟层次化结构，并融合基于位置和链路状态的路由协议，实现无线网络中的信道和业务的适配，实现无线mesh网络的容错、负载均衡和提高QoS性能。
Claims (12)
1.本发明通过构建一种层次化的规则的网络拓扑结构，并在该拓扑结构下，采用综合的链路质量评价指标，计算出不同链路质量的多条到达目的小区的路径，且引入基于地理位置信息的容错路由协议，从而实现不同QoS需求的业务与协议以及路径的适配；其特征在于：由通过有效的拓扑控制策略，以及基于链路状态和地理位置信息所构成一种层次规则化mesh网络的路由方法，包括以下步骤：
A、采用有效的拓扑控制策略使无线mesh网络形成规则的虚拟层次化拓扑结构。
B、基于A步骤的虚拟层次化无线mesh网络，采用综合的链路质量评价指标评价链路的质量，通过hello报文获得全网一致的链路状态数据库，当前节点在此基础上获得到达目的小区的不同链路质量的多路径。
C、在A步骤的规则虚拟拓扑下，通过hello报文获取网络其它节点的地理位置信息，采用基于地理位置信息的容错路由协议，根据一种基于角度的机制选择下一跳转发小区，直到将数据包发送到目的小区。
2.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤A中，形成原始的平面结构的无线mesh网络方法为：任意一节点通过周期性发送探测帧检测其频率覆盖范围内是否存在其它节点所构建的网络，如有则直接加入该网络，无则将其做为起始节点建立一个新的网络，然后等待其它节点接入该网络；当所有节点都加入该网络后，就形成了原始的平面结构的无线mesh网络，并开始业务流的传输。
3.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤A中，在业务流的传输过程中，组成该网络的的所有节点通过对业务流的源地址自学习，建立一个用于初始数据转发的转发表，然后在此基础上通过有效的拓扑控制策略形成多个虚拟小区，并且每个虚拟小区内又包含多个实际节点。
4.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤A中，所述步骤A中，采用有效的拓扑控制策略形成的规则的虚拟拓扑结构，是将其地理位置相近的节点划分成小区，小区内的所有节点组成一个虚拟小区。每个虚拟小区内部的节点可以相互直接通信，且不同虚拟小区内节点间实现多跳通信，在此过程中，节点将通过对业务流的源地址自学习过程，建立第二个用于小区内数据转发的转发表。
5.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤B中，通过衡量单条链路的端口的可靠性以及链路的带宽，误码率、数据突发率、数据包重传次数、***安全性、路由稳定性、能量等因素来综合评价该链路质量的好坏。
6.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤B中，所有网络节点通过获取各相邻节点发送携带与该邻居之间链路的链路质量指标、邻近节点ID以及邻近节点所在虚拟小区ID等信息的hello报文，在全网内周期性洪泛。
7.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤B中，为使得链路状态数据库达到全网的同步，节点的链路状态数据库有两种更新方式，一是通过节点周期性发送hello报文，来更新和维护链路状态数据库；二是在网络中有节点离开网络、或链路失效时，节点立即发送hello报文，将拓扑的状态变化信息发送给网络中的其它节点。
8.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤B中，解决源小区S到目的小区D中多路径寻找方法为：首先通过dijkstra方法得到由源小区S到目的小区D的最短路径信息并把此信息存入到多路径集中。然后在全网的虚拟拓扑图中删除此多路径集合中除源节点和目的节点外的其它所有节点，再通过dijkstra方法得到更新拓扑结构条件下的最短路径信息，将此信息到多路径集中。重复上述步骤，直到获得所有独立路径信息。
9.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤B中，节点通过获取到达目的小区的多路径信息得到包括目的小区ID、下一跳小区ID、代价等信息，形成节点的用于多跳小区通信的路由表，进而可通过该路由表获得用于下一跳节点转发的路由转发表。
10.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤C中，节点通过GPS定位装置获其当前所处的经纬度等地理坐标信息，并将携带该信息的hello报文中在全网洪泛。
11.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤C中，计算当前小区与目的小区以及与其它邻近小区之间所形成的夹角θ，将θ角最小的邻居小区作为下一跳转发小区。
12.根据权利要求1所述的层次规则化mesh网络路由方法，其特征在于：所述步骤C中，当节点在转发数据的过程中遇到最大非凹区时，节点首先选择右旋以绕过该最大非凹区，若能顺利找到下一跳小区，则业务流被传递至该小区，当在右旋方向上找不到下一跳小区时，选择左旋方向选择下一跳小区，若能顺利找到下一跳小区，则业务流被传递至该小区。当节点在左旋和右旋方向都找不到下一跳小区时，将会把该数据包回退给上一跳小区，则上一跳小区选择其它的下一跳小区进行转发。当数据包的生存时间字段减少到0时，丢弃该数据包。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110810 |