一种无线自组网路由算法及系统的制作方法

1.本发明属于无线通讯技术领域，尤其涉及一种无线自组网路由算法及相应的无线自组网系统。


背景技术：

2.无线自组网是一种高容量分布式网络，其中，无线自组网的节点，除了具有传统无线网络路由器的网关或者网桥功能外，还具有多跳路由的功能。无线自组网就是由几个到几百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。通信时，由中间节点进行数据的转发。在多网融合通讯，尤其是网内有多个接入网网关时，源节点可以从多种路由路径实现向tcp/ip设备转发，即存在两种以上的路由进行传输。那么如何寻找、维护、选择路由是无线自组网路由算法中需要考虑的重点。为了满足qos（quality of service)的需求，现有的无线自组网路由算法中跨层路由的算法主要基于以下几种常见路由协议：dsr（dynamic source routing，动态源路由协议）、aodv（ad-hoc on-demand distance vector routing ，无线自组网按需距离矢量路由协议）、dymo（dynamic manet on-demand routing，动态移动自组网按需路由协议，是aodv的后续协议）、dsdv（destination-sequenced distance vector，目标序列距离矢量协议）。在路由算法中路由量度是非常重要的，每一种路由量度都从不同的角度衡量了路由代价的开销。在上述现有的路由协议中，例如图1所示的rfc3561 aodv rreq报文结构中可以看到，并没有包含一个域或字段是表示节点的剩余电量e(energy)的。无线自组网系统中各节点往往靠电池供电，通信距离、数据处理能力以及能量资源都是有限的。网络中节点的剩余电量e(energy)越低，网络分割的可能性越大，节点所参与路由的生存时间就越短，路由稳定性就相对较差。在路由算法中如果没有引入节点的剩余电量e(energy)作为一个路由量度是不合理的，当一个或多个节点电量即将耗尽，节点就失效了，网络性能下降，如果仍选择包含该节点的路由进行信号传输，可能导致整个网络失效。由此可以了解到现有技术中的无线自组网路由算法存在局限性，不能完全满足不同业务所需要的qos（quality of service)要求，不利于无线自组网系统的进一步优化和推广应用。


技术实现要素：

3.本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明一方面提供了一种无线自组网路由算法。本发明的另外一个方面提供了一种无线自组网系统采用本发明的无线自组网路由算法。
4.在本技术中涉及的名词以及相关技术原理以及所有解释或定义仅是为了进行示例性而非限定性说明。
5.本发明一方面提供的一种无线自组网路由算法，基于按需路由协议及其报文结构；包括：基于路由请求报文和路由回复报文寻找路由；基于hello报文和路由错误报文维护路由；源节点发出所述路由请求报文之后，路由上的节点在回复时，将节点的物理层信息
追加在所述路由回复报文中；所述物理层信息包括剩余电量信息和链路质量信息；所述链路质量信息包括lqi值；源节点收到多个节点的所述路由回复报文后，进行计算比较，确定路由后，选择节点进行转发。跨层提供剩余电量和链路质量信息，能更全面地评估节点的负载状态，更准确的识别出能量耗尽的节点，进一步提高了寻找路由的效率，利于优化无线自组网的传输效率和稳定性。许多无线射频收发器包括ieee802.15.4等工业标准收发器都提供了lqi信息，即lqi(link quality indicator)，用于表示所收到的数据包的强度和/或质量。lqi（数）值的大小基于信号强度以及检测到的信噪比(snr)，由物理层计算得到并提供给上一层，一般与正确接收到数据帧的概率有关，lqi值反映了通信链路质量的高低以及链路数据包的接收率。链路质量是随着环境、距离等因素不断变化的。在路由选择中同步引入链路质量信息作为路由量度，兼顾通信的链路质量，能够有利于减少数据传输的丢包率和增加信号的吞吐量。
6.将节点的物理层信息追加在所述路由回复报文中，具体是：在所述路由回复报文中的reserved字段中以e代表存在剩余电量字段，以l代表存在链路质量字段；对所述路由回复报文结构进行扩展，增加剩余电量字段、链路质量字段；所述剩余电量字段的头部以esz代表所述剩余电量字段的长度；所述链路质量字段的头部以lsz代表所述链路质量字段的长度。
7.所述计算比较是随着所述路由回复报文中的剩余电量信息和链路质量信息的变化动态进行的。
8.所述计算比较包括：获取每个备选路由中剩余电量最低的节点的剩余电量，以所述备选路由中剩余电量最低的节点的剩余电量作为所述备选路由的剩余电量。所述备选路由的剩余电量通过所述备选路由中的剩余电量最低的节点的剩余电量来表征。所述备选路由的剩余电量直接受限于该备选路由上剩余电量最低的一个节点的剩余电量。对所述备选路由的剩余电量的计算进行了简化，使之易于部署在嵌入式处理器或控制器中。
9.所述计算比较包括：获取每个备选路由上的所有节点的lqi值，以所述备选路由中lqi值最低的节点的lqi值作为所述备选路由的lqi值。对所述备选路由的lqi值的计算进行了简化，使之易于部署在嵌入式处理器或控制器中。
10.所述确定路由包括寻找所述剩余电量最高的所述备选路由。选择剩余电量最高的备选路由进行数据转发有利于实现不同路由的负载均衡。
11.所述确定路由包括寻找所述lqi值最高的所述备选路由。一般lqi值是一个正数，直接以lqi值评估路由的链路质量寻找路由，进行计算更加容易，利于节约资源。
12.所述链路质量信息，还包括rssi值；所述确定路由包括寻找路径沿途节点rssi最低值与lqi最低值最高的路由。rssi值是与链路质量相关的另一个参考值。rssi（received signal strength indication，接收的信号强度指示）用于判定链接质量，以及是否增大广播发送强度。rssi值一般来自于芯片寄存器，与lqi值彼此存在换算关系。可以理解距离越远、噪声越大，则rssi越差，lqi也越差。因此选择路由的rssi值与lqi值都相对较高的节点进行转发是有利的。
13.确定路由的方法包括：以路由的剩余电量与路由的lqi值作为一个向量的两个范数，将备选路由向量记为(e
x
,l
x
)；预设理想路由的剩余电量，记为e
max
，预设理想路由的lqi值，记为l
max
，获得最佳向量记为(e
max
,l
max
)；计算每个所述备选路由向量与所述最佳向量的
向量距离，并排序获得最小向量距离；基于最小向量距离确定最优路由。通过所述向量距离的计算和排序，可以将多维数据降维到一维数据进行比较，在寻找路由过程中能够均衡剩余电量和链路质量来选择信号传输的路由。避免了剩余电量高但是链路质量不好的备选路由被选为最优路由，基于所述向量距离的排序可以通过不断地选择最优路由，来实现无线自组网的动态自平衡。即剩余电量充足、链路质量好的备选路由优先，直至该备选路由被其它剩余电量更高和链路质量更好的备选路由所取代。
14.计算所述向量距离采用汉明距离算法。这种算法适用于正交的向量计算，可以近似地计算出两个向量的相似度，即向量距离，效率非常高，且计算消耗的电量较少。其他向量距离计算的算法，采用的计算公式如欧式距离、余弦相似度等等均涉及到复杂的数学计算如指数、三角函数计算，大多基于浮点计算。这些算法本身在嵌入式系统中消耗大量的软硬件计算资源，加剧了无线自组网系统的电量消耗。
15.一个具体实施例中，所述按需路由协议是工业标准协议，包括但不限于aodv路由协议、dymo路由协议。
16.本发明的另一方面提供了一种无线自组网系统，包括源节点、目标和若干中间节点；采用本发明的无线自组网路由算法选择信号传输的路由。
17.所述中间节点包括若干数量的无线传感器、执行器、网络集中器、协调器的一种或几种；所述目标包括网关和服务器。信号传输质量稳定，效率高，能量即将耗尽的中间节点不参与路由，信号传输成功率高。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明的一种无线自组网路由算法，基于各种常见的按需路由协议和报文结构，在路由回复报文中追加了包括剩余电量信息、链路质量信息的物理层信息，在路由选择中更全面的评估节点的负载状态，能准确地识别出能量即将耗尽的节点避免其参与路由，进一步提高了寻找路由的效率，利于优化无线自组网的传输效率和稳定性。针对备选路由的剩余电量、lqi值的简化计算，使之更易于部署在嵌入式处理器或控制器中，节约无线自组网的资源，能够直观的评估路由优劣。通过将剩余电量和lqi值作为两个正交的物理量进行向量距离的计算，基于多维向量距离计算的排序，进行路由选择，实现网络路由的动态优化和平衡。
19.2、本发明的一种无线自组网系统，因采用本发明的无线自组网路由算法而具有相应优势，其信号传输质量稳定，效率高，传输成功率高。
附图说明
20.图1为现有技术中aodv rreq报文结构示意图。
21.图2为本发明实施例一的无线自组网系统的示意图。
22.图3为本发明实施例一的aodv rreq报文结构示意图。
23.图4为本发明实施例五的路由lqi/energy向量示意图。
具体实施方式
24.下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域
普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。
25.实施例一：本发明实施例一中的无线自组网系统如图2所示，包括源节点source、目标和若干中间节点；源节点source发出信号，采用本发明的无线自组网路由算法选择信号传输的路由。
26.本实施例中的源节点source是指例如一台电脑、无人机、无人车或其它设备与一个有独立地址和具有传送或接收数据功能的网络终端。中间节点包括无线传感器devicea、deviceb、devicee、devicef、deviceg；；以及若干互联网连接设备如wifi路由器或4g移动路由器等。目标包括一台数据共享服务器server、网关gatewaya、gatewayb和gatewayc。以上是配合附图为了便于了解本发明的无线自组网系统而进行的示例说明，并不限定本发明，在一些实际应用中，本发明的无线自组网系统也可以包括不定数量和类别的网络终端。本实施例中的无线自组网是一个对等式网络，所有的节点地位平等，节点可以随时加入和离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，提高了网络的抗毁性。任意节点之间可以动态组成不同的网络拓扑形状，提高了网络的组网能力。
27.本实施例中的无线自组网系统采用的路由算法，以基于aodv按需路由协议和报文结构的情况为例进行具体叙述；包括：基于aodv的rreq/rrep报文寻找路由；基于aodv的hello/rrer报文维护路由。本实施例中，rreq报文即所述路由请求报文；rrep报文即所述路由回复报文；hello报文是常用的一种报文，其作用为建立和维护邻接关系；rrer报文即所述路由报错报文。在aodv协议中，主要通过rreq(route request，路由请求)报文、rrep (route reply，路由回复)报文、rerr(router error，路由报错)报文，以及周期性地向相邻的中间节点广播hello报文实现路由寻找和路由维护机制。其中，利用rrep报文中的reserved字段实现跨层提供信息的功能，实现将所述物理层信息添加到网络层路由报文中。源节点source发出rreq报文之后，路由上的节点在回复时，将节点的物理层信息追加在路由回复报文中；物理层信息包括剩余电量信息和链路质量信息。其中链路质量信息包括lqi值。源节点source收到多个rrep报文回复后，进行计算比较，确定路由后，选择节点进行转发。如图3所示，本实施例中，将节点的物理层信息追加在rrep报文中，具体是：在rrep报文中的reserved字段中以e代表存在剩余电量字段，以l代表存在链路质量字段；对rrep报文结构进行扩展，增加剩余电量字段energy、链路质量字段link；剩余电量字段energy字段的头部以esz代表剩余电量字段的长度；链路质量字段link的头部以lsz代表链路质量字段的长度。本实施例中，计算比较是随着rrep报文中的剩余电量信息和链路质量信息的变化动态进行的，即整个路由选择是一个动态的选择过程。
28.实施例二：实施例二是在实施例一的基础上展开示例，本实施例中，计算比较包括：获取每个备选路由中剩余电量最低的节点的剩余电量，备选路由的剩余电量等于备选路由中剩余电量最低的节点的剩余电量。备选路由的剩余电量通过路由所经路径上的节点中剩余电量最低的中间节点的剩余电量来表征，备选路由的剩余电量直接受限于所经路径上剩余电量最
低的那个中间节点的剩余电量。本实施例中以所有备选路由的剩余电量最高值为最佳值，记为e_best。选择剩余电量最高的备选路由则可以实现不同路由的负载均衡。本实施例中，备选路由记为route_j(0≤j≤n)，以route_0、route_1，
……
route_n分别代表所述备选路由，相应的备选路由route_j(0≤j≤n)途径的节点的剩余电量记为e_jk(0≤k≤m)，有n个备选路由，每个路由途径节点数量可以是不同的，这里m指的是路由途径节点数量。计算备选路由的剩余电量，比较确定最佳值e_best的过程包括：计算每个备选路由的剩余电量，e_route_j=min{e_j0,e_j1,
……
e_jk}；e_best=max{e_route_j,(0≤j≤n)}。本实施例中，剩余电量的单位为百分比，市电供电的节点剩余电量为100%，断电时即为0%，这些节点不会参与路由。而电池供电的节点的剩余电量在1%~99%之间，可以采用1~100整数进行简化。所以每个备选路由的剩余电量可以通过备选路由上剩余电量最低的中间节点的剩余电量来表征。选择剩余电量最高的备选路由作为信号传输的路由则可以实现不同路径的负载均衡。
29.实施例三本实施例中，计算比较包括：获取备选路由上所有节点的lqi值，将其中最低值表征每个备选路由的lqi值。本实施例中，确定路由包括寻找lqi值最高的备选路由。lqi值是一个正数，直接以lqi评估路由的链路质量，进行计算更加容易，利于节约资源。具体是备选路由记为route_j(0≤j≤n)，以route_0、route_1，
……
route_n分别代表所述备选路由，相应的备选路由route_j(0≤j≤n)途径的节点的lqi值记为lqi_jk(0≤k≤m)，m指的是路由途径节点数量。计算所有备选路由的链路质量指示lqi值，具体公式如下：lqi_route_j=min{lqi_jk,0≤k≤m}；其中将备选路由的lqi值的最高值记为lqi_best，lqi_best=max{lqi_route_j,(0≤j≤n)}。
30.实施例四：本实施例与实施例一不同之处主要在于，所述链路质量信息还包括rssi值；确定路由的过程包括寻找路径沿途节点rssi最低值与lqi最低值最高的路由。在选择中间节点进行转发过程中，选择rssi值的最低值与lqi值的最低值都相对高的节点进行信号传输。
31.实施例五：本实施例在实施例一的基础上，确定路由的方法包括：以路由的剩余电量与路由的lqi值作为一个向量的两个范数，备选路由向量记为(e
x
,l
x
)；预设理想路由的剩余电量，记为e
max
，预设理想路由的lqi值，记为l
max
，获得最佳向量记为(e
max
,l
max
)；计算每个所述备选路由向量与最佳向量的向量距离，并排序获得最小向量距离；基于最小向量距离确定最优的路由。每个备选路由对应的所述其它向量记为rx。本实施例中l
max
，代表lqi最大值，即链路质量最好的情况；lt代表lqi门限值，低于lt时，基本上通路是断开的；e
max
代表剩余电量最大值，本实施例中对应刚刚充电完毕或者市电供电的节点的剩余电量。et代表电量门限值，低于et，代表节点面临断电的处境。如图4所示，图中：r0是最佳向量(e
max
,l
max
)，代表理想状态，即链路质量最好时，剩余电量也最高的情况。在选择路由时，可能会出现一个两难的选择，即lqi值很好，但是剩余电量energy很差，如图4中r6所示；或者相反的情况，如r7所示。采用两次排序，先l排序，后e排序的方式，或者先e后l进行排序，选择的备选路由不一定是最优的，而是和排序前后有关联的。因此本实施例中将其它向量rx(e
x
,l
x
)和最佳向量r0(e
max
,l
max
)之间的向量距离（体现两者的相似度）作为排序的基础，对每个备选路由与理想路由的向量距离进行排序，通过向量距离的计算和排序，可以将多维数据降维到一维数
据进行比较，在寻找路由中均衡剩余电量和链路质量来选择信号传输的最优路由。本实施例中，以route_0、route_1，
……
route_n代表供选择的每个备选路由，备选路由记为route_j(0≤j≤n)；以route_best代表理想路由；以d_route_0、d_route_1，
……
d_route_n代表每个备选路由的其它向量到最佳向量的向量距离，其它向量到最佳向量的向量距离记为d_route_j。
32.其他向量距离计算方式。如：欧式距离、余弦相似度、标准化欧式距离、汉明距离等。这些计算公式如欧式距离、余弦相似度等等均涉及到复杂的数学计算如指数、三角函数计算，大多基于浮点计算。这些算法本身在嵌入式系统中消耗大量的软硬件计算资源，加剧了剩余电量消耗。为此，本实施例中选用了计算较为简易的汉明距离算法，这种算法可以近似地计算出两个向量的相似度，即向量距离。计算效率非常高。汉明距离最初应用于信息传输差错控制码领域，后来还在图像相似度比较，以及地理空间算法中用于geohash即地理空间位置的哈希值进行两点之间的距离比较，其原理同样可以适用于正交的向量计算。
33.本实施例中，汉明距离的计算公式如下：d(x,y)=∑x[i]
⊕
y[i]；这里i=0，1，
……
n-1，x、y都是n位的编码，
⊕
表示“异或”。d(x,y)即代表x、y两个向量的距离，在计算机中通常采用二进制来编码向量。假设原点为(0,0)，而理想路由的最佳向量为b(255,255)，有个备选路由向量为x(200,200），则该路由的其它向量与理想路由的最佳向量的向量距离则是：d(x,b)=d(0xffff xor 0xc8c8)=d(0x3737)=10，向量距离为10。如果以x(202,202)带入计算，则向量距离为8。即本实施例中向量距离d_route_j=d(rx,r0)。确定最优路由对应的其它向量到最佳向量的向量距离d_route的公式：d_route=min{d_route_j,(0≤j≤n)}。即最优路由对应的其它向量到最佳向量的向量距离d_route是所有所述其它向量与所述最佳向量的之间的向量距离中最小的，反之亦然，根据d_route可以确定最优路由。上述计算和排序的过程随着备选路由的剩余电量和lqi值的变化动态进行。本实施例中以与所述最佳向量之间向量距离最小的其它向量对应的备选路由确定为最优路由进行信号传输。避免了剩余电量高但是链路质量不好的备选路由被选为最优路由，基于向量距离则可以通过不断地选择最优路由，来实现无线自组网的动态自平衡。即剩余电量充足、链路质量好的备选路由优先，直至该备选路由的剩余电量和链路质量被其它剩余电量更高和链路质量更好的备选路由所取代。
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以上对本发明进行了详细介绍，为了便于理解本发明，实施例以aodv按需路由协议为例展开叙述，也可以是其他工业标准协议，如dymo路由协议，并不能因此而限定本发明，在其它应用场景中本发明的无线自组网路由算法也可以是适用于其它路由协议。本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。