專利名稱：一種高效的HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線個(gè)域網(wǎng)狀網(wǎng)WPAN Mesh 網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area NetworksMesh)技術(shù)，特別涉及采用了基于拓?fù)浞?wù)器的路由技術(shù)、并且為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了獨(dú)立標(biāo)識(shí)的高速無線個(gè)域網(wǎng)狀網(wǎng)HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)(High Rate Wireless Personal AreaNetworks Mesh)。
背景技術(shù)：
WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)是指由WPAN設(shè)備(便攜式電子產(chǎn)品和通信設(shè)備)組成的網(wǎng)狀無線通信網(wǎng)絡(luò)。WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點(diǎn)不需要增加發(fā)射功率或提高接收靈敏度就可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；能夠通過冗余路由增加數(shù)據(jù)傳送的可靠性；可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置；延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)可分為HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)和LR (LowRate，低速)-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)。其中，HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)可支持11 55Mb/s的數(shù)據(jù)率，支持新興的多媒體應(yīng)用(如視頻會(huì)議)。2009年，IEEE工作組針對(duì)WPAN提出了支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的IEEE 802. 15. 5標(biāo)準(zhǔn)，其中的HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)部分將節(jié)點(diǎn)分為兩類骨干節(jié)點(diǎn)(PNC，PicoNet Coordinator，微微網(wǎng)控制器)和終端節(jié)點(diǎn)(DEV，Device);通常情況下骨干節(jié)點(diǎn)是靜止、由電源供電的復(fù)雜設(shè)備，它在網(wǎng)絡(luò)的骨干鏈路上用無線通信媒介取代了傳統(tǒng)的電纜，具有便捷性；終端節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的、由電池供電的精簡(jiǎn)設(shè)備，能使無線連接無處不在，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。IEEE 802. 15. 5標(biāo)準(zhǔn)為HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)定義了一種基于拓?fù)浞?wù)器(topologyserver)的路由方法(參見文獻(xiàn)IEEE Std. 802. 15. 5-2009，Part 15. 5: MeshTopology Capability in Wireless Personal Area Networks (WPANs) [S]. New York,2009: 155-157)。在該方 法中，所有節(jié)點(diǎn)都是 MPNC(Mesh capable PicoNet Coordinator,具有mesh組網(wǎng)功能的微微網(wǎng)控制器)，它們的特點(diǎn)是通常靜止不動(dòng)且由電源供電，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，可作為拓?fù)浞?wù)器。HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中被選為拓?fù)浞?wù)器的節(jié)點(diǎn)，保存有它的子孫節(jié)點(diǎn)的鏈路狀態(tài)信息，可以通過鏈路狀態(tài)信息和最短路徑算法(Dijkstra算法或Ford算法)計(jì)算出自己的子節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的最優(yōu)路徑；而不作為拓?fù)浞?wù)器的節(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)收到的消息，不對(duì)消息進(jìn)行處理。基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法的工作前提是HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)形成了網(wǎng)狀的樹結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀樹結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)周期性地采集本節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路狀態(tài)信息(如鏈路質(zhì)量，時(shí)延、跳數(shù)等，默認(rèn)為跳數(shù))，且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有MPNC節(jié)點(diǎn)都可被選作拓?fù)浞?wù)器節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)通過訪問距離源和目的節(jié)點(diǎn)最近的公共父節(jié)點(diǎn)(該公共父節(jié)點(diǎn)必須是通過鏈路狀態(tài)信息的注冊(cè)過程而擁有其所有子孫節(jié)點(diǎn)鏈路狀態(tài)信息的拓?fù)浞?wù)器節(jié)點(diǎn))獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。目前，對(duì)于IEEE802. 15. 5標(biāo)準(zhǔn)定義的WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由方法，已有一些相關(guān)研究在開展。Liu等提出的路由方法(參見文獻(xiàn)Yong Liu, Myung-jong Lee. OptimalPath Routing Method in Wireless Network[P]. United States Patent, Patent No.7899053B2, 2008. 8. 28)在基本思路上與基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法一致；該方法還進(jìn)一步討論了拓?fù)浞?wù)器出現(xiàn)故障時(shí)的處理方法(在拓?fù)浞?wù)器的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)間傳遞路由請(qǐng)求消息，這些鄰居節(jié)點(diǎn)中必有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有目的節(jié)點(diǎn)的鏈路信息；在網(wǎng)絡(luò)中布置拓?fù)浞?wù)器節(jié)點(diǎn)的備份節(jié)點(diǎn))以及網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)超出拓?fù)浞?wù)器的覆蓋范圍時(shí)的路由方式(在覆蓋范圍外用樹路由)。Jung等提出了一種基于樹結(jié)構(gòu)的路由方法(參見文獻(xiàn)Ssang-Bong Jung,Hyun-Ki Kim, Soon-Bin Yim, and Tae-Jin Lee. Channel Time Allocation and RoutingAlgorithm for Mult1-hop Communications in IEEE 802. 15.3 High-Rate WPAN MeshNetworks[C].1CCS 2007, Part IV: 457-465)，其基本思想是在設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程(對(duì)應(yīng)于樹結(jié)構(gòu)建立過程)中父PNC節(jié)點(diǎn)將建立到本微微網(wǎng)的子設(shè)備和子PNC以及子微微網(wǎng)里的設(shè)備的路由信息(包括目的節(jié)點(diǎn)地址和下一跳節(jié)點(diǎn)地址)，同時(shí)子PNC也會(huì)建立到本微微網(wǎng)子設(shè)備以及它的子PNC (如果存在)的路由信息。當(dāng)父PNC或子PNC節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，將根據(jù)所建立的路由信息接收此包或者轉(zhuǎn)發(fā)；這種方法存在PNC節(jié)點(diǎn)掌握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉蝗膯栴}；而且它只基于樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行路由，沒有考慮使用樹中橫向鄰居節(jié)點(diǎn)之間的路由，路由不一定能達(dá)到最優(yōu)。Zheng等提出一種以MAT (Meshed Adaptive Tree,網(wǎng)狀自適應(yīng)樹，IEEE802. 15. 5標(biāo)準(zhǔn)LR-WPAN部分定義的一種樹狀結(jié)構(gòu))為基礎(chǔ)的TDLS (Topology-guidedDistributed Link State)路由方法(參見文獻(xiàn)Jianliang Zheng and Myung J. Lee.A Resource-Efficient and Scalable Wireless Mesh Routing Protocol[J]. Ad HocNetworks, June 2007, 5(6) : 704-718)，其基本思想是將 MAT 和 DLS(Distributed LinkState,分布式鏈路狀態(tài))信息相結(jié)合；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度較小時(shí),節(jié)點(diǎn)的IinkHops (用于表征Hello消息的傳播跳數(shù))值將變大(最大值為maxHops (默認(rèn)值))；反之，該值變小；當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立完IinkHops跳鏈路信息后，節(jié)點(diǎn)檢查是否到每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)存在多條路徑，如果不存在，則源節(jié)點(diǎn)將單播自己完整的鏈路信息給所有鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)收到后也將單播回自己的鏈路信息給源節(jié)點(diǎn)；這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以了解IinkHops跳范圍內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息；該路由方法的性能對(duì)IinkHops值大小較為敏感。江禹生等提出一種基于MT的分層路由方法(參見文獻(xiàn)江禹生，何芳.改進(jìn)的WPAN網(wǎng)狀自適應(yīng)樹路由算法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.4，33(4): 88-91，97);其基 本思想是將MAT劃分為兩層第一層由根節(jié)點(diǎn)與子根節(jié)點(diǎn)(根節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn))組成；第二層為子根節(jié)點(diǎn)為根的樹(簡(jiǎn)稱為子樹)；同時(shí)，劃分后的兩層結(jié)構(gòu)采用不同的路由算法—— 各層內(nèi)部采用先應(yīng)式路由(基于MAT的樹路由)，子樹之間采用按需路由(該文采用傳統(tǒng)的AODV協(xié)議)；該路由方法由于在子樹之間尋路采用AODV協(xié)議，從而存在由泛洪引起的控制開銷偏多和大量消耗網(wǎng)絡(luò)資源的問題。同樣以MAT為基礎(chǔ)的TLMR(Two_level Mesh Routing)路由方法(參見文獻(xiàn)江禹生，何芳，宋香I 改進(jìn)的WPAN mesh路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011.9，47(9): 109-111)的基本思想是JfMAT和AODV協(xié)議結(jié)合，當(dāng)在MAT路由表中沒有發(fā)現(xiàn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由(包括最優(yōu)路由及其它的非最優(yōu)路由)，則采用傳統(tǒng)的AODV協(xié)議尋找路徑；該路由方法仍然存在傳統(tǒng)的AODV協(xié)議的缺點(diǎn)一泛洪過程引起的控制開銷和資源消耗較大。從上述文獻(xiàn)內(nèi)容反映出的研究現(xiàn)狀來看，目前有關(guān)IEEE802. 15. 5標(biāo)準(zhǔn)的HR-WPAN部分規(guī)定的基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法的研究，主要集中于如何更充分地利用樹結(jié)構(gòu)以及如何與其它協(xié)議結(jié)合使用等方面。然而，我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)現(xiàn)有基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法存在單播Link State Registration控制消息不能充分地發(fā)布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、在控制消息的?shù)量、內(nèi)容和轉(zhuǎn)發(fā)路徑等方面存在冗余、在多路徑情況下選路時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)能量以至于難以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗均衡等問題。具體為在鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)階段,現(xiàn)有路由方法在轉(zhuǎn)發(fā)Link State Registration消息時(shí)在MAC子層采用的是單播方式，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的除接收節(jié)點(diǎn)以外的鄰居節(jié)點(diǎn)不能利用該Link State Registration消息中的有效的拓?fù)湫畔ⅲ辉阪溌窢顟B(tài)信息注冊(cè)階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到Link State Request消息后,立即回復(fù)Link State Registration消息給它的父節(jié)點(diǎn)，再由它的父輩節(jié)點(diǎn)們繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該消息直至到達(dá)MC節(jié)點(diǎn)；由于沒有必要為每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)轉(zhuǎn)發(fā)Link State Registration消息到MC節(jié)點(diǎn)，因此該轉(zhuǎn)發(fā)過程存在一定冗余的控制開銷和時(shí)延開銷；在最優(yōu)路徑建立階段，最優(yōu)路徑上的中間節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)Route Formation消息時(shí)，將此條最優(yōu)路徑的完整路由信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而隨著轉(zhuǎn)發(fā)過程的進(jìn)行，越來越多的中繼節(jié)點(diǎn)列表信息不再有用，因此在該過程中存在冗余的中繼節(jié)點(diǎn)列表信息被轉(zhuǎn)發(fā)的情況；在最優(yōu)路徑建立階段，公共父節(jié)點(diǎn)將最優(yōu)路徑信息沿著樹結(jié)構(gòu)傳送給目的節(jié)點(diǎn)，然后由目的節(jié)點(diǎn)將該信息沿著最優(yōu)路徑傳送給源節(jié)點(diǎn)；而公共父節(jié)點(diǎn)將最優(yōu)路徑信息沿著樹結(jié)構(gòu)直接傳送給源節(jié)點(diǎn)的方式有可能開銷更小，此時(shí)，現(xiàn)有方法在控制開銷和尋路時(shí)延上存在一定冗余；在最優(yōu)路徑建立階段，現(xiàn)有路由方法在計(jì)算最優(yōu)路徑時(shí)只考慮鏈路質(zhì)量，當(dāng)有多條可用路徑時(shí)，選路過程中沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。這些問題對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能存在重要影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提出一種新的適用于HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)高效路由方法。新路由方法采用廣播Link State Registration消息、融合Link StateRegistration消息、縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度、自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息和基于節(jié)點(diǎn)剩余能量選路機(jī)制，解決現(xiàn)有基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法單播控制消息不能充分發(fā)布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ⒃诳刂葡⒌臄?shù)量、內(nèi)容和轉(zhuǎn)發(fā)路徑等方面存在一定冗余、在多路徑情況下選路時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)能量等問題；減少控制開銷，縮短建路時(shí)間，均衡節(jié)點(diǎn)能耗，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高路由方法的效率、時(shí)延等性能并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。本發(fā)明解決上述 技術(shù)問題的技術(shù)方案為一種HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的高效路由方法，包括父節(jié)點(diǎn)(MC或MPNC)創(chuàng)建一個(gè)Link State Request消息，并將其廣播給自己的子孫節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)收到由父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Link State Request消息，則倉(cāng)丨」建一個(gè)Link StateRegistration消息(鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息),在Link State Registration消息中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了一個(gè)表示節(jié)點(diǎn)能量等級(jí)的域，在目的節(jié)點(diǎn)域中填寫父節(jié)點(diǎn)地址；在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的Mesh子層建立一張節(jié)點(diǎn)剩余能量表，節(jié)點(diǎn)將自己的鏈路狀態(tài)信息和剩余能量的等級(jí)裝入此LinkState Registration消息中，然后用MAC子層廣播的方式發(fā)送；節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給自己的LinkState Registration消息,提取鏈路狀態(tài)信息和剩余能量信息,保存到自己的鏈路注冊(cè)信息表和節(jié)點(diǎn)剩余能量表中，并與發(fā)送緩存中的鏈路狀態(tài)信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量信息融合，生成新的Link State Registration消息并用MAC子層廣播的方式發(fā)送,直至MC節(jié)點(diǎn)收到所有的子孫節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Link State Registration消息；源節(jié)點(diǎn)選擇源到目的節(jié)點(diǎn)最短路徑中節(jié)點(diǎn)最少、剩余能量值最大的路徑作為最優(yōu)路徑；節(jié)點(diǎn)獲得最優(yōu)路徑信息后，采用“自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息”向源或目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送最優(yōu)路徑信息；在傳送最優(yōu)路徑信息時(shí)，“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”以減少轉(zhuǎn)發(fā)開銷；源節(jié)點(diǎn)通過最優(yōu)路徑發(fā)送數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點(diǎn)。自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息具體為公共父節(jié)點(diǎn)比較“公共父節(jié)點(diǎn)一源節(jié)點(diǎn)”和“公共父節(jié)點(diǎn)一目的節(jié)點(diǎn)一源節(jié)點(diǎn)”兩條路徑的開銷，選擇其中開銷小的一條傳送最優(yōu)路徑信息。所述“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”具體為在源、目的節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑上傳送最優(yōu)路徑信息的過程中，在中繼節(jié)點(diǎn)列表中刪除已收到中繼節(jié)點(diǎn)列表的中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息，逐步縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度，直到源節(jié)點(diǎn)收到最優(yōu)路徑信息。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送，先檢查最優(yōu)路徑信息是否是由目的節(jié)點(diǎn)使用RouteFormation消息發(fā)送；如果是，則通過查找路由表獲得下一跳節(jié)點(diǎn)地址，然后向該下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。如果源節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑信息是由源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)直接發(fā)來，則源節(jié)點(diǎn)使用源路由的方式，將最優(yōu)路徑的中繼節(jié)點(diǎn)列表裝入數(shù)據(jù)分組中，由數(shù)據(jù)分組“捎帶”發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)。最優(yōu)路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組后，在中繼節(jié)點(diǎn)列表中刪除已收到中繼節(jié)點(diǎn)列表的中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息，向中繼節(jié)點(diǎn)列表指示的下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，直至數(shù)據(jù)分組被傳送到目的節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明提出的路由方法在不影響HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能的前提下，能夠減少控制消息的數(shù)量和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，縮短控制消息的長(zhǎng)度，加快最優(yōu)路徑的建立，均衡節(jié)點(diǎn)能耗；解決了現(xiàn)有基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法單播控制消息不能充分發(fā)布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、在控制消息的?shù)量、內(nèi)容和轉(zhuǎn)發(fā)路徑等方面存在一定冗余、在多路徑情況下選路時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)能量等問題；從而能夠減少控制開銷，縮短建路時(shí)間，均衡節(jié)點(diǎn)能耗，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高路由方法的效率、時(shí)延等性能并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。


圖1本發(fā)明路由方法流程圖；圖2本發(fā)明融合L ink State Registration消息操作流程；圖3本發(fā)明“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”操作流程；圖4本發(fā)明“自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息”操作流程；圖5本發(fā)明“基于節(jié)點(diǎn)剩余能量選路”操作流程。
具體實(shí)施例方式在HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)狀樹結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)周期性地采集本節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路狀態(tài)信息(如鏈路質(zhì)量，時(shí)延、跳數(shù)等，默認(rèn)為跳數(shù))，且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有MPNC節(jié)點(diǎn)都可被選作拓?fù)浞?wù)器節(jié)點(diǎn)。一個(gè)可以作為mesh控制器MC(Mesh Coordinator)的MPNC節(jié)點(diǎn)發(fā)起鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)過程，其中，MC可控制該mesh網(wǎng)絡(luò)中所有的MPNC節(jié)點(diǎn)，也是此mesh網(wǎng)絡(luò)所生成網(wǎng)狀樹的根節(jié)點(diǎn)。首先，MC節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)鏈路請(qǐng)求消息Link State Request消息(可通過設(shè)置其Cost type項(xiàng)來規(guī)定所需的鏈路狀態(tài)信息類型，設(shè)置其TTL值來控制每個(gè)拓?fù)浞?wù)器節(jié)點(diǎn)保存的鏈路狀態(tài)信息表的大小)。如圖1所示為本發(fā)明路由方法流程圖。主要包括3個(gè)操作階段，由鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)、最優(yōu)路徑建立和數(shù)據(jù)分組傳輸三個(gè)階段組成。其中，在鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)階段采用廣播 Link State Registration 消息和融合 Link State Registration 消息兩種工作機(jī)制;在鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)和最優(yōu)路徑建立階段基于節(jié)點(diǎn)剩余能量選路；在最優(yōu)路徑建立及數(shù)據(jù)分組傳輸階段縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度并自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息。具體包括如下步驟階段一鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)父節(jié)點(diǎn)(MC或MPNC)首先創(chuàng)建一個(gè)鏈路請(qǐng)求消息(Link State Request消息)，并將其廣播給自己的子孫節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在MAC子層采用廣播方式轉(zhuǎn)發(fā)Link State Registration消息，Link State Registration消息的目的節(jié)點(diǎn)域填入父節(jié)點(diǎn)的地址。這樣，既能讓父節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)Link State Registration消息,又能夠使節(jié)點(diǎn)的所有鄰居都獲得Link StateRegistration消息中的鏈路狀態(tài)信息，有利于在后續(xù)過程中更容易、更快速地建立最優(yōu)路徑。 節(jié)點(diǎn)如果收到由父節(jié)點(diǎn)(MC或MPNC)發(fā)來的Link State Request消息則創(chuàng)建一個(gè)Link State Registration消息,在該消息的目的節(jié)點(diǎn)域中填寫父節(jié)點(diǎn)的地址，在LinkState Registration消息中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了一個(gè)表示節(jié)點(diǎn)能量等級(jí)的域,并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的Mesh子層建立了一張節(jié)點(diǎn)剩余能量表，節(jié)點(diǎn)將自己的鏈路狀態(tài)信息和剩余能量的等級(jí)裝入此Link State Registration消息中，然后用MAC子層廣播的方式發(fā)送；如果本節(jié)點(diǎn)不是邊緣節(jié)點(diǎn)且存在子節(jié)點(diǎn)，則將收到的Link State Request消息廣播給子節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)融合其緩存中的Link State Registration消息。節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給自己的Link State Registration消息,提取鏈路狀態(tài)信息和剩余能量信息，保存到自己的鏈路注冊(cè)信息表和節(jié)點(diǎn)剩余能量表中，并與發(fā)送緩存中的鏈路狀態(tài)信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量信息融合，生成新的Link State Registration消息用MAC子層廣播的方式發(fā)送。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到Link State Registration消息,它先檢查該消息是否是發(fā)給自己的；如果不是，則將該Link State Registration消息所含信息存儲(chǔ)到鏈路注冊(cè)信息表(用于存放子孫節(jié)點(diǎn)的鏈路狀態(tài)信息)和節(jié)點(diǎn)剩余能量表中，不再轉(zhuǎn)發(fā)。如果是發(fā)給自己的，則將該Link State Registration消息中所含的鏈路狀態(tài)信息和剩余能量信息提取出來，保存到自己的鏈路注冊(cè)信息表和節(jié)點(diǎn)剩余能量表中；接下來，檢查發(fā)送緩存中有無其他子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Link State Registration消息；若有,則將收到的和緩存的Link StateRegistration消息中的鏈路狀態(tài)信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量信息放到一個(gè)新生成的Link StateRegistration消息中；然后,將這個(gè)新的Link State Registration消息用MAC子層廣播的方式發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)；若無其他子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Link State Registration消息,貝U直接用MAC子層廣播的方式將收到的Link State Registration消息發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)。這種融合Link State Registration消息的方法能夠減少網(wǎng)絡(luò)中Link StateRegistration消息的數(shù)量,減少控制開銷，同時(shí)加快Link State Registration消息的傳送，有利于降低最優(yōu)路徑的建路時(shí)延。圖2所示為“融合Link State Registration消息”操作流程?？刹捎靡韵路绞竭M(jìn)行Link State Registration消息的融合，當(dāng)節(jié)點(diǎn)MAC子層的發(fā)送緩沖區(qū)不為空時(shí)，待發(fā)送的Link State Registration消息都存儲(chǔ)在Mesh子層的發(fā)送緩存中；當(dāng)MAC子層的發(fā)送緩沖區(qū)為空時(shí)用跨層信息共享的方式通知Mesh子層下傳LinkState Registration 消息到 MAC 子層。
當(dāng)MC節(jié)點(diǎn)收到所有的子孫節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Link State Registration消息，則整個(gè)HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)過程完成，鏈路狀態(tài)信息注冊(cè)階段結(jié)束。階段二 最優(yōu)路徑建立源節(jié)點(diǎn)選擇源到目的節(jié)點(diǎn)最短路徑中節(jié)點(diǎn)最少、剩余能量值最大的路徑作為最優(yōu)路徑。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送時(shí)，首先查詢自己保存的鏈路狀態(tài)信息表中是否有目的節(jié)點(diǎn)信息；如果有，則源節(jié)點(diǎn)可通過最短路徑算法計(jì)算源到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑；若計(jì)算時(shí)出現(xiàn)多條最短路徑，選擇這些路徑中節(jié)點(diǎn)最少剩余能量值最大的路徑作為最優(yōu)路徑。通過計(jì)算得到最優(yōu)路徑信息(包含目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)路徑上的所有中繼節(jié)點(diǎn)的列表)后，采用“自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息”向源或目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送最優(yōu)路徑信息。源節(jié)點(diǎn)將根據(jù)它更新通往目的節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng)。如果源節(jié)點(diǎn)沒有目的節(jié)點(diǎn)的信息，則創(chuàng)建一個(gè)Route Discovery消息，向源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)發(fā)送Route Discovery (路徑發(fā)現(xiàn)消息)消息，找到最優(yōu)路徑，并沿著已生成的網(wǎng)狀樹結(jié)構(gòu)將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Route Discovery消息后，先查詢自己的鏈路狀態(tài)信息表中是否有目的節(jié)點(diǎn)信息。如果有目的節(jié)點(diǎn)信息，說明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)就是源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算源到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并采用“自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息”向源或目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送最優(yōu)路徑信息；如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)沒有目的節(jié)點(diǎn)信息，則轉(zhuǎn)發(fā)Route Discovery消息給父節(jié)點(diǎn)；父節(jié)點(diǎn)同樣執(zhí)行上述操作,直到找到從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑并完成最優(yōu)路徑信息的發(fā)送。圖4為“自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息”流程。自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息具體為在最優(yōu)路徑建立階段，公共父節(jié)點(diǎn)比較“公共父節(jié)點(diǎn)一源節(jié)點(diǎn)”和“公共父節(jié)點(diǎn)一目的節(jié)點(diǎn)一源節(jié)點(diǎn)”兩條路徑的開銷，自適應(yīng)選擇其中開銷小的一條來傳送最優(yōu)路 徑信息。同時(shí)，源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)在計(jì)算最優(yōu)路徑時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，當(dāng)出現(xiàn)多條可選路徑時(shí)，基于節(jié)點(diǎn)剩余能量，選擇節(jié)點(diǎn)剩余能量大的路徑，從而盡可能減少傳送最優(yōu)路徑信息的控制開銷，縮短最優(yōu)路徑建立時(shí)延。圖5為“基于節(jié)點(diǎn)剩余能量選路”操作流程。如果目的節(jié)點(diǎn)收到源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的最優(yōu)路徑信息，則將該最優(yōu)路徑信息裝入一個(gè)新生成的路徑形成消息Route Formation消息，并沿著最優(yōu)路徑向源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該Route Formation消息。當(dāng)最優(yōu)路徑信息在最優(yōu)路徑上傳送時(shí)，采用“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”以減少轉(zhuǎn)發(fā)開銷。圖3所示為“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”操作流程。所述“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”具體為在源、目的節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑上傳送中繼節(jié)點(diǎn)列表時(shí)，隨著轉(zhuǎn)發(fā)過程的進(jìn)行刪除相應(yīng)中繼節(jié)點(diǎn)列表中的節(jié)點(diǎn)(已收到中繼節(jié)點(diǎn)列表的中繼節(jié)點(diǎn))信息，逐步縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度。直到源節(jié)點(diǎn)收到最優(yōu)路徑信息。收到中繼節(jié)點(diǎn)列表的最優(yōu)路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)從列表中刪除自己的信息，然后再轉(zhuǎn)發(fā)該列表，從而逐步縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度，減少控制開銷。階段三數(shù)據(jù)分組傳輸階段當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送且最優(yōu)路徑信息已獲得時(shí)，它先檢查最優(yōu)路徑信息是否是由目的節(jié)點(diǎn)使用Route Formation消息發(fā)來,如果是,則通過查找路由表獲得下一跳節(jié)點(diǎn)地址，然后向下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。如果源節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑信息是由源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)直接發(fā)來，則源節(jié)點(diǎn)會(huì)使用源路由的方式，將最優(yōu)路徑的中繼節(jié)點(diǎn)列表裝入數(shù)據(jù)分組中，由數(shù)據(jù)分組“捎帶”發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)。最優(yōu)路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組后，先檢查數(shù)據(jù)分組是否捎帶有中繼節(jié)點(diǎn)列表；如果有，則采用“縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度”縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度，減少控制開銷，然后向中繼節(jié)點(diǎn)列表指示的下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組；如果沒有，則查找路由表獲得下一跳節(jié)點(diǎn)地址，然后向該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。直至數(shù)據(jù)分組被傳送到目的節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明上述方法適用于使用WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)，尤其是HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域。以下以HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)為例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施具體說明如下在HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都具有信息接收和發(fā)送功能，MC或MPNC節(jié)點(diǎn)由電源(或電池)供電且處于靜止(準(zhǔn)靜止)狀態(tài)。所有MPNC周期性廣播Beacon消息，并周期性地采集本節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路狀態(tài)信息，且都可作為拓?fù)浞?wù)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)分組給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在鏈路注冊(cè)信息階段，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)需求被選為拓?fù)浞?wù)器，且Link State Request消息的TTL值根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力和網(wǎng)絡(luò)的大小確定，Link State Request消息中的Cost type項(xiàng)由具體的鏈路狀態(tài)信息要求確定；節(jié)點(diǎn)剩余能量等級(jí)可以定為8級(jí),用3位2進(jìn)制數(shù)表示(23=8),并由Link State Registration消息攜帶這3位的剩余能量信息。與現(xiàn)有基于拓?fù)浞?wù)器的路由方法相比，本發(fā)明提出的高效的HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)路由方法能夠以更少的控制開銷更快速地建立最優(yōu)路徑，縮短數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延，同時(shí)均衡節(jié)點(diǎn)能耗，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶 寬資源并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
權(quán)利要求
1.一種HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的高效路由方法，其特征在于，包括以下步驟節(jié)點(diǎn)收到由父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的鏈路請(qǐng)求消息，創(chuàng)建鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息，在鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了一個(gè)表示節(jié)點(diǎn)能量等級(jí)的域，在目的節(jié)點(diǎn)域中填寫父節(jié)點(diǎn)地址；在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的Mesh子層建立一張記錄節(jié)點(diǎn)剩余能量的表；節(jié)點(diǎn)將自己的鏈路狀態(tài)信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量等級(jí)裝入鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息中，然后用介質(zhì)訪問控制MAC子層廣播的方式發(fā)送；節(jié)點(diǎn)收到發(fā)給自己的鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息后，提取鏈路狀態(tài)信息和剩余能量信息，并與發(fā)送緩存中的鏈路狀態(tài)信息和節(jié)點(diǎn)剩余能量信息融合，生成新的鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息，用MAC子層廣播的方式發(fā)送；直至父節(jié)點(diǎn)收到所有的子孫節(jié)點(diǎn)發(fā)來的鏈路狀態(tài)注冊(cè)消息；源節(jié)點(diǎn)選擇源到目的節(jié)點(diǎn)最短路徑中節(jié)點(diǎn)最少、剩余能量值最大的路徑作為最優(yōu)路徑；節(jié)點(diǎn)獲得最優(yōu)路徑信息后，采用自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息的方式向源或目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送最優(yōu)路徑信息；在傳送最優(yōu)路徑信息時(shí)，縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度以減少轉(zhuǎn)發(fā)開銷；源節(jié)點(diǎn)通過最優(yōu)路徑發(fā)送數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息具體為公共父節(jié)點(diǎn)比較“公共父節(jié)點(diǎn)一源節(jié)點(diǎn)”和“公共父節(jié)點(diǎn)一目的節(jié)點(diǎn)一源節(jié)點(diǎn)”兩條路徑的開銷，選擇其中開銷小的一條傳送最優(yōu)路徑信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度具體為在源、目的節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑上傳送最優(yōu)路徑信息的過程中，在中繼節(jié)點(diǎn)列表中刪除已收到中繼節(jié)點(diǎn)列表的中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息，逐步縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度，直到源節(jié)點(diǎn)收到最優(yōu)路徑信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送，先檢查最優(yōu)路徑信息是否由目的節(jié)點(diǎn)使用路徑形成消息發(fā)送，如果是，則通過查找路由表獲得下一跳節(jié)點(diǎn)地址，然后向該下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果源節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑信息是由源、目的節(jié)點(diǎn)的公共父節(jié)點(diǎn)直接發(fā)來，則將最優(yōu)路徑的中繼節(jié)點(diǎn)列表裝入數(shù)據(jù)分組中，由數(shù)據(jù)分組捎帶發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)；最優(yōu)路徑上的中繼節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組后，在中繼節(jié)點(diǎn)列表中刪除已收到該中繼節(jié)點(diǎn)列表的節(jié)點(diǎn)的信息，然后向中繼節(jié)點(diǎn)列表指示的下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，直至數(shù)據(jù)分組被傳送到目的節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高效的HR-WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)路由方法，涉及WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于拓?fù)浞?wù)器的路由技術(shù)。本發(fā)明提出的路由方法采用廣播Link State Registration消息、融合Link State Registration消息、縮短中繼節(jié)點(diǎn)列表長(zhǎng)度、自適應(yīng)選路發(fā)布最優(yōu)路徑信息和基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的選路機(jī)制，解決現(xiàn)有基于拓?fù)浞?wù)器的WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)路由方法單播控制消息不能充分發(fā)布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ⒃诳刂葡⒌臄?shù)量、內(nèi)容和轉(zhuǎn)發(fā)路徑等方面存在冗余、在多路徑情況下選路時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)能量等問題，減少控制開銷，縮短建路時(shí)間，均衡節(jié)點(diǎn)能耗，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高路由方法的效率、時(shí)延等方面性能并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
文檔編號(hào)H04W40/10GK103068002SQ201210577058
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者任智, 汪坤露, 陳前斌, 徐中浩, 陳紅, 李玉蘭 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)