专利名称：无线网络中树状骨干结构构造方法及相关分组转发方法
技术领域：
本发明涉及无线网络通信技术，属于无线网状网络路由协议领域，具体涉及一种 在无线网状网络中建立一棵树状骨干结构的构造方法并在此基础上的分组转发的方法。
背景技术：
无线网络在很多领域都有广泛的应用，其中是无线网状网络。无线网状网络中，其 组成部分——无线节点既是通信终端，又是路由节点——负责为其他通信节点之间的通信 转发数据。无线节点具有通信距离有限、带宽和电量资源有限的特点。现有的无线自组织网络路由协议分为先应式和反应式两种。先应式路由方法需要 时刻维护网络中所有节点之间的通信路径——无论是否实际需要。反应式路由只有当需要 通信时，才在信源信宿之间寻找路径。一个反应式路由协议通常由路径发现和路径维护两个部分组成。路径发现通常由 信源节点发起。当信源希望向某个信宿发送数据时，而又没有到达信宿的路径，这时信源 向网络洪泛一个路由请求(Route Request)报文，收到该报文的中间节点Gntermediate nodes)将继续转发非重复性(Non-duplicate)的路由请求报文，如果信宿收到一个路由请 求报文，那么它就可以向信源返回一个路由应答(Route Reply)报文，以通知信源“已经找 到一条两者之间的路径”。路由维护阶段，当路径中断(如由于节点移动或无线传输环境恶 化)时，可以重新进行端到端路径选择。如A0DV、DSR协议以及基于这些协议的衍生协议都 属于上述类型。这些反应式路由协议没有考虑所找到的路径的生存周期长短，当通信路径 频繁中断时，可能会导致较大的协议开销。先应式路由协议则实时维护网络中所有节点之间的最短路径。这类协议数据分 组通信延迟短，但网络协议开销较大。典型协议包括destination-sequenced distance vector (DSDV) protocol 、 Wireless Routing Protocol、 Fisheye routing protocol 协 议。
发明内容
本发明的目的是在反应式和先应式两类协议的数据传输方法之间建立均衡，发明 一种树状数据骨干结构，并优化利用该树(及其树枝)的信息，优化数据路由路径，抑制网络 协议开销。构造树状骨干结构的方法是 1)树的前向发现过程
首先，树根节点ROOT生成一个Tree Construct分组，然后向网络广播该Tree Construct分组。网络中的节点i收到第一个Tree Construct分组后，它将该分组缓存一 小段时间T，当过了 T时间后，节点i将自身ID附到该分组已经走过的节点列表中，更新从 ROOT到i的路径稳定值，将更新后的Tree Construct分组广播出去，并记录发送给自己该 分组的节点为其父节点。
2)判别树叶节点和树内节点
节点i没有监听到过任何其他节点转发的Tree Construct分组中携带的“该分组已经 走过的节点列表”中包含自己，则自己为树叶节点，否则为树内节点。3 )树的后向响应过程
前向Tree Construct分组广播后，每个树叶节点将向其树上的父节点发送Tree Reply 消息进行响应，Tree Iteply消息中附带自身ID信息。树根节点ROOT接收到其所有子节点 的Tree Reply消息并创建相关路由表后，树的构建过程完毕。所生成的树是网络的生成树，并且是一棵稳定度较高的生成树。基于上述树形结构的免费路由路径信息获取方法是
一个节点i如果监听到邻居节点j上传的Tree Reply消息后，且i、j不是父子(或子 父)关系(我们称i、j为姊妹关系)，那么i将j设为到达j上传的Tree Reply消息中的下 游子树中的节点的下一跳。如果到达某个具体节点，i有多个这样的选择的话，那么它选择 其中距离最小的一个。这一路由学习过程可以使得分组可以在临近的姊妹树枝上提前进行传递，而无需 绕行到更远的祖先节点甚至树根节点。基于上述无线自组织网络的树形结构，其数据分组的传送方法是
需要发送数据分组的节点i首先检查目标节点是否在自己的邻居中，如果是的话，直 接发送；否则，检查目标节点是否在自己的下游子节点中，如果是的话，直接递交给能够到 达该目的节点的子节点；否则检查自己的路由表中是否有学习来的可达路由路径信息，如 果有的话，直接提交给相关路由表中的下一跳；否则，提交给自己在树上的父节点。收到分 组的节点持续上述过程完成数据传输。如果某节点没有相关目的节点的下一跳信息，则反向向数据包的源节点发送 Route Error信息，沿途节点删除相关到达该目的地的路由表项，直到Route Error信息到 达源节点。如果源节点有备用路径(或备用下一跳)的话，那么将向备用下一跳发送分组。 否则，需要等待树根节点从新发起树的构建过程时再次实现到目的节点的数据发送。本发明建立的树状数据骨干结构，在同一无线网络中，并不局限于一个，还可以建 立多个树状结构。在网络中选择多个节点作为树根节点可以各自建立的树状骨干结构，由 此，数据分组转发时，可以选择在多个树之间进行。本发明的优点是
(1)可以构建比较稳定的生成树结构；(2)—棵生成树可以在所有节点之间建立了路 径，从而在原有的all-to-all先应式路由机制和纯粹的one-to-one反应式路由机制之间 建立均衡，以期在路由效率和网络开销之间建立均衡；(3)可以建立多个生成树，提供更多 的备用路径、路径学习能力和网络流量的均衡能力，最终提高无线网络的数据分发效率。
具体实施例方式本发明中的方法针对的无线网络具有以下特征
每个节点配备各向同性的无线天线；少量节点可以移动，或者无线节点低速移动；当 两个节点在相互无线通信范围时，两者可以直接通信，否则不能直接通信；节点不需要知道 自身的位置信息、移动速率和移动方向；每个节点周期性发送HELLO包，包中包括自身ID。
5
关于本发明的树状骨干网络的相关定义
树包括树根、树内和树叶节点。本发明中，树根指发起树的构建过程的节点。一个节点在树上紧邻的上游节点称为其父亲节点(或父节点)，在树上紧邻的下游 节点称为其儿子节点(或子节点)；一个节点只能有一个父节点，但可以有0至多个子节点。 树叶指没有下游子节点(children node)的节点。树内节点指树上的且有子节点的节点。下游子树一个树内节点的所有下游节点及其相关结构形成了该节点的下游子 树。祖先节点一个节点的父亲节点到树根节点(包含)之间的节点。本发明要求每个节点定期评估与自己相关联的链路的稳定性，链路稳定性估计方 法本发明中与一个节点相关联的链路的稳定性由该节点的邻居变化率来表征。Sti时刻 节点X的邻居集合为Sx tl，t2时刻节点X的邻居集合为Sx t2，那么节点X的邻居变化率为
路径稳定度的计算方法对于一条简单路径P，其路径稳定度为
其中V(P)代表路径P上节点的集合。本发明的树状结构构造方法和机遇这种骨干结构的数据分组转发方法，可以有单 树情况和多树情况。单树的情况
权利要求
1.无线网络中树状骨干结构的构造方法，其特征是方法如下1)树的前向发现过程首先，树根节点ROOT生成一个Tree Construct分组，然后向网络广播该Tree Construct分组，网络中的节点i收到第一个Tree Construct分组后，它将该分组缓存一 小段时间T，当过了 T时间后，节点i将自身ID附到该分组已经走过的节点列表中，更新从 ROOT到i的路径稳定值，将更新后的Tree Construct分组广播出去，并记录发送给自己该 分组的节点为其父节点；2)判别树叶节点和树内节点节点i没有监听到过任何其他节点转发的Tree Construct分组中携带的“该分组已经 走过的节点列表”中包含自己，则自己为树叶节点，否则为树内节点；3)树的后向响应过程前向Tree Construct分组广播后，每个树叶节点将向其树上的父节点发送Tree Reply 消息进行响应，Tree Iteply消息中附带自身ID信息，树根节点ROOT接收到其所有子节点 的Tree Reply消息并创建相关路由表后，树的构建过程完毕。
2.根据权利要求1所述的无线网络中树状骨干结构构造方法，其特征是所述的路径稳 定值由该节点的邻居变化率来表征，具体方法是设tl时刻节点χ的邻居集合为Sx tl，t2时 刻节点χ的邻居集合为Sx t2，那么节点χ的邻居变化率为
3.无线网络中树形骨干结构的分组分发方法，其特征是首先获取免费路由路径信息，方法是一个节点i如果监听到邻居节点j上传的Tree Reply消息后，且i、j为姊妹关系，那 么i将j设为到达j上传的Tree Reply消息中的下游子树中的节点的下一跳，如果到达某 个具体节点，i有多个这样的选择的话，那么它选择其中距离最小的一个；然后进行数据分组的传送，方法是需要发送数据分组的节点i首先检查目标节点是否在自己的邻居中，如果是的话，直 接发送；否则，检查目标节点是否在自己的下游子节点中，如果是的话，直接递交给能够到 达该目的节点的子节点；否则检查自己的路由表中是否有学习来的可达路由路径信息，如 果有的话，直接提交给相关路由表中的下一跳；否则，提交给自己在树上的父节点；收到分 组的节点持续上述过程完成数据传输；如果某节点没有相关目的节点的下一跳信息，则反向向数据包的源节点发送Route Error信息，沿途节点删除相关到达该目的地的路由表项，直到Route Error信息到达源节 点；如果源节点有备用路径(或备用下一跳)的话，那么将向备用下一跳发送分组；否则，需 要等待树根节点从新发起树的构建过程时再次实现到目的节点的数据发送。
4.根据权利要求1所述的无线网络的树状骨干结构，其特征是在同一无线网络中，可以选择多个节点建立多个树状结构。
5.根据权利要求3所述的分组分发方法，其特征是在网络中有多个树状骨干结构时， 数据分组转发可以选择在多个树之间进行。
全文摘要
本发明揭示了一种无线网络的树形骨干结构的构造方法和相关的分组转发方法，其主要特征是将无线网中的节点定义为树根、树叶，利用树根节点建立树状骨干结构，树根、树叶可以进行通讯，并提出了与一个节点有关的链路稳定度的计算方法，和免费路由学习机制。由此，产生新的基于树形结构的分组分发方法。本发明的方法在先应式路由和反应式路由方法之间建立了一种平衡，兼顾传送效率和网络开销，提高了网络流量的均衡性，最终提高网络数据传送的效率。
文档编号H04W40/02GK102098729SQ20111003970
公开日2011年6月15日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年10月21日
发明者王嵚, 王江, 赵壮, 高雪 申请人:无锡泛联软件科技有限公司