低空中继系统的多中继路由建立方案的制作方法与工艺

本发明属于无线多跳网络的技术领域，特别涉及一种低空中继系统的多中继路由建立方案。

背景技术：
四川芦山地震和汶川地震事件引起人们对灾难之后紧急救援通信的关注。自然灾害中的地震、海啸、洪水以及人为灾难中的恐怖袭击等都会造成无线通信网络很大损坏。在大范围的严重灾难场景下，受灾区交通和通信基础设施会发生故障甚至完全遭到破坏。通信基础设施在紧急救援小组进行救援期间起着很重要的作用。在大规模的灾难发生时，一般无线通信网络需要很长时间才能得到恢复，因此大部分紧急救援小组使用AdHoc通信，例如步话机、移动基站或卫星通信中VSAT，然而这几种方式的覆盖范围都很有限。过去的几年中，由于无线通信技术的发展，一种能够在灾难恢复期间进行有效网络部署的技术无线多跳网络(WirelessMeshNetworksorWMNs)受到人们的广泛关注。该网络独特的架构使它能够应用于应急通信场景。WMNs由Mesh路由和Mesh终端组成，各个Mesh终端通过Mesh路由器来接入网络，并且Mesh网络中的各个节点自动建立并维护网络的连接。该网络可以采用多跳方式实现更低的部署成本和更大的覆盖范围。传统的蜂窝移动通信系统中，蜂窝基站塔受地面建筑或其他物体干扰，延迟大。同时由于要在地面建立大量的基站，因而构建网络的经济成本较高，复杂性相对较大，由于要确定适合的安装地点，因而部署相对较慢，对于急需建立通讯网络的情况不太方便。同时其星形结构中一旦某条链路出现故障，可能会造成大范围的服务中断，这很大程度上限制了网络的可靠性。在WLAN网络中，采取单跳方式，因而数据不可转发，同时接入点的覆盖范围仅限于几百米，如果想在大范围内应用这种高速率的服务模式，成本将非常高。卫星通信可以有效的将GPS信息传送到其他通信手段不能到达的任何区域，但其通信费用高昂，不适合在受灾区大规模应用，这会限制网络的覆盖范围。对于AdHoc网络，节点的接通性是依赖节点的平等合作实现的，健壮性比较差。AdHoc网络主要用于军事或其他专业服务，不适合特殊情况下的部署。同时已有的轻量级网络部署方案中没有提出有效的路由建立方法。

技术实现要素：
本发明目的：本发明在已有网络的基础上提出一种轻量级网络部署方案，并在方案中提出有效的路由建立过程，使得在大范围的严重灾难场景下，受灾区交通和通信基础设施会发生故障甚至完全遭到破坏时，迅速地建立高质量的通信网络。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：本发明中含有若干个增强型的空中中继平台，中继平台固定在可控、可移动、可漂浮于低空装置中，低空装置为气球或者飞艇，气球用于扩展系统覆盖范围。汽车1上方用缆绳固定住一个气球(后面称为气球1)，气球1下部携带中继平台1。地面接收节点平台(SINK)被荷载在汽车1上，接收节点配置有网关和回程链路功能模块，通过网关和回程链路，本发明中的网络可以实现与Internet骨干网络连接。接收点平台与中继平台1之间需要建立一个无线链路(1跳链路)，多个中继平台之间也需要建立互相通信链路。中继平台之间可采用光学和射电频率连接，从而建立自由空间无线网络实现。在两个气球配置下，气球1上的中继平台1或者气球2上的中继平台2与远端地面上的无线移动终端进行通信。因此，该多跳中继系统需要考虑路由，即地面上的无线终端是选择2跳链路或者3跳链路来实现与汽车1上的接收点平台通信。首先固定两个含有GPS定位系统的空中中继平台，中继平台在初始化阶段将自己的位置信息发送给接收点平台。接收节点向覆盖范围内的所有中继平台发送广播消息(adv)，收到adv消息的中继平台存储本条路由消息到本地路由表中。所有中继平台经过随机等待时间之后进行初始化。一部分中继平台在初始化之前将收到路由消息。这使得路由消息能够快速在中继平台间传播而且避免了数据包大量传送带来的消息碰撞问题，从而有效降低路由建立阶段的时间和节点的能量消耗。中继平台通过向覆盖范围内的所有其他中继平台和移动终端广播路由请求包(RREQ)进行随机初始化。如果其他中继平台收到RREQ包，则广播路由回复包(RREP)。如果是移动终端收到RREQ消息包，则不需要广播RREQ包。本发明的有益效果为：1、本发明提出了一种可靠地路由建立方案，即利用轻量级机制将数据可靠并且快速的发送到接收节点。这种轻量级机制处理快速改变的拓扑和路由保持的时候仅需要很少的维护和控制消息。2、应急低空中继网由于不受地面建筑或其他物体干扰，因此延迟小。由于低空中继中路由成本低，因此构建网络的经济成本低，复杂性相对较小，并且能够快速进行部署，更适合用于陆地蜂窝网的灾后恢复。3、本发明中使用多个中继平台，当地面移动终端远离接收节点时，可通过中继平台转发移动终端的消息。4、本发明可用于通信链路的早期恢复，采用多跳路由的目的是有效扩展通信覆盖范围。5、与原有的无线Mesh网络相比，本发明中的低空中继网完全没有固定的架构，能够实现更灵活的网络部署。6、本发明中的中继使用增强型低空中继平台，能够建立自由空间无线网络实现。与传统的大功率无线局域网不同之处在于，本发明空中中继之间的通信链路采用光学连接接口和射电频率连接。此外地面基站无法实现视距传播，无法建立自由空间无线网络实现。7、本发明中中继平台之间采用定向天线，能够增加辐射功率的有效利用率，增加保密性，同时定向天线有很强的抗干扰能力。移动终端和中继平台之间也有很强的无线通信能力。8、本发明含有多个中继路由功能模块，可用于数据备份，使后续路由协议达到网络吞吐量最大化，并减少阻塞概率。9、所有中继平台经过随机等待时间之后进行初始化。因此，一部分中继平台在初始化之前将收到路由消息。这使得路由消息能够快速在中继平台间传播而且避免了数据包大量传送带来的消息碰撞问题，从而有效降低路由建立阶段的时间和节点的能量消耗。附图说明图1为本发明的结构示意图；该附图中标记为：1—倒塌的基站；2—Internet主干网络；3—荷载网关和回程链路功能模块的汽车1；4—气球1；5—气球2；6—增强型无线中继平台1；7—增强型无线中继平台2；8—汽车2；9—移动终端1；10—移动终端2；11—移动终端3；12—部署在汽车1上的接收节点。图2为本发明网络初始化和路由建立过程的流程图；图3为本发明网络部署场景软件仿真图。具体实施方式下面结合附图详细说明本发明的技术方案。图1为本发明的结构示意图，如图1所示地面基站全部倒塌的情况下，无法通过无线方式与Internet主干网络连接。因此，本网络中部署一辆带携带有网关功能和回程链路的接收节点的汽车，实现本网络与外部网络连接。图中两辆汽车上方分别利用缆绳固定气球，气球下方携带无线中继平台，中继系统的高度大于传统蜂窝基站塔的高度，两个中继平台之间建立无线通信链路。中继平台1与接收节点之间建立一跳通信链路，中继平台2可以通过中继平台1与地面接收节点通信。地面移动终端1在中继平台1的信号覆盖范围内，移动终端3在中继平台2的信号覆盖范围内，而移动终端2在中继平台1和中继平台2覆盖范围的重叠区域。图2为本发明网络初始化和路由建立过程的流程图，首先接收节点向覆盖范围内的中继平台发送广播消息(AdvertisementorADV)，接收到ADV消息的中继平台将记录存储在本地路由表中，并且跳数记录为1跳。为避免消息冲撞，中继平台经过随机等待时间向覆盖范围内的其他中继平台广播路由请求消息(RouteRequestorRREQ)，如果接收到RREQ消息的中继平台有到达接收节点的路由，则广播路由回复消息(RouteReplyorRREP)，否则丢弃RREQ包。接收到RREP消息的中继平台查找本地路由表中是否有此记录或者与下一跳一致的记录比较，跳数是否相等或更小，如果没有相同记录，跳数相等或更小，则存储收到的消息，并且更新跳数。中继平台广播消息结束后，各移动终端经过随机等待时间向中继平台广播RREQ消息，收到RREQ消息的中继平台如果有到达汽车上接收节点的路由则广播RREP消息，否则丢弃RREQ包。收到RREP消息的移动终端查找本地路由表中是否有此记录，或者与下一跳一致的记录比较，跳数是否相等或更小，如果没有相同记录、跳数相等或更小，则存储收到的消息，并且更新跳数。直到所有中继平台和移动终端有相应路由记录后，路由建立过程结束。在传统的无线通信场景中，接收节点向所有覆盖范围内的移动终端广播ADV消息，节点之间相互广播RREQ消息。本发明与传统无线通信场景相比，增加了中继系统，接收节点向中继平台广播ADV消息，中继平台向其他中继平台广播RREQ消息，当所有中继平台之间交换路由消息后，移动终端向中继平台广播RREQ消息。本发明中移动终端只能通过中继平台与接收节点通信，不能直接与接收节点通信，同时移动终端之间不能直接通信。本发明中所有节点都含有Wi-Fi接口或LTE接口。图3为本发明网络部署场景软件仿真图。如图3所示，以汽车上的接收节点为源点建立二维坐标图，横坐标表示地面，纵坐标表示距离地面的高度。地面部署三个移动终端，高空部署两个中继平台。本发明在路由建立过程开始之前，对所有节点的坐标进行初始化，查找各自覆盖范围内的邻节点，并保存到邻节点记录表中，其中接收节点找到覆盖范围的中继平台，中继平台的邻节点表中保存的是覆盖范围内的其他中继平台，移动终端的邻节点表中保存能够直接进行无线通信的中继平台。本发明路由建立过程中，接收节点向中继平台广播ADV消息，收到ADV消息的中继平台将本条路由消息保存到本节点路由表中，并设置跳数为1跳，路由表内容包括到接收节点所要经过的下一条地址和跳数。每个中继平台经过随机等待时间向邻节点记录表中的所有邻节点发送RREQ消息，邻节点收到RREQ消息后，如果路由表中有到接收节点的路由，则发送RREP广播消息，收到RREP包的中继平台存储路由信息并更新跳数。中继平台路由建立过程结束后，含有Wi-Fi接口或LTE接口的移动终端向邻节点表中所有邻节点发送RREQ消息，收到RREQ消息的节点，如果有到达接收节点的路由，则发送RREP广播消息，接收的RREP广播的移动终端，存储消息，并更新跳数。路由建立过程结束后，每个中继平台有至少一条直接到达接收节点或者通过其他中继节点转发到达接收节点的路由信息，移动终端有至少一条通过中继节点到达接收节点的路由。本发明中中继平台1与接收节点间有很强的通信链路质量，而中继平台2与接收节点之间的通信链路相对较差，但当本发明中的系统运行时间很长，致使图中的中继平台1电能耗尽时，可使用中继平台2直接与接收节点通信。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。