一种适用于无线通信网络的路由方法与流程

本发明属于无线通信领域，涉及一种与无线数据通信网络相关的路由方法。

背景技术：

随着数字化时代的到来，无论在民用物联网方向还是在军用数据链方向，在多节点、非直连的无线数据网络通信需求环境下如何利用可靠、高效的无线路由算法进行数据交互一直是无线数据通信网络研究重点之一。目前为大众所熟知的tcp/ip协议是一种成熟的路由控制协议，已经广泛的应用于互联网上。但是该协议开发初衷是基于有线网络基础上的，虽然可以支持海量节点互通，但是对信道容量、信道延时考虑较少，其弊端是用于网络维护的数据开销较大，每一个节点都需要存储一个较为庞大的路由表而且需要定时进行更新。在无线数据通信的大部分应用场景中用于交互的有效数据量并不多，节点数量一般也不多，但是需要数据传输精简、有效、实时。如果无线网络照搬tcp/ip协议进行路由通信，不但有很大的网络开销用于维护路由更新，而且实时性也不高，明显得不偿失。

为此目前针对无线数据通信提出了各种路由算法，主要可以分为两大类：先应路由和后应路由。先应路由与tcp/ip路由协议类似，每一个节点都存储一张路由表，包含与自己通信范围内的其他节点的路由信息。并且根据节点变化不断更新路由表。典型代表的协议是dsdv(目标序列距离矢量)协议。后应路由各个节点无需定时维护路由表，只有节点需要通信时才进行路由寻址。典型代表的协议是aodv(自组网按需距离矢量)协议。

上述两类路由算法都存在各自的弊端，先应路由每个节点都要定时广播完完整的路由信息，由此带来的信道开销较大。而后应路由任意节点每次发起数据传输前必须发起广播寻址，建立握手后才能展开通信，导致数据时延；而且当多节点同时通信，同时发起广播寻址时将导致网络瞬时开销较大，容易导致网络阻塞。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于无线通信网络的路由方法，其特征在于，用于解决上述两类路由协议的弊端。

本发明一种适用于无线通信网络的路由方法，其中，包括：给每一个节点建立自己的id号，每一个节点在内部存储空间建立自身的直接连接表和间接连接表，直接连接表和间接连接表格式，每一个bit位用来表征与对应节点的连接关系；节点处于接收状态，定时通过无线链路广播自身的直接连接表和间接连接表给能够直连的节点；每一个节点收到与其直连的节点发来的连接表信息，则将更新自身的直接连接表和间接连接表；当节点向目标节点发送数据时，包括：源节点与目标节点1跳：源节点查找自身的直接连接表，发现与目标节点存在直连接关系，则数据直接发送；源节点与目标节点2跳：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，则查找自身的间接连接表，如果发现与目标节点存在间接连接关系，则数据需要通过中继1次发出，中继节点即为与源节点和目标节点同时直连的节点；源节点与目标节点3跳：源节点查找自身的直接连接表和间接连接表，均未发现与目标节点存在连接关系，则查找与其直连节点的间接连接表，此时发现某些节点与目标节点存在间接连接关系，则数据需要通过中继2次发出，第一中继节点即为与源节点直接连接以及和目标节点间接连接的节点，第二中继节点为与第一中继节点和目标节点同时直连的节点。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，0到31这32个数字依次代表每个节点的id号，每一个节点在内部存储空间建立自身的直接连接表和间接连接表。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，每一个连接表是1个32bit的存储单元，从0到31个比特分别代表0到31个节点，与节点的id号对应，每一个bit位用来表征与对应节点的连接关系。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，所有连接表的初始值都为0。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，定时清理无效的连接表。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，当一定时间间隔内连接表未出现任何更新时，则将连接表清零。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，在3跳这个过程中，第一步源节点判断进行三跳中继，则启动路由，指定第一中继节点，信息传递到第一中继节点后再次进行二次中继，此时对第一中继节点来说相当于2跳，即查找自身的间接连接表来指定下次的中继节点。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，源节点与目标节点4跳及以上：首先利用本地节点存储的自身连接表和其它节点连接表可以计算出本地节点的连接数量与其它节点相比是不是局部最大，如果是最大，则自动成为局部簇头，否则作为普通节点，簇头担负4跳以上的中继服务。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，还包括：通信质量因子，其中通信质量因子由节点直连数量，节点信号场强、通信中断次数等参数加权计算得出，在2跳及以上路由中，如果路由路径不唯一，则通过通信质量因子选择最优路径。

根据本发明的适用于无线通信网络的路由方法的一实施例，其中，还包括：逆路径反馈机制，如果路由过程中继节点发现下一个节点通信中断，则启动逆路径反馈机制向原节点反馈中继失败信息，重新选择新的路由路径。

本发明的适用于无线通信网络的路由方法，既降低平时路由信息占用的网络开销，多节点同时通信(在3跳内)时又不会产生而外的寻址开销，维持无线通信网络平稳运行。

附图说明

图1所示为每个节点包含的所有连接表示意图；

图2所示为通信节点连接以及路由示意图；

图3所示为簇头自适应产生以及扩展路由算法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1所示为每个节点包含的所有连接表示意图，图2所示为通信节点连接以及路由示意图，图3所示为簇头自适应产生以及扩展路由算法示意图，如图1至图3所示，图1中每个小格代表1bit，小格中的idx(x代表0到31)表示该小格与idx对应，图2图3中双向箭头代表两个节点可以通过无线链路直连，否则需要通过其它节点路由连接。

如图1至图3所示，本发明一种适用于无线通信网络的路由方法包括：

1、给每一个节点建立自己的id号，在本发明中，用0到31这32个数字依次代表每个节点的id号。每一个节点在内部存储空间建立自身的直接连接表和间接连接表，直接连接表和间接连接表格式见图1。同时也为其它31个节点建立一一对应的直接连接表和间接连接表。每一个连接表实质上就是1个32bit的存储单元，从0到31个比特分别代表0到31个节点，与节点的id号对应，每一个bit位用来表征与对应节点的连接关系(1代表有连接，0代表无连接)。所有连接表的初始值都为0。连接表的更新与维护在步骤3详述。

2.每一个节点通常处于接收状态，但是需要定时通过无线链路广播自身的两张连接表给能够与它直连的节点，该广播为实现网络路由的主要开销。由于两张连接表总共占用64bit，所以单次单节点广播占用的开销很小。整个网络的开销等于64bit*节点数量*t，t为定时广播间隔。定时间隔决定由网络自身的节点稳定性估计得出，在本发明具体实现中采用1s发送一次，可以计算出在本发明中一个32个节点的网络每秒用于维护网络路由的开销仅为2kb。

3、每一个节点一旦收到与其直连的节点发来的连接表信息，则将更新自身的直接连接表和间接连接表。以图2a节点的直接连接表和间接连接表的更新为例，通过无线链路感知，a节点接收到b节点消息，并且通过接收b节点发送的直接连接表，知道b节点为它的直接连接节点，而与b节点直接相连的c、d节点为a节点的间接连接节点。假设b节点的id号为5，c、d节点的id号为7、9，则a节点的直接连接表第5位置1，间接连接表的第7、9位置1，其它位不变(连接表位号也从0开始计数)。最后将接收到的b节点两张连接表更新a节点本地存储的对应b节点的直接连接表和间接连接表。另外是为了确保连接表的有效性，需要定时清理无效的连接表，即每个连接表都有对应的监视及清零控制信号。当一定时间间隔内连接表未出现任何更新时，则将连接表清零，实现对连接表的维护功能。

4、当节点向目标节点发送数据时，以下分别以1跳、2跳、3跳以及4跳以上的情形分别介绍具体路由实现。

源节点与目标节点1跳：源节点查找自身的直接连接表，发现与目标节点存在直连接关系，则数据直接发送，无需中继节点。

源节点与目标节点2跳：源节点查找自身的直接连接表，未发现与目标节点存在直连关系，则查找自身的间接连接表。如果发现与目标节点存在间接连接关系，则数据需要通过中继1次发出，中继节点即为与源节点和目标节点同时直连的节点。

源节点与目标节点3跳：源节点查找自身的直接连接表和间接连接表，均未发现与目标节点存在连接关系，则查找与其直连节点的间接连接表。此时发现某些节点与目标节点存在间接连接关系，则数据需要通过中继2次发出，中继节点1即为与源节点直接连接以及和目标节点间接连接的节点。中继节点2为与中继节点1和目标节点同时直连的节点。在3跳这个过程中，源节点知道目的节点可以3跳完成，也知道中继节点1，但是不知道中继节点2，因此三跳路由实际上是分为两步进行，第一步源节点判断可以进行三跳中继，则启动路由，指定第一中继节点，信息传递到第一中继节点后再次进行二次中继，此时对第一中继节点来说相当于2跳，即查找自身的间接连接表来指定下次的中继节点。这样当两次中继结束后即完成了3跳路由。虽然在初始路由时源节点未能指定完整个路由的节点，但是实质上路由路径唯一，不存在广播寻址过程，没有额外的网络开销。

以图2为例，如果a节点想与e节点通信，它查找自身的直接连接表和间接连接表均未查找到e，然后查找与其直连的b节点的间接连接表，发现b节点于e节点间接连接，可以启动路由，指定中继节点1为b节点，信息传递到b节点后，b节点再次启动路由，指定d为中继节点2。

源节点与目标节点4跳及以上：本发明可以进行算法扩展以满足更高跳数需求。首先利用本地节点存储的自身连接表和其它节点连接表可以计算出本地节点的连接数量与其它节点(与本节点直连的节点)相比是不是局部最大，如果是最大，则自动成为局部簇头，否则作为普通节点。簇头主要担负4跳以上的中继服务。以图3为例，当b节点通过网络数据交换感知自身为局部连接最大时，自动成为簇头，当a节点向f节点启动路由失败后可以选择启动广播寻址，b节点作为簇头承担路由寻址任务，即a节点启动广播寻的后，如果b节点能够路由到f节点，则b节点反馈给a节点，并启动路由，否则由簇头b节点进行中继广播，这样可以避免了每个节点都进行广播寻址，尽可能的降低网络广播产生的额外开销。

5、为了保证路由的通信可靠性，在本发明的路由协议中还加入通信质量因子和逆路径反馈机制。其中通信质量因子由节点直连数量，节点信号场强、通信中断次数等参数加权计算得出。在2跳及以上路由中，如果路由路径不唯一，则通过通信质量因子选择最优路径。以图3为例，说明一下最优路径的选择，假设a节点想与d节点通信，它可以选择的路径有a-b-d和a-g-d，a节点可以对b、g节点的连接数量，a、b和a、g之间的通信质量进行权衡可以计算出两条链路的通信质量因子，质量因子大的路径为最优路径。在本例中，假设a、b和a、g之间的通信质量相当，那么由于b的连接数量较多，为了均衡节点负载，最优路径应选择a-g-d。反之，如果a、b通信质量好过a、g之间的通信质量，那么，最优路径应选择a-b-d。如果路由过程中继节点发现下一个节点通信中断，则启动逆路径反馈机制向原节点反馈中继失败信息，重新选择新的路由路径。

本发明是依据无线数据链的自身特点以及路由需求所提出。应用在一个具有32个节点的无线数据链系统上，支持3跳通信功能，也支持4跳以上的扩展功能。每个节点无需存储整个网络路由表，只需要建立、维护和定时发送两个32bit连接表即可。当节点需要进行通信的时只要目标节点在三跳之内也不需要进行路由广播寻址，直接建立优化的路由路径进行通信，没有额外的网络开销和数据延时。由于在无线数据链的节点相对较少，通常通信范围在3跳之内，所以本发明可以极好的应用在无线数据链系统下。

需要说明的是，本发明虽然应用于一个32节点的网络中，但不仅限于该数量节点的网络，节点数量与连接表的位宽相对应，应用于不同节点数量的网络时，仅修改所有连接表的位宽即可。如果节点数量过于庞大，可以将整个网络划分成几个子网，每个子网指定或竞争出簇头，采用网络级联模式，即每个子网的簇头作为整网各自独立的节点，整网和子网内部分别应用本路由算法即可。

本发明的适用于无线通信网络的路由方法既降低平时路由信息占用的网络开销，多节点同时通信(在3跳内)时又不会产生而外的寻址开销，维持无线通信网络平稳运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。