一种适用于城轨自组网的路由方法

本发明涉及轨道交通，具体涉及一种适用于城轨自组网的路由方法。

背景技术：

1、当前，基于车车通信的列车自主运行系统(train autonomous circumambulatesystem,tacs)成为了下一代城市轨道交通的重要发展方向，不同于传统的以地面设备为核心的控车方式，tacs以智能车载控制器为核心，将实现列车自主安全运行控制，进一步提升运营效率和可靠性，同时也对车车、车地等无线通信网络提出了高实时、高带宽、高可靠的通信需求。

2、近年来，自组织网络作为一种新型的网络通信技术迅速发展，它是一种去中心式的网络，在车联网、卫星通信等领域均已有广泛应用。路由协议的功能主要在网络层实现，任何一种网络要发送数据，都需要路由的支持。在城轨自组网中，由于列车的高移动性以及无线信道的衰耗、干扰等问题，其路由问题与有基础设施网络相比要复杂得多。

3、现有的路由方法根据路由获取的时机可以分为主动路由协议和按需路由协议。但这两种协议存在以下缺点：(1)时延大。在按需路由协议中，当源节点有通信需求时，若没有到达目的节点的路由，则需要进行路由搜索、创建过程，数据的发送会因为路由的创建而被迫延迟。(2)不适用于高速移动场景。现有的路由协议运用于城市轨道交通中，由于列车的高速移动，会导致拓扑结构快速变化。这就需要频繁的泛洪以保持路由的实时性，会造成大量的开销信息，造成带宽资源的浪费。(3)不适用于大规模网络。由于路由开销信息大，当网络规模达到一定程度时，路由维护的控制信息会占用大量的带宽资源，不利于网络服务区域的扩展。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种适用于城轨自组网的路由方法，用于解决以上问题。

2、本发明的技术方案是：一种适用于城轨自组网的路由方法，包括

3、步骤s1，路由发现；

4、步骤s2，静态路由配置；

5、步骤s3，动态路由选择。

6、优选地，步骤s1中，具体包括：

7、s11，区分路由发现的两种情况：

8、情况1：节点在上一个通信周期监听到邻居的活动，则认为邻居状态正常；

9、情况2：节点在上一个周期没有监听到邻居的活动，则生成ask数据包询问邻居状态，收到re数据包则认为邻居状态正常，否则标识为异常；

10、s12，每个轨旁中继节点在完成路由发现后将自身信息和邻居状态信息上报簇头节点。

11、优选地，步骤s2中，具体包括：

12、s21，簇头节点在收集到所有轨旁中继节点上报的信息后，进行静态路由计算，生成全局路由表；

13、s22，簇头节点将全局路由表发送给上行方向和下行方向最近的轨旁中继节点，轨旁中继节点收到后按序向下传输，确保所有的轨旁中继节点均被通知；

14、s23，轨旁中继节点接收到全局路由表后将包含自身节点的路由条目重新整理，生成本地路由表。

15、优选地，s21中静态路由的计算方法具体包括：

16、s211，规定静态路径的选择节点之间不相交；

17、s212，信息发送到目的地列车之前，对下一个跳节点的距离进行位置约束，使之更接近目的列车；位置约束如下式所示：

18、

19、其中，和分别表示下一跳节点的位置和当前节点的位置，xch表示簇头节点的位置，ld表示目的列车的位置；

20、s213，规定相邻剖面之间节点的发送顺序，定义两个相邻剖面上的轨旁中继节点的干扰约束如下式：

21、

22、其中，π(vxi，v(x+1)j)＝1表示前一个剖面的转发活动都已完成；πa(v(x-1)i，vxj)＝0，表示当前剖面的节点可以转发到下一个跳点，vx表示水平坐标为x的剖面上的轨旁中继节点集合；

23、s214，对同一剖面上的发送优先级进行约束，优先级约束如下：

24、

25、其中，表示水平坐标为x的剖面上节点的发送优先级排序，pn表示第n个轨旁节点的发送顺序。

26、优选地，步骤s3中，具体包括：

27、s31，在列车到来前，簇头节点通过跨簇通信的方式，提前将配置好的静态路径集发送给列车；

28、s32，列车根据自身状态信息及静态路径集动态选择完整路径。

29、优选地，步骤s32中动态选择完整路径具体包括：

30、s321，计算链路生存时间：

31、

32、其中，x表示从列车到轨旁中继节点的水平距离，h表示轨旁中继节点距离地面的高度，r表示节点的通信半径；设定满足通信要求的最小接收功率为pr，如果接收功率小于pr，则认为链路死亡；设定火车的速度是v。

33、s322，计算多径平均时延：首先计算信噪比，信噪比为接收方接收到的信号与噪声的比值。再根据香农公式计算信道容量，信道容量的计算公式如公式(5)所示；进而计算单跳时延，单跳时延主要由处理时延和发送时延构成，如公式(6)所示；在单跳时延的基础上，计算单路径时延如公式(7)所示；最终得到多径平均时延，计算公式如公式(8)所示。

34、

35、

36、

37、

38、公式(5)中，rt为信道容量；

39、表示接收到的信号功率，ps表示发射功率，d表示发送方与接收方之间的距离；k是和发送增益、接收增益有关的常数值；

40、表示干扰功率，为数据发送节点干扰范围内其他节点的通信所引起的干扰之和，fset表示节点干扰范围内的节点集，tset表示t时刻同时传输的节点集，表示第i个干扰节点的传输功率，di表示干扰节点的距离；

41、n表示环境噪声；

42、在节点之间通信时，信噪比越小越好；

43、公式(6)中，为干扰存在的情况下节点之间的单跳时延；表示节点的处理时延；l表示数据包的长度；

44、公式(7)中，为单路径时延；

45、公式(8)中，tavr为多径传输平均时延；pathset表示路径集合；n表示路径数量；

46、s323，采用强化学习方法动态选择路由：采用q-learning强化学习，列车作为智能体的学习目标是找到每个状态对应的最优策略π*，从而使总折现期望收益最大化。

47、优选地，步骤s323中强化学习方法具体包括：

48、(1)将路由选择问题建模为三元组<s,a,r>，列车的动作a是选择列车传输范围内的轨旁中继节点来发送数据包；状态空间s包括列车的位置、速度和静态路径集；奖励r由链路生存时间和多径平均时延构成，具体公式如下：

49、rt＝ω1tavr+ω2lt  (9)

50、其中，tavr表示多径平均时延，由公式(8)给出，lt表示链路生存时间，计算公式如(4)所示。

51、(2)对于每个状态s和动作a，将q(s,a)初始化为0,并生成q表，q表存储了在每个状态下采取相应的动作对应的q值。

52、(3)列车根据q表选择要发送的下一个跳点节点。

53、(4)列车得到一个奖励rt，并观测一个新的状态s′。

54、(5)通过q值更新公式(10)更新q表。

55、

56、其中，(1-α)q(st，at)表示当前q值。α(rt)表示在st采取at行动所获得的奖励。最后一部分表示从状态s′中可以获得的最大奖励。

57、(6)将新状态s′设置为当前状态。

58、(7)返回步骤(2)。

59、本发明的有益效果在于：

60、1、本发明解决了列车高速运行下的路由选择问题。本发明通过将列车位置和速度信息考虑进路由决策中，提前预估链路生存时间和通信时延，使列车可以选择更加稳定的路径进行信息传输。因此，在列车高速运行下，由于列车的动态决策，可以实时更换路径，选取最优路径完成信息传输。

61、2、本发明实现了车车之间低时延数据传输。本发明在优化时延时考虑了多路径并发传输造成的干扰，并利用强化学习方法选择时延最小的路径组合，满足了城市轨道交通对时延的要求。

62、3、本发明解决了传输可靠性问题。在本发明中，列车选择第一跳轨旁中继节点时会同时选择多个，而每个轨旁接入点均有到目的节点的路由，从而实现多路径并发传输，有效的保障了可靠性；此外，簇头周期性的监听簇内节点的状态，有效避免了由于节点状态异常造成的传输失败问题。