工业无线网状网的路由方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明主要提供了工业无线网状网(Wireless Mesh Networks，WMN)中的新的路由方法。本发明公开的路由方法是，在工业用长距离的无线网状网中的回避隐终端干扰和暴露终端干扰的路由技术及路由设备。本发明通过新的路由方法精确计算了无线链路的信号质量，回避了工业无线网状网中的隐终端干扰，提高了无线网状网的吞吐量。同时通过新的路由方法有效地回避了暴露终端的干扰，降低了无线网状网中的时间延迟。
【专利说明】
工业无线网状网的路由方法及装置
技术领域
[0001] 本发明主要涉及工业用无线网状网（Wireless Mesh Networks，WMN)中的路由技 术，具体是在工业无线骨干网中的避免隐终端干扰和暴露终端的干扰的路由技术及路由设 备。
【背景技术】
[0002] WMN是一种多跳分布式的无线网络。WMN作为一个新型的无线网络其于传统蜂窝 网络炯然不同，其具有自组性和良好的扩展性，特别是安装的灵活性和复杂环境的适应性 上优势更加明显，非常适合应用于港口，大型工厂，矿井等场所的无线覆盖等各种无线宽带 局域网。
[0003] 传统的无线局域网（WLAN)因无线覆盖的盲点多，各个无线基站（Access Point， AP)之间产生信道干扰，无法满足大型工业无线局域网高覆盖的需求。工业无线局域网为了 传输高清视频，Voip等大量数据其要求高带宽，可靠的骨干网的同时，也为了实时地传输传 感器的数据，对数据传输的时序要求也提出了很高的要求。
[0004] 相比之下，近年来，随着工业4. 0为核心的短距离无线传感器网络的日趋发展， WMN高带宽的特点为由，WMN作为工业无线局域网里的骨干网备受注目。
[0005] 在WMN中各个无线节点之间链路的无线信道特性会随时变化，而且有效的无线通 信范围也通常很难预知，因此WMN的路由方法对网络的性能起到了决定性作用。
[0006] 现有的路由方法大部分其路由步骤分为以下两个步骤，其一；确定链路质量（Link Quality，LQ)和路径的成本（Path Cost)，其二为更新最佳路径以及无线信道的同步。
[0007] 然而，现有的无线网状网的路由方法大部分基于MAC层的基本信号参数为链路质 量，而无法精确地评估无线网状网中的链路质量，导致了路由不稳定，无线干扰冲击大的问 题。在以上两个步骤当中第一步骤尤为重要，如果路径的成本计算有误，则选择的路由表不 能得到最优化。第一步骤当中路径的成本为端到端的各个无线链路成本的有效组合，由此 看出如何精确地计算无线链路成本的问题是，不仅涉及到计算整个路径成本的问题，也是 选择路由的最为核心的问题。
[0008] 另一方面现有的无线网状网的路由设备没有考虑各个无线网状网路由设备之间 的系统时间的同步问题。带有时间戳的传感器数据包通过无线网状网路由设备以后，因各 设备的系统时间没有同步，无法保证传感器数据的时序性，导致了无法实时地监控数据的 问题。
[0009] 现有的无线网状网的路由方法当中计算无线链路质量方法主要有以下两种。下面 分别说明。数据预期传输次数（Expected Transmission Count，ETX)是现有技术当中比较 常用的计算无线链路质量的方法。距离为D的两个无线节点之间的ETX的计算方法为ETX =V(DfXDr)〇
[0010] ETX是在一个无线链路上为了发送数据，可预期的数据重传次数的评估指标。Df是 正方向的数据传输成功率，队是反方向的数据传输成功率。如图1所示，节点A和B之间， 如果节点A在10秒钟内成功地从节点B收到7个探测数据包，则Df是0. 7。相反，如果节 点B在10秒钟内成功地从节点A收到6个探测数据包，则队是0. 6。所以，从节点A发送 单个数据包给节点B时的传输成功率为（1-0. 3) X (1-0. 4) = 0. 42。如果数据传输因收不 到ACK失败，则节点A根据IEEE 802. 11协议中的MAC层的规定进行数据重传。如果从节 点A发送到节点B，还是节点B发送到节点A双方向的数据都没有进行重传的前提下传输成 功，则数据丢包率为0。从此看出如果，节点A和节点B之间的数据预期传输次数为1/0. 42 =2. 3。路径成本为端到端的各个无线链路成本的有效组合，即各个无线链路的数据预期传 输次数的合为路径的路由成本。
[0011] 然而，ETX无法评估无线链路的速率，忽略无线链路的速率的情况下，片面地评估 了无线链路的传输成功率。如图1所示，每一个无线节点具有两个无线模块NIC(network interface cards，NICs)，每一个无线模块工作在802. 11a或802. lib。这种情况下ETX因 忽略无线速率，优先选择速率低，但ETX低的无线链路。图1中有节点A和B之间有两个无 线路径。路径一为以点线表示的低速率的802. lib的无线链路，路径2为以两个802. 11a 无线链路组成的高速率的无线路径。显然路径2虽然以两跳组成，但是因每个无线链路的 速率高，对整个无线网络的无线媒介的占用时间短，是最佳路径。
[0012] 然而，ETX误判路径1为最佳路径。显然ETX不能准确地反映无线网状网的无线 链路的信号质量，导致通过ETX选择的无线路径成本高，无线干扰高。使用ETX的无线链路 的评估方法有以下连个缺点。 其一；一个路径内不同的无线链路使用同一个无线信道时，会产生隐终端干扰，ETX的 方法没有考虑隐终端干扰。其二，不同的路径的无线链路如果使用同一个无线信道，会产生 暴露终端的问题，ETX没有考虑暴露终端的干扰。 以下结合图2详细说明隐终端干扰和暴露终端干扰对无线链路的影响。我们通过实际 实验证明了在无线网状网中隐终端干扰是对路由影响最为严重的干扰，其次是暴露终端干 扰。图2中所示，无线节点可以与无线节点1和无线节点3通信，但是无线节点1和无线节 点3之间不能直接通信。无线节点2无法监听无线节点1的信号。所以无线节点1发送数 据给无线节点2时，如果无线节点3也同时发送数据给无线节点2,无线节点2的接受信号 发生冲突，说明无线节点3对无线节点1是隐终端节点。对无线节点1到无线节点2的无 线链路，无线节点3的隐终端干扰时影响最严重的干扰。
[0013] 图3所示，节点1和节点2是位置固定的无线链路，节点3和4的无线链路是一次 以l〇m的距离靠近节点2的干扰链路。无线节点2发送数据给1的同时，如果无线节点3 也发送数据给节点4,因为节点2受到隐终端干扰的影响，其FOR (Packet Delivery Ratio) 将急剧下降。
[0014] 如图4所示，当两个无线链路之间的距离小于100m的时候，两个无线链路之间的 干扰不是很大，因为发送节点2和接收节点2都可以监听到无线节点3,所以不会产生隐终 端干扰，反而两个无线链路的距离超过120m时PDR急剧下降，原因是节点2可以监听节点 4,但不能监听节点3,结果在节点1导致了无线信号的冲突。无线信号冲突的原因是节点2 无法监听到节点3,节点2和一之间的无线链路严重受到来自节点3的隐终端干扰。 所以在无线网状网中隐终端干扰是路由技术当中需要解决的最关键的问题。
[0015] 现有技术中针对无线网状网中的暴露终端的干扰也没有进行准确的评估。如图5 所示，无线节点1发送数据给无线节点2,同时无线节点3发送数据给无线节点4。当无线 节点1发送数据之前监听某一个信道的无线媒介是否被其他无线设备所占用。如果无线媒 介已经被其他无线节点所占用，贝>J等一个DIFS (Distributed Inter Frame Space)的时间， 结果导致了节点1到节点2的数据发生时间的延迟后果。
[0016] 如图6所示，当两个无线链路的距离小于370m的时候时间延迟没有很大的变化， 其原因为无线节点1和无线节点2能监听到无线节点3的信号，所以没有发生很大的时间 延迟。反而370m到460m之间，时间延迟突然上升，其原因为节点1和节点2之间的无线链 路，被受到节点3的暴露终端的干扰。因此，暴露终端的干扰是直接影响无线网状网的时间 延迟。
【发明内容】
[0016] 本发明的主要目的之一为了解决无线网状网中的隐终端干扰，提出一种有效的回 避隐终端干扰和暴露终端干扰的的路由方法。
[0017] 本发明实施列的目的之一是，一种无线网状网的路由设备，该路由设备包括配置 无线信道的模块，计算隐终端干扰和暴露终端干扰的模块。
[0018] WMN中因为多个无线节点布置在互相无法监听的范围内，所以隐终端干扰是非常 严重的问题。本设计中用以下的算法精确地计算了每一个Link的隐终端干扰。如图7所 示，节点1能监听节点4,但是节点1监听不了节点3和5,因此节点3和5是对于节点1来 说，是隐终端。当节点1发送数据包给节点2时，无线媒介被占有，其干扰值为ETt。同一个 时间如果节点3和节点5发送数据包给节点1的话，无线媒介也被占有，其干扰值为Σ ETT,， ETT的计算方法为￡77 二ETX X S是发送包的大小（Byte位单位），B是数 据传送率。ETX的计算方法为ETX= lADfXDj。Df是发送端到接收端的收包成功比例，D^ 是从接收端统计的收包成功比例。隐终端干扰的计算方法为
[0019] 如图8所示，节点1想发送数据包时如果监听到节点3或节点5的信号，则节点1 等待一段时间以后在试图发送数据。节点1的数据包产生一定的延迟，因为从节点3和5 受到了暴漏终端的干扰。在本发明中不仅考虑了隐终端的干扰，同时也如下计算了暴漏终 端的干扰
最终我们把隐终端干扰和暴漏终端的干扰计算，并根据干扰的大小选择了最优路径。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合本发明实施的附图9,对本发明的技术方案清楚，完整地描述。本发明 实施的无线网状网路由器具有三个无线模块NIC，其中两个NIC为路由转发用，其中一个 NIC为AP用。本发明实时的无线网状网路由器，其具有收集所有无线链路的信号质量的信 息，以及自动判断隐终端干扰和暴露终端干扰的模块。如图5所示，长5公里，宽5公里的 开阔的空间布置25个无线网状网路由器。布置的过程中不必要人为地调查无线信号的干 扰，以及设计无线网状网路由器的安装位置。25个无线网状网路由器中一个是起网关的作 用。其他24个无线网状网路由器的AP模块可以无线覆盖，同时视频摄像头以及无线传感 器的采集模块通过AP或以太网发送数据到网关。因为随机性地布置无线网状网路由器，无 线链路之间互相发生干扰。
[0021] 如图9所示，无线网状网路由器1下的终端设备和无线网状网路由器3下的终端 设备进行通信时，传统的无线路由方式严重受隐终端干扰，降低无线链路的通信质量。
[0022] 本发明实施的无线网状网路由设备通过本发明提出的新的路由方法有效地回避 了隐终端干扰。如图9所示，无线网状网路由器3发送数据给2的同时，无线网状网路由器 8发送数据给网关，传统的无线网状网路由方法会导致暴露终端的干扰，发生数据传输的延 迟。然而通过本发明提出的回避暴露终端干扰的无线路由方法，本发明实施的无线网状网 路由设备有效地回避了暴露终端的干扰，减少了数据传输的时间延迟。
【主权项】
1. 一种精确计算隐终端干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤： A :节点1能监听节点4,但是节点1监听不了节点3和5,因此节点3和5是对于节点 1来说，是隐终端。当节点1发送数据包给节点2时，无线媒介被占有，其干扰值为ETTp B :同一个时间如果节点3和节点5发送数据包给节点1的时，无线媒介也被占有，其干 扰值为Σ ETT113是发送包的大小（Byte位单位），B是数 据传送率。ETX的计算方法为ETX = IADf XD1O。Df是发送端到接收端的收包成 功比例，队是从接收端统计的收包成功比例。最终把隐终端干扰的计算方法为3. 节点1想发送数据包时如果监听到节点3或节点5的信号，则节点1等待一段时 间以后在试图发送数据，导致节点1的数据包产生一定的延迟，因为从节点3和5受到了 暴漏终端的干扰。本发明不仅考虑了隐终端的干扰，同时也如下计算了暴漏终端的干扰。4. 最终我们把隐终端和暴漏终端的干扰计算，并根据干扰的大小选择了最优路径。 O彡α彡L
【文档编号】H04W40/16GK105898819SQ201510221214
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年5月5日
【发明人】金寿光
【申请人】北京月星通科技有限责任公司