工業(yè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明主要提供了工業(yè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Wireless Mesh Networks，WMN)中的新的路由方法。本發(fā)明公開的路由方法是，在工業(yè)用長(zhǎng)距離的無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的回避隱終端干擾和暴露終端干擾的路由技術(shù)及路由設(shè)備。本發(fā)明通過新的路由方法精確計(jì)算了無線鏈路的信號(hào)質(zhì)量，回避了工業(yè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的隱終端干擾，提高了無線網(wǎng)狀網(wǎng)的吞吐量。同時(shí)通過新的路由方法有效地回避了暴露終端的干擾，降低了無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的時(shí)間延遲。
【專利說明】
工業(yè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要涉及工業(yè)用無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Networks，WMN)中的路由技 術(shù)，具體是在工業(yè)無線骨干網(wǎng)中的避免隱終端干擾和暴露終端的干擾的路由技術(shù)及路由設(shè) 備。
【背景技術(shù)】
[0002] WMN是一種多跳分布式的無線網(wǎng)絡(luò)。WMN作為一個(gè)新型的無線網(wǎng)絡(luò)其于傳統(tǒng)蜂窩 網(wǎng)絡(luò)炯然不同，其具有自組性和良好的擴(kuò)展性，特別是安裝的靈活性和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性 上優(yōu)勢(shì)更加明顯，非常適合應(yīng)用于港口，大型工廠，礦井等場(chǎng)所的無線覆蓋等各種無線寬帶 局域網(wǎng)。
[0003] 傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN)因無線覆蓋的盲點(diǎn)多，各個(gè)無線基站（Access Point， AP)之間產(chǎn)生信道干擾，無法滿足大型工業(yè)無線局域網(wǎng)高覆蓋的需求。工業(yè)無線局域網(wǎng)為了 傳輸高清視頻，Voip等大量數(shù)據(jù)其要求高帶寬，可靠的骨干網(wǎng)的同時(shí)，也為了實(shí)時(shí)地傳輸傳 感器的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序要求也提出了很高的要求。
[0004] 相比之下，近年來，隨著工業(yè)4. 0為核心的短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的日趨發(fā)展， WMN高帶寬的特點(diǎn)為由，WMN作為工業(yè)無線局域網(wǎng)里的骨干網(wǎng)備受注目。
[0005] 在WMN中各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間鏈路的無線信道特性會(huì)隨時(shí)變化，而且有效的無線通 信范圍也通常很難預(yù)知，因此WMN的路由方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能起到了決定性作用。
[0006] 現(xiàn)有的路由方法大部分其路由步驟分為以下兩個(gè)步驟，其一；確定鏈路質(zhì)量（Link Quality，LQ)和路徑的成本（Path Cost)，其二為更新最佳路徑以及無線信道的同步。
[0007] 然而，現(xiàn)有的無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由方法大部分基于MAC層的基本信號(hào)參數(shù)為鏈路質(zhì) 量，而無法精確地評(píng)估無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的鏈路質(zhì)量，導(dǎo)致了路由不穩(wěn)定，無線干擾沖擊大的問 題。在以上兩個(gè)步驟當(dāng)中第一步驟尤為重要，如果路徑的成本計(jì)算有誤，則選擇的路由表不 能得到最優(yōu)化。第一步驟當(dāng)中路徑的成本為端到端的各個(gè)無線鏈路成本的有效組合，由此 看出如何精確地計(jì)算無線鏈路成本的問題是，不僅涉及到計(jì)算整個(gè)路徑成本的問題，也是 選擇路由的最為核心的問題。
[0008] 另一方面現(xiàn)有的無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由設(shè)備沒有考慮各個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由設(shè)備之間 的系統(tǒng)時(shí)間的同步問題。帶有時(shí)間戳的傳感器數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由設(shè)備以后，因各 設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)間沒有同步，無法保證傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)序性，導(dǎo)致了無法實(shí)時(shí)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的 問題。
[0009] 現(xiàn)有的無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由方法當(dāng)中計(jì)算無線鏈路質(zhì)量方法主要有以下兩種。下面 分別說明。數(shù)據(jù)預(yù)期傳輸次數(shù)（Expected Transmission Count，ETX)是現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中比較 常用的計(jì)算無線鏈路質(zhì)量的方法。距離為D的兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間的ETX的計(jì)算方法為ETX =V(DfXDr)〇
[0010] ETX是在一個(gè)無線鏈路上為了發(fā)送數(shù)據(jù)，可預(yù)期的數(shù)據(jù)重傳次數(shù)的評(píng)估指標(biāo)。Df是 正方向的數(shù)據(jù)傳輸成功率，隊(duì)是反方向的數(shù)據(jù)傳輸成功率。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)A和B之間， 如果節(jié)點(diǎn)A在10秒鐘內(nèi)成功地從節(jié)點(diǎn)B收到7個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)包，則Df是0. 7。相反，如果節(jié) 點(diǎn)B在10秒鐘內(nèi)成功地從節(jié)點(diǎn)A收到6個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)包，則隊(duì)是0. 6。所以，從節(jié)點(diǎn)A發(fā)送 單個(gè)數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)B時(shí)的傳輸成功率為（1-0. 3) X (1-0. 4) = 0. 42。如果數(shù)據(jù)傳輸因收不 到ACK失敗，則節(jié)點(diǎn)A根據(jù)IEEE 802. 11協(xié)議中的MAC層的規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。如果從節(jié) 點(diǎn)A發(fā)送到節(jié)點(diǎn)B，還是節(jié)點(diǎn)B發(fā)送到節(jié)點(diǎn)A雙方向的數(shù)據(jù)都沒有進(jìn)行重傳的前提下傳輸成 功，則數(shù)據(jù)丟包率為0。從此看出如果，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的數(shù)據(jù)預(yù)期傳輸次數(shù)為1/0. 42 =2. 3。路徑成本為端到端的各個(gè)無線鏈路成本的有效組合，即各個(gè)無線鏈路的數(shù)據(jù)預(yù)期傳 輸次數(shù)的合為路徑的路由成本。
[0011] 然而，ETX無法評(píng)估無線鏈路的速率，忽略無線鏈路的速率的情況下，片面地評(píng)估 了無線鏈路的傳輸成功率。如圖1所示，每一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)無線模塊NIC(network interface cards，NICs)，每一個(gè)無線模塊工作在802. 11a或802. lib。這種情況下ETX因 忽略無線速率，優(yōu)先選擇速率低，但ETX低的無線鏈路。圖1中有節(jié)點(diǎn)A和B之間有兩個(gè)無 線路徑。路徑一為以點(diǎn)線表示的低速率的802. lib的無線鏈路，路徑2為以兩個(gè)802. 11a 無線鏈路組成的高速率的無線路徑。顯然路徑2雖然以兩跳組成，但是因每個(gè)無線鏈路的 速率高，對(duì)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線媒介的占用時(shí)間短，是最佳路徑。
[0012] 然而，ETX誤判路徑1為最佳路徑。顯然ETX不能準(zhǔn)確地反映無線網(wǎng)狀網(wǎng)的無線 鏈路的信號(hào)質(zhì)量，導(dǎo)致通過ETX選擇的無線路徑成本高，無線干擾高。使用ETX的無線鏈路 的評(píng)估方法有以下連個(gè)缺點(diǎn)。 其一；一個(gè)路徑內(nèi)不同的無線鏈路使用同一個(gè)無線信道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生隱終端干擾，ETX的 方法沒有考慮隱終端干擾。其二，不同的路徑的無線鏈路如果使用同一個(gè)無線信道，會(huì)產(chǎn)生 暴露終端的問題，ETX沒有考慮暴露終端的干擾。 以下結(jié)合圖2詳細(xì)說明隱終端干擾和暴露終端干擾對(duì)無線鏈路的影響。我們通過實(shí)際 實(shí)驗(yàn)證明了在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中隱終端干擾是對(duì)路由影響最為嚴(yán)重的干擾，其次是暴露終端干 擾。圖2中所示，無線節(jié)點(diǎn)可以與無線節(jié)點(diǎn)1和無線節(jié)點(diǎn)3通信，但是無線節(jié)點(diǎn)1和無線節(jié) 點(diǎn)3之間不能直接通信。無線節(jié)點(diǎn)2無法監(jiān)聽無線節(jié)點(diǎn)1的信號(hào)。所以無線節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù) 據(jù)給無線節(jié)點(diǎn)2時(shí)，如果無線節(jié)點(diǎn)3也同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給無線節(jié)點(diǎn)2,無線節(jié)點(diǎn)2的接受信號(hào) 發(fā)生沖突，說明無線節(jié)點(diǎn)3對(duì)無線節(jié)點(diǎn)1是隱終端節(jié)點(diǎn)。對(duì)無線節(jié)點(diǎn)1到無線節(jié)點(diǎn)2的無 線鏈路，無線節(jié)點(diǎn)3的隱終端干擾時(shí)影響最嚴(yán)重的干擾。
[0013] 圖3所示，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2是位置固定的無線鏈路，節(jié)點(diǎn)3和4的無線鏈路是一次 以l〇m的距離靠近節(jié)點(diǎn)2的干擾鏈路。無線節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)給1的同時(shí)，如果無線節(jié)點(diǎn)3 也發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)4,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)2受到隱終端干擾的影響，其FOR (Packet Delivery Ratio) 將急劇下降。
[0014] 如圖4所示，當(dāng)兩個(gè)無線鏈路之間的距離小于100m的時(shí)候，兩個(gè)無線鏈路之間的 干擾不是很大，因?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)2和接收節(jié)點(diǎn)2都可以監(jiān)聽到無線節(jié)點(diǎn)3,所以不會(huì)產(chǎn)生隱終 端干擾，反而兩個(gè)無線鏈路的距離超過120m時(shí)PDR急劇下降，原因是節(jié)點(diǎn)2可以監(jiān)聽節(jié)點(diǎn) 4,但不能監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)3,結(jié)果在節(jié)點(diǎn)1導(dǎo)致了無線信號(hào)的沖突。無線信號(hào)沖突的原因是節(jié)點(diǎn)2 無法監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)3,節(jié)點(diǎn)2和一之間的無線鏈路嚴(yán)重受到來自節(jié)點(diǎn)3的隱終端干擾。 所以在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中隱終端干擾是路由技術(shù)當(dāng)中需要解決的最關(guān)鍵的問題。
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的暴露終端的干擾也沒有進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。如圖5 所示，無線節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)給無線節(jié)點(diǎn)2,同時(shí)無線節(jié)點(diǎn)3發(fā)送數(shù)據(jù)給無線節(jié)點(diǎn)4。當(dāng)無線 節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)之前監(jiān)聽某一個(gè)信道的無線媒介是否被其他無線設(shè)備所占用。如果無線媒 介已經(jīng)被其他無線節(jié)點(diǎn)所占用，貝>J等一個(gè)DIFS (Distributed Inter Frame Space)的時(shí)間， 結(jié)果導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2的數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)間的延遲后果。
[0016] 如圖6所示，當(dāng)兩個(gè)無線鏈路的距離小于370m的時(shí)候時(shí)間延遲沒有很大的變化， 其原因?yàn)闊o線節(jié)點(diǎn)1和無線節(jié)點(diǎn)2能監(jiān)聽到無線節(jié)點(diǎn)3的信號(hào)，所以沒有發(fā)生很大的時(shí)間 延遲。反而370m到460m之間，時(shí)間延遲突然上升，其原因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間的無線鏈 路，被受到節(jié)點(diǎn)3的暴露終端的干擾。因此，暴露終端的干擾是直接影響無線網(wǎng)狀網(wǎng)的時(shí)間 延遲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的主要目的之一為了解決無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的隱終端干擾，提出一種有效的回 避隱終端干擾和暴露終端干擾的的路由方法。
[0017] 本發(fā)明實(shí)施列的目的之一是，一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由設(shè)備，該路由設(shè)備包括配置 無線信道的模塊，計(jì)算隱終端干擾和暴露終端干擾的模塊。
[0018] WMN中因?yàn)槎鄠€(gè)無線節(jié)點(diǎn)布置在互相無法監(jiān)聽的范圍內(nèi)，所以隱終端干擾是非常 嚴(yán)重的問題。本設(shè)計(jì)中用以下的算法精確地計(jì)算了每一個(gè)Link的隱終端干擾。如圖7所 示，節(jié)點(diǎn)1能監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)4,但是節(jié)點(diǎn)1監(jiān)聽不了節(jié)點(diǎn)3和5,因此節(jié)點(diǎn)3和5是對(duì)于節(jié)點(diǎn)1來 說，是隱終端。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)2時(shí)，無線媒介被占有，其干擾值為ETt。同一個(gè) 時(shí)間如果節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)5發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)1的話，無線媒介也被占有，其干擾值為Σ ETT,， ETT的計(jì)算方法為￡77 二ETX X S是發(fā)送包的大?。˙yte位單位），B是數(shù) 據(jù)傳送率。ETX的計(jì)算方法為ETX= lADfXDj。Df是發(fā)送端到接收端的收包成功比例，D^ 是從接收端統(tǒng)計(jì)的收包成功比例。隱終端干擾的計(jì)算方法為
[0019] 如圖8所示，節(jié)點(diǎn)1想發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)如果監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)3或節(jié)點(diǎn)5的信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)1 等待一段時(shí)間以后在試圖發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生一定的延遲，因?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)3和5 受到了暴漏終端的干擾。在本發(fā)明中不僅考慮了隱終端的干擾，同時(shí)也如下計(jì)算了暴漏終 端的干擾
最終我們把隱終端干擾和暴漏終端的干擾計(jì)算，并根據(jù)干擾的大小選擇了最優(yōu)路徑。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施的附圖9,對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案清楚，完整地描述。本發(fā)明 實(shí)施的無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器具有三個(gè)無線模塊NIC，其中兩個(gè)NIC為路由轉(zhuǎn)發(fā)用，其中一個(gè) NIC為AP用。本發(fā)明實(shí)時(shí)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器，其具有收集所有無線鏈路的信號(hào)質(zhì)量的信 息，以及自動(dòng)判斷隱終端干擾和暴露終端干擾的模塊。如圖5所示，長(zhǎng)5公里，寬5公里的 開闊的空間布置25個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器。布置的過程中不必要人為地調(diào)查無線信號(hào)的干 擾，以及設(shè)計(jì)無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器的安裝位置。25個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器中一個(gè)是起網(wǎng)關(guān)的作 用。其他24個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器的AP模塊可以無線覆蓋，同時(shí)視頻攝像頭以及無線傳感 器的采集模塊通過AP或以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)。因?yàn)殡S機(jī)性地布置無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器，無 線鏈路之間互相發(fā)生干擾。
[0021] 如圖9所示，無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器1下的終端設(shè)備和無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器3下的終端 設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，傳統(tǒng)的無線路由方式嚴(yán)重受隱終端干擾，降低無線鏈路的通信質(zhì)量。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施的無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由設(shè)備通過本發(fā)明提出的新的路由方法有效地回避 了隱終端干擾。如圖9所示，無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器3發(fā)送數(shù)據(jù)給2的同時(shí)，無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器 8發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)，傳統(tǒng)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由方法會(huì)導(dǎo)致暴露終端的干擾，發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)难?遲。然而通過本發(fā)明提出的回避暴露終端干擾的無線路由方法，本發(fā)明實(shí)施的無線網(wǎng)狀網(wǎng) 路由設(shè)備有效地回避了暴露終端的干擾，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種精確計(jì)算隱終端干擾的方法，其特征在于，包括如下步驟： A :節(jié)點(diǎn)1能監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)4,但是節(jié)點(diǎn)1監(jiān)聽不了節(jié)點(diǎn)3和5,因此節(jié)點(diǎn)3和5是對(duì)于節(jié)點(diǎn) 1來說，是隱終端。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)2時(shí)，無線媒介被占有，其干擾值為ETTp B :同一個(gè)時(shí)間如果節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)5發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)1的時(shí)，無線媒介也被占有，其干 擾值為Σ ETT113是發(fā)送包的大?。˙yte位單位），B是數(shù) 據(jù)傳送率。ETX的計(jì)算方法為ETX = IADf XD1O。Df是發(fā)送端到接收端的收包成 功比例，隊(duì)是從接收端統(tǒng)計(jì)的收包成功比例。最終把隱終端干擾的計(jì)算方法為3. 節(jié)點(diǎn)1想發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)如果監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)3或節(jié)點(diǎn)5的信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)1等待一段時(shí) 間以后在試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生一定的延遲，因?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)3和5受到了 暴漏終端的干擾。本發(fā)明不僅考慮了隱終端的干擾，同時(shí)也如下計(jì)算了暴漏終端的干擾。4. 最終我們把隱終端和暴漏終端的干擾計(jì)算，并根據(jù)干擾的大小選擇了最優(yōu)路徑。 O彡α彡L
【文檔編號(hào)】H04W40/16GK105898819SQ201510221214
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年5月5日
【發(fā)明人】金壽光
【申請(qǐng)人】北京月星通科技有限責(zé)任公司