一种无线mesh网络中的路由算法

一种无线mesh网络中的路由算法

摘要：无线Mesh网络由于其结构灵活，健壮性等特点已被广泛应用。传统的ad hoc路由协议已不再能满足其应用特点，需要寻找一个效率更高、更加可靠的路由协议。提出了一种基于按需路由协议设计思想下的新型路由协议，通过仿真证明其在链路传输效率和端到端

时延都有明显改善。

关键词：

无线Mesh网络;Ad hoc网络;按需路由协议;链路校验

1 路由协议算法

1.1 无线Mesh网络的拓扑结构

在无线Mesh网络中，节点会经常访问和接收Internet网络中的信息。在本文的路由协议中，假设网络拓扑结构如图1所示：每一个节点只和一个网关进行连接，每一个节点和其他网关上的节点均需要通过网关进行转发，即网关和节点之间为树形结构。若某节点所在的网关出现故障，可以选择相邻的网关进行路由。所有的无线或者有线节点均通过超级网关与Internet网络相连。移动用户可以在不同的网关覆盖下进行移动，当其从一个网关移动至另一个网关的覆盖范围时，其路由也会自动进行切换。为了保证路由协议的传输效率，路由协议采用UDP进行路由信息的传输。

1.2 路由协议算法

按需（on-demand）路由协议是无线Mesh网络中常用的路由

协议类型，本文的路由协议也是基于按需路由协议进行设计。即当一个节点i需要加入到网络中时，节点i首先发送一帧请求注册的广播信息，与无线ad-hoc网络不同的是，该路由信息只被此节点最近一跳的邻居节点j所接收，节点i初始状态为无连接状态。

假设每个网关下的所有节点均

当邻居节点j接收到节点i发送的广播信息，经过一段延迟时间，邻居节点j将其路由信息数据包反馈给节点i。若无时间延迟，可能出现由于请求数据包和反馈数据包在同一时间内发送而导致链路堵塞。若邻居节点j发送的反馈数据包丢失，此时节点i将周期性发送广播请求数据包，直到接收到邻居节点j的反馈数据包。当节点i加入到当前网络中，它将所有接收到的路由信息保存起来，然后根据需要组

建自己的路由表信息。

当节i加Internet网络的路由，定义当前节点i的状态为半连接状态。此时，节i需要进

Internet的权利。整个注册过程分为两步，首先，节点i的注册请求发送到网关，一旦注册请求成功后，节点i Internet到节点i的路由信息。然后，在接收到节点i的注册信息后，网关即发出一个注册反馈帧给节点i，同时网关将节点i的注册信息转发给超级网关。若注册帧或反馈帧在传输过程中丢失，节点i即恢复到断开状态，并且对节

点i进行重新初始化。

在节i接收到网关的反馈信息帧后，节点i的状态即转

变为正常连接状态，可以向Internet网络发送数据和接收来自Internet 网络的数据。从上述算法中可以看出，这些注册信息并没有直接被发送到网络中去，这点和无线ad-hoc网络路由协议有明显的改进。

对无线网络而言，信息传输的可靠性要远比有线网络差。在当前节点传输信息到下一跳节点时，由于无线网络的不确定性，很可能造成网络丢包。若每一次的网络丢包，节i都需要恢复到断开状态，就会导致路由协议的冗余信息量增大，从而使当前的路由协议的传输效率降低。根据无线网络的特殊性，本文在路由协议的基础上再

加入一种状态—链路校验状态。

在链路校验状态时，节点i向下一跳节点j发送路由检测数据包，若节点j接收到此检测数据包，将发送给节点i一个应答包，若节点i接收到此应答包，节点i的状态转变为正常连接状态，否则，其状态转变为断开状态。若节点i失去了和网关的路由信息，节点i 的所有子节点都将失去与网关的连接，此时，节点i会向

节点发送路由错误信息，其所有的子节点都进入到断开状态，同时发送路由搜索广播信息。

定义节点i由于暂时的链路传输问题导致进入断开状态为暂时断开状态，定义由于永久的链路传输问题导致进入断开状态为永久断开状态。暂时断开状态导致的链路重建会使路由协议的性能降低。同时，频繁的链路重建也会导致网络的负载增大，影响终端用户的网络性能。因此，一个好的路由协议需要能够减少暂时的断开状态，并且

能够识别永久断开状态。从上述描述可以得出，链路校验状态机制的重要参数是判断链路是否为永久断开状态的超时时间，此参数的选取需要进行权衡：若超时时间过长可以识别出暂时的断开状态，但是若当前为永久断开状态，会导致链路时延增大，影响网络性能。若超时时间设置过短，会导致暂时断开状态误判为永久断开状态，导致频繁的链路重建。为了研究链路校验状态的路由效率和超时时间的取值范围，在此针对不同的超时时间进行性能仿真。

2 网络性能仿真

由于网络中传输的数据流量会影响暂时断开状态和永久断开状态的判断，所以针对网络中不同的数据流量进行仿真分析。为了便于对网络性能进行度量，使用如下两个参数：路由冗余信息和端到端

时延，定义当前的网络性能计算公式如下：

Performance=k*[SX(]∑\+N\-\{n=1\}∑\+\{M\+A\-n\}\-\{m=1\}Q\-\{n,m\}[]T×N [SX)]+b*[SX(]∑\+N\-\{n=1\}∑\+\{M\+B\-n\}\-\{m=1\}D\-\{n,m\}[]∑\+N\-\{n=1\}M\+B\-n [SX)](1)

其中，N代表当前网络中的节点数；M\+A\-n表示第n个节点发送的控制数据包的总和；Q\-\{n,m\}表示第n个节点接收到的第m个数据包的比特数；T表示仿真时间；M\+B\-n表示第n个节点接收到的所有单播数据包数目；D\-\{n,m\}表示第n个节点接收到的第m个数据包的端到端时延；k为路由冗余信息的归一化参数，b为端到端时延的归一化参数；Performance∈(0,1)标识了当前网络的性能，

其中0表示当前的网络性能最优，1表示当前的网络性能最差。

仿真中使用柏松分布函数给节点进行数据包的分发，每个节点均存在两种数据包，一种为节点接收到的数据包，另一种为节点发送出去的数据包。每一个数据包的大小设定为1000字节，数据包分发

的时间间隔从1s到2s不等，仿真时间设为1000s。

图3所示为在不同的网络数据流量下选取不同的超时时间的网络性能数据，超时判定时间从100ms到1000ms不等。

从图中可以看出，对于较小的超时时间，由于会将暂时断开状态误判为永久断开状态，端到端的延时和节点的冗余数据都比较高，随着超时判定时间的逐渐增加，由于暂时断开状态被识别出来，总体性能得到逐步提升。若超时判定时间设定过大，永久断开状态未能被有效识别，从而导致了移动节点的大量数据丢失，网络性能也相对较差。因此，针对具体不同的应用场景，用户根据需要选取适合于自己

网络的超时判定时间。

3 结束语

无线Mesh网络由于其独特的优势得到越来越广泛的应用，本文提出的路由协议不仅简单，且易于实现，非常适用于接入Internet

网络的小型网络中，对无线Mesh网络的性能有着明显的改善。

参考文献：

\[1\] 张会霞．基于Wireless Mesh技术的宽带无线接入系统

\[J\]．山东通信技术，2003(6).