基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议制造技术

本发明专利技术提出一种基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议，该协议基于矿井混合WMN网络数据传输的汇聚性特点，选取不同的网络性能参数构造不同的势能场，并为网关节点设置最低的势能值，数据分组在势能场的作用下向网关汇聚，然后根据相邻节点之间的势能差建立路由，为不同的应用提供区分服务。本发明专利技术仅需局部信息即可做出路由决策，无需获取整个网络的性能参数，这种分布式路由协议具有较小的网络开销与较好的可扩展性。与现有路由协议相比，本发明专利技术传输两种类型的数据时，在端到端时延、投递率方面都更具优势，同时终端节点使用均衡，能够延长网络生存时间，提高网络服务质量。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议
本专利技术涉及通信
，尤其是一种基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议。
技术介绍
目前无线mesh网络(WMN)路由协议主要有：目的节点序列距离矢量路由协议(DSDV)，自组织按需距离矢量路由协议(AODV)和混合无线Mesh路由协议(HWMP)。其中，目的节点序列距离矢量路由协议(DSDV)是一种基于经典Bellman-Ford算法的表驱动先验式路由协议。自组织按需距离矢量路由协议(AODV)建立在DSDV算法之上，但它只在需要的时候才启动路由发现过程，因此降低了路由维护的开销。混合无线Mesh路由协议(HWMP)是一种混合式路由协议，该路由协议具有先验式路由的快速性和反应式路由的灵活性。以上典型路由协议沿用了Adhoc网络路由协议的设计思想，没有针对WMN的特点和应用领域进行设计。随着WMN应用领域的扩大，对网络服务性能的要求不断提高，以上路由协议难以满足快速变化的应用需求，例如当数据传输对网络的服务质量提出多种要求时，衡量网络质量的多个参数之间难以有效融合，实现既简单又高效的路由决策。更为重要的是，煤矿井下多为狭长巷道，且采煤工作面不断推进，有线网络以及传统无线网络出现故障后自修复能力弱，而在混合WMNs中，终端可参与组网，能够有效解决矿井网络面临的难题。矿井混合无线mesh网络数据类型多样，传输数据时对网络时延、吞吐量等提出了不同的服务要求，这就需要路由协议能够按需动态调整路由，实现数据的高效稳定传输。现有的路由协议没有针对矿井实际需求进行设计，应用于煤矿井下时无法满足紧急数据低时延，非紧急数据高吞吐量的传输需求，很难发挥混合WMNs的优势。同时，矿井混合WMNs的终端节点采用电池供电，能量受限，路由节点采用有线电源供电，能量充足。在路由决策过程中不仅要保证数据传输的有效性，还需要优化节点能耗，现有路由协议在设计时没有充分考虑不同类型节点的特点，难以降低终端节点能耗，因此影响网络生存时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于满足矿井混合WMN中不同类型数据的传输需求，解决终端节点能量受限问题，本专利技术基于势能场理论，提出了基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议。
技术实现思路
：为实现上述技术效果，本专利技术提出的技术方案为：基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议，所述矿井混合无线mesh网络中包括网关节点和其他节点；该协议包括以下步骤：(1)网络初始化，包括步骤：(1-1)各节点生成自己的HELLO分组并广播，HELLO分组中记录有生成HELLO分组的节点的深度势能值、紧急数据资源势能值、非紧急数据资源势能值和IP地址；各节点根据接收到的其他节点发送的HELLO分组生成邻居表；邻居表中记录有该节点邻居节点的IP地址、深度势能值Pd、紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值；任意一个节点i的紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值的计算公式为：式中，Pr_urgent(i)和Pr_non-urgent(i)分别表示节点i的紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值；Qu(i)为节点i已缓存的紧急数据包个数；Q(i)为节点i已缓存的数据包总数；N(i)为节点i可缓存的数据包总数；E(i)为节点i剩余能量百分比；a为低能量门限；(1-2)节点根据邻居表生成两张路由表：紧急数据路由表和非紧急数据路由表；两路由表中均记载节点的邻居地址和节点与邻居节点之间的混合作用力Fh；Fh的计算公式为：Fh(v，w)＝αFd(v，w)+(1-α)Fr(v，w)＝α(Pd(v)-Pd(w))/Δd+(1-α)(Pr(v)-Pr(w))/Δd式中，v表示当前节点，w是v的邻居节点；Fd(v，w)为节点v、w之间的深度作用力；α是可调参数，传输紧急数据时α＝α1，传输非紧急数据时α＝α2，且α1≠α2；Fr(v，w)表示节点v、w之间的资源作用力；Pd(v)、Pd(w)分别表示节点v、w的深度势能值；Δd表示节点v、w之间的距离，Δd取值为1；Pr(v)、Pr(w)分别表示节点v、w的资源势能值，当节点i传输紧急数据时，Pr(i)＝Pr_urgent(i)，当节点i传输非紧急数据时，Pr(i)＝Pr_non-urgent(i)；(1-3)在数据分组头部添加用以区分紧急数据和非紧急数据的priority标志位，节点在转发数据分组时根据priority标志位选择相应的路由表进行路由选择；(2)以节点的深度势能值为关键字建立虚拟势能场，发送数据时从深度势能值高的节点向深度势能值低的节点发送；(3)虚拟势能场建立后，节点定期向邻居节点广播HELLO分组；节点接收到邻居节点发送的HELLO分组后，搜索自已的邻居表中该邻居节点对应的深度势能值、紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值，若这三个参数中的任意一个大于HELLO分组中记录的对应值，则将邻居表中的深度势能值、紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值更新为HELLO分组中的对应值；(4)节点根据更新后的邻居表计算与各邻居节点之间的混合作用力更新值F′h，并将F′h与自己路由表中原本记录的Fh值比较，若F′h＞Fh，则令Fh＝F′h；(5)源节点发送数据分组时，首先根据数据分组头部的priority标志位选择相应的路由表；再从选出的路由表中根据混合作用力值选择路由，选出的路由中，第k跳节点为第k-1跳节点的路由表中与第k-1跳节点之间的混合作用力值最大的邻居节点。进一步的，所述步骤(1)中，节点生成邻居表的方法为：当节点接收到HELLO分组时，首先检索自己的邻居表中是否有关于发出HELLO分组的节点的信息，若没有，则将HELLO分组中记录的对应节点的深度势能值、紧急数据资源势能值、非紧急数据资源势能值和IP地址补充到自己的邻居表中；若有，则放弃该HELLO分组。进一步的，所述步骤(2)中，建立虚拟势能场的步骤为：(2-1)初始化所有节点的紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值都为0，网关节点的深度势能值为0，其他节点深度势能值为网络最大跳数；(2-2)网关生成HELLO分组并向网络中的其他节点广播；其他节点接收到网关节点发出的HELLO分组后，获取HELLO分组中记录的网关节点深度势能值；(2-3)节点接收到来自邻居节点的HELLO分组，并判断收到的HELLO分组中记录的深度势能值加1后是否小于节点自身的深度势能值；若是，节点将自身的深度势能值加1；否则，节点自身的深度势能值保持不变；(2-4)节点根据更新后的深度势能值和自己的IP地址生成新的HELLO分组并向邻居节点广播；(2-4)重复执行步骤(2-2)、(2-3)，直到所有可连接节点的深度势能值都小于网络最大跳数，此时，虚拟势能场建立完毕。进一步的，所述HELLO分组包括：depth字段、resource_urgent字段、resource_non-urgent字段和nodeIPAddress字段；depth、resource_urgent、resource_non-urgent和nodeIPAddress字段分别记录发出HELLO分组的节点的深度势能值、紧急数据资源势能值、非紧急数据资源势能值和IP地址。进一步的，各节点除了定期广播HELLO分组本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议，其特征在于，所述矿井混合无线mesh网络中包括网关节点和其他节点；该协议包括以下步骤：(1)网络初始化，包括步骤：(1‑1)各节点生成自己的HELLO分组并广播，HELLO分组中记录有生成HELLO分组的节点的深度势能值、紧急数据资源势能值、非紧急数据资源势能值和IP地址；各节点根据接收到的其他节点发送的HELLO分组生成邻居表；邻居表中记录有该节点邻居节点的IP地址、深度势能值P

【技术特征摘要】
1.基于虚拟势能场的矿井混合无线mesh网络路由协议，其特征在于，所述矿井混合无线mesh网络中包括网关节点和其他节点；该协议包括以下步骤：(1)网络初始化，包括步骤：(1-1)各节点生成自己的HELLO分组并广播，HELLO分组中记录有生成HELLO分组的节点的深度势能值、紧急数据资源势能值、非紧急数据资源势能值和IP地址；各节点根据接收到的其他节点发送的HELLO分组生成邻居表；邻居表中记录有该节点邻居节点的IP地址、深度势能值Pd、紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值；任意一个节点i的紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值的计算公式为：式中，Pr_urgent(i)和Pr_non-urgent(i)分别表示节点i的紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值；Qu(i)为节点i已缓存的紧急数据包个数；Q(i)为节点i已缓存的数据包总数；N(i)为节点i可缓存的数据包总数；E(i)为节点i剩余能量百分比；a为低能量门限；(1-2)节点根据邻居表生成两张路由表：紧急数据路由表和非紧急数据路由表；两路由表中均记载节点的邻居地址和节点与邻居节点之间的混合作用力Fh；Fh的计算公式为：Fh(v，w)＝αFd(v，w)+(1-α)Fr(v，w)＝α(Pd(v)-Pd(w))/Δd+(1-α)(Pr(v)-Pr(w))/Δd式中，v表示当前节点，w是v的邻居节点；Fd(v，w)为节点v、w之间的深度作用力；α是可调参数，传输紧急数据时α＝α1，传输非紧急数据时α＝α2，且α1≠α2；Fr(v，w)表示节点v、w之间的资源作用力；Pd(v)、Pd(w)分别表示节点v、w的深度势能值；Δd表示节点v、w之间的距离，Ad取值为1；Pr(v)、Pr(w)分别表示节点v、w的资源势能值，当节点i传输紧急数据时，Pr(i)＝Pr_urgent(i)，当节点i传输非紧急数据时，Pr(i)＝Pr_non-urgent(i)；(1-3)在数据分组头部添加用以区分紧急数据和非紧急数据的priority标志位，节点在转发数据分组时根据priority标志位选择相应的路由表进行路由选择；(2)以节点的深度势能值为关键字建立虚拟势能场，发送数据时从深度势能值高的节点向深度势能值低的节点发送；(3)虚拟势能场建立后，节点定期向邻居节点广播HELLO分组；节点接收到邻居节点发送的HELLO分组后，搜索自己的邻居表中该邻居节点对应的深度势能值、紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值，若这三个参数中的任意一个大于HELLO分组中记录的对应值，则将邻居表中的深度势能值、紧急数据资源势能值和非紧急数据资源势能值更新为HELLO分组中的对应值；(4)节点根据更新后的邻居表计算与各邻居节点之间的混合作用力更新值F′h，并将F′h与自己路由表中原本记录的Fh值比较，若F′h＞Fh，则令Fh＝F′h；(5)源节点发送数据分组时，首先根据数据分组头部的priority标志位选择相应的路由表；再从选出的路由表中根据混合作用力值选择路由，选出的路由中，第k跳节点为第k-1跳节点的路由表中与第k-1跳节点之间的混合作用力值最大的邻居...

【专利技术属性】
技术研发人员：江海峰，吕恋生，韩广智，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32