孫紅雨， 宋嬌， 劉霞， 陳雨， 孫佳諾

(山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 青島 266590)

近年來由于煤礦事故頻發(fā)且無線通信技術(shù)水平的提高，各煤礦大國都加快了將無線通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦應(yīng)急系統(tǒng)的研究。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(wireless Mesh network，WMN)是一種有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的大容量高速率新型分布式的基于多跳路由模型的通信網(wǎng)絡(luò)，具備網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用分布思想構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，將其用于移動(dòng)性偏小的礦山應(yīng)急通信系統(tǒng)大大發(fā)揮了本身特性，增加網(wǎng)絡(luò)傳輸效率[1]。礦用應(yīng)急WMN與光纖通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，如果光纖通信網(wǎng)絡(luò)受到損害時(shí)，網(wǎng)絡(luò)鏈路將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)WMN，提升網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可靠性[2]。為實(shí)現(xiàn)完整無線覆蓋礦井巷道，礦山傳輸通信骨干鏈路由無線Mesh路由器(Mesh router，MR)組成，為部署在井下的Mesh應(yīng)用終端(Mesh client，MC)提供無線寬帶接入，當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)出口與MR直接連接時(shí)，地面應(yīng)急通信的交換指揮中心將通過MR匯聚各種應(yīng)用數(shù)據(jù)，成為無線Mesh網(wǎng)關(guān)(Mesh gateway，MG)[3]。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究在1990年開始興起，憑借其動(dòng)態(tài)拓?fù)?，傳輸速率大，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大以及組網(wǎng)成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)得到了各國學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，成為建設(shè)煤礦井下?lián)岆U(xiǎn)救災(zāi)無線通信系統(tǒng)最理想和最有效的途徑[4]。WMN在煤礦開采井下復(fù)雜環(huán)境中能夠構(gòu)建穩(wěn)定的連接以及提供無線寬帶接入信號(hào)[5]，因而WMN已成為無線應(yīng)急通信系統(tǒng)中的重要研究方向之一。WMN分別融合了無線局域網(wǎng)(WLAN)與Ad Hoc的優(yōu)點(diǎn)，基于MAC協(xié)議、路由協(xié)議、TCP/IP、802.11等研究而來共經(jīng)歷了三代演變，起初Mesh節(jié)點(diǎn)中只有1個(gè)2.4 GHz無線網(wǎng)卡，無線接力只支持3～7跳，第二代Mesh網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)[6]研究了2.4 GHz和5.8 GHz微波井下傳播特性，2.4 GHz鏈路用作完成網(wǎng)絡(luò)的無線接入，5.8 GHz用于處理多跳傳輸業(yè)務(wù)，設(shè)置兩個(gè)無線網(wǎng)卡，支持5～10跳，推動(dòng)礦山無線通信系統(tǒng)的研究，但在超過1 km的遠(yuǎn)距離通信時(shí)仍不能發(fā)揮很好的作用，目前第三代無線Mesh基站相鄰節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)回傳，并安置多個(gè)5.8 GHz回傳鏈路，覆蓋范圍更廣。文獻(xiàn)[7]用實(shí)驗(yàn)證明了基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)異，并且可以遠(yuǎn)程采集礦井環(huán)境中的環(huán)境參數(shù)，通過進(jìn)行語音通信對(duì)其傳達(dá)指令來確定目標(biāo)的位置。這一實(shí)驗(yàn)對(duì)使用WMN采集礦中詳細(xì)信息提供了可能，針對(duì)礦井環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致采集信息不穩(wěn)定這一問題，文獻(xiàn)[8]針對(duì)煤礦應(yīng)急通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和復(fù)雜的礦井環(huán)境，重新分析可系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建新的井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了新的WMN應(yīng)急救援通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)并提出了Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布放要求和節(jié)點(diǎn)覆蓋能力估算，并且肯定了WMN路由協(xié)議對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)性能的重要作用。

近年來，5G技術(shù)迅速發(fā)展，路由協(xié)議性數(shù)據(jù)處理和傳輸速度明顯提高，但即使有5G技術(shù)的支持，網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)量增大時(shí)不同網(wǎng)關(guān)之間的均衡負(fù)載避免節(jié)點(diǎn)擁堵仍是目前WMN路由協(xié)議急需解決的問題。

鑒于此，現(xiàn)基于2000—2022年期刊數(shù)據(jù)庫中收錄的61篇Mesh無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)代表性文獻(xiàn)，首先對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基本情況及其3類路由協(xié)議進(jìn)行分類闡述；其次，詳述源驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議(Ad-Hoc on-demand distance vector routing，AODV)、按需多徑距離矢量路由協(xié)議(Ad-Hoc on-demand multipath distance vector routing，AOMDV)和混合式無線網(wǎng)狀路由協(xié)議(hybrid wireless Mesh protocol routing，HWMP) 3種常見路由協(xié)議的性能，系統(tǒng)地提出3種協(xié)議應(yīng)用于礦山應(yīng)急通信時(shí)的改進(jìn)措施與發(fā)展現(xiàn)狀；最后對(duì)礦山Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究方向進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 Mesh路由協(xié)議概述

WMN基于Ad Hoc發(fā)展而來，WMN的路由協(xié)議算法是源于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的源路徑路由協(xié)議但煤礦井下無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為特殊，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)位置幾乎固定不變，移動(dòng)性較小且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要以鏈狀形式存在，文獻(xiàn)[10]對(duì)WMN啟動(dòng)的研究結(jié)果表明，對(duì)于超過4跳的路徑，基于TCP協(xié)議的端到端吞吐量在達(dá)到47.3 Kb/s時(shí)，其延遲是40 ms，該研究表明，在WMN中，802.11MAC協(xié)議性能并不足以用于礦井下無線通信網(wǎng)絡(luò)。故選擇路由協(xié)議時(shí)需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)再使用[11]。

路由協(xié)議按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和按照路由發(fā)現(xiàn)策略分類，如圖1所示?，F(xiàn)存礦山應(yīng)急通信的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議按照路由發(fā)現(xiàn)策略可以分為3類，分別是主動(dòng)式路由協(xié)議、按需式路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議[12]。

圖1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類[12]Fig.1 Classification of routing protocols in wireless Mesh networks[12]

2 煤礦無線Mesh網(wǎng)絡(luò)主流協(xié)議及研究熱點(diǎn)

路由協(xié)議是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)，更優(yōu)化的路由協(xié)議是WMN成敗的關(guān)鍵[13]。煤礦井下的電纜會(huì)為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定電源供電，路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)能耗不是選擇協(xié)議的首要考慮問題，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中不同網(wǎng)關(guān)之間的負(fù)載均衡成為主要考慮方向。為此，通過翻閱文獻(xiàn)，重點(diǎn)對(duì)AODV、AOMDV、HWMP 3類協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.1 主動(dòng)式路由協(xié)議

主動(dòng)式(proactive protocol)路由協(xié)議主要稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議[14]，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變后，從每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由表中總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前拓?fù)湎蛑車O(shè)備發(fā)送路由更新消息，使收到消息的設(shè)備修改路由表，使路由信息更加一致。主動(dòng)式路由協(xié)議主要由目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量路由(distance vector of destination node sequence，DSDV)協(xié)議、無線路由協(xié)議(wireless routing protocol，WRP)、優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(optimized link state routing，OLSR)協(xié)議[15]。文獻(xiàn)[16]研究表明二者都具有較高的丟包率。DSDV基于靜電Bellman-Ford路由算法在表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)[17]，DSDV的路由表會(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中定期傳輸保證表的一致性，每個(gè)條目都會(huì)由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的序列號(hào)，避免移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中路由環(huán)路。路由表中條目被發(fā)送，一個(gè)增量被更新。

DSDV作為主動(dòng)式路由協(xié)議的代表性協(xié)議，與其他主動(dòng)式路由協(xié)議相比，有一定的優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用于礦山無線網(wǎng)絡(luò)還有一定的局限性，文獻(xiàn)[18]利用OMNeT++5.3仿真使DSDV路由協(xié)議支持服務(wù)質(zhì)量(quality of service，Qos)，設(shè)置目的節(jié)點(diǎn)為固定節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)為任意節(jié)點(diǎn)兩組對(duì)照，與不支持Qos的協(xié)議對(duì)比均提高了服務(wù)質(zhì)量和減少擁塞。盡管如此，由于主動(dòng)式路由協(xié)議本身特性是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜螅蛑車O(shè)備發(fā)消息，收到消息的設(shè)備再進(jìn)行更新，周期性地發(fā)送消息，協(xié)議開銷巨大，文獻(xiàn)[15]將DSDV和AODV路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比表明：在時(shí)延方面，AODV路由協(xié)議是在存在需求時(shí)獲得節(jié)點(diǎn)路由，時(shí)延較高。DSDV更優(yōu)，但在應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、可擴(kuò)展性以及路由開銷方面，DSDV均無優(yōu)勢(shì)，DSDV和AODV的性能如表1所示，相對(duì)于反應(yīng)式路由協(xié)議，主動(dòng)式路由協(xié)議并不適用于移動(dòng)小的礦山無線網(wǎng)絡(luò)，因此，將DSDV應(yīng)用于礦山通信的研究文獻(xiàn)較少，便不再多贅述。

表1 DSDV和AODV的對(duì)比[15]Table 1 Comparison of DSDV and AODV[15]

2.2 按需式路由協(xié)議

按需式路由協(xié)議又稱為反應(yīng)式路由協(xié)議[15]，在設(shè)備路由表中沒有目的設(shè)備的路由信息時(shí)，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。在有通信需求時(shí)，自動(dòng)按照算法搜尋路由且無需維護(hù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表[19]。按需式路由協(xié)議主要有按需路由協(xié)議主要有AODV[20]、臨時(shí)預(yù)定路由(temporally-ordered routing algorithm，TORA)協(xié)議[21]和動(dòng)態(tài)源路由(dynamic source routing，DSR)協(xié)議[22]。文獻(xiàn)[23]研究表明，TORA和DSR無論是開銷還是丟包率均比AODV高，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量密切增加時(shí)，DSR優(yōu)于TORA協(xié)議，AODV相對(duì)DSR和TORA協(xié)議有更低的延遲，整體穩(wěn)定性也更好。但煤礦井下通信系統(tǒng)較為特殊，直接用于礦山應(yīng)急通信有很大的缺陷，需對(duì)AODV路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)后再使用更匹配礦山應(yīng)急情景。

2.2.1 AODV協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)的過程中數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)時(shí)間過長，不適合礦山中高負(fù)載的WMNs網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，改進(jìn)的AODV路由協(xié)議主要是對(duì)路由器增加接口，考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)載、鏈路負(fù)載以及鏈路質(zhì)量等因素增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低端到端延遲，最終提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(Qos)。文獻(xiàn)[24]在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上提出支持多接口多路徑的路由協(xié)議MM-AODV，有效抑制了節(jié)點(diǎn)之間的干涉，但AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變后會(huì)增加鏈路修復(fù)，AODV路由協(xié)議主要有源節(jié)點(diǎn)路由重建和本地修復(fù)兩種路由修復(fù)方法，沈奔等[25]采用備份路由的方式建立多跳路徑，本著選擇較高優(yōu)先級(jí)先通信，次高級(jí)依次傳輸?shù)脑瓌t，減少鏈路修復(fù)，文獻(xiàn)[26-27]分別采用基于模糊法進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)路由重建和采用光博控制消息和記錄節(jié)點(diǎn)地址的技術(shù)進(jìn)行路由重建，選擇最可信的節(jié)點(diǎn)來構(gòu)造源和目的節(jié)點(diǎn)之間的路由，加強(qiáng)路由修復(fù)并減少路由發(fā)現(xiàn)次數(shù)。

在負(fù)載均衡方面， AODV 路由協(xié)議作為典型的反應(yīng)式路由協(xié)議，沒有考慮鏈路質(zhì)量和負(fù)載，而是只選擇最小跳數(shù)的路徑[28]，文獻(xiàn)[29]考慮了帶寬和延遲要求，根據(jù)跳數(shù)和路徑擁塞計(jì)算路徑的路由成本，提出基于AODV的Qos感知路由協(xié)議QAODV(Qos_AODV)協(xié)議，在吞吐量和平均端到端時(shí)延等性能方面得到了改進(jìn)。文獻(xiàn)[28]在Qos_AODV基礎(chǔ)上考慮了鏈路與節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，設(shè)計(jì)源節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行路由請(qǐng)求時(shí)，可以選擇滿足時(shí)延要求的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求至目的節(jié)點(diǎn)，文獻(xiàn)[28]提出了一種基于負(fù)載均衡與時(shí)延約束的自組織網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量路由協(xié)議(enhancedrouting protocol on ad hoc on-demand distance vector with load balance and delay restriction，BD_AODV)，在不同影響因素下，采用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件(network simulator version2，NS2 )測(cè)試了AODV、Qos_AODV和BD_AODV的數(shù)據(jù)發(fā)送率和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別對(duì)端對(duì)端時(shí)延和丟包率的執(zhí)行情況；測(cè)試了3種協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送速率與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)端對(duì)端時(shí)延的影響情況(圖2)，3種協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送速率與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)丟包率的影響情況，如圖3所示。

由圖2可知，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加，3種協(xié)議的整體性能均有所下降，平均時(shí)延都有上升趨勢(shì)。

由圖3可知，節(jié)點(diǎn)路徑逐漸增加，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎寐窂皆黾樱?種協(xié)議的丟包率逐漸下降趨于穩(wěn)定。而每秒的數(shù)據(jù)發(fā)送速率增加時(shí)，丟包率均呈遞增趨勢(shì)。BD_AODV能夠選擇最小負(fù)載的路由，減少反向路由和路由分組排隊(duì)時(shí)間，從而減少丟包率和平均延遲，在兩種不同因素下的整體性能能均優(yōu)于其他兩種路由協(xié)議。

文獻(xiàn)[30]在文獻(xiàn)[28]的基礎(chǔ)上將具有較大剩余能量的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，在原AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上建立多跳路由來滿足鏈路的負(fù)載均衡，增加緩沖隊(duì)列以存儲(chǔ)多跳路徑提出改進(jìn)型協(xié)議，時(shí)間延時(shí)和平均負(fù)載均低于文獻(xiàn)[28]所述的BD_AODV協(xié)議。兩種協(xié)議性能對(duì)比如圖4所示。

圖2 3種協(xié)議的端-端時(shí)延影響情況對(duì)比[28]Fig.2 Comparison of end-to-end delay effects of the three protocols[28]

圖3 3種協(xié)議的丟包率影響情況對(duì)比[28]Fig.3 Comparison of the impact of the packet loss rate of the three protocols[28]

AODV用于多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間組建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，移?dòng)節(jié)點(diǎn)并不適用于礦山中低速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但路由節(jié)點(diǎn)在無線設(shè)備正常工作后移動(dòng)較小且數(shù)據(jù)傳輸效率較高，更好地實(shí)現(xiàn)礦井下骨干網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)中繼以及有利于定點(diǎn)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無線回傳[31]。終端節(jié)點(diǎn)相對(duì)路由節(jié)點(diǎn)能夠周期性清除節(jié)點(diǎn)路由信息，可以任意移動(dòng)并根據(jù)移動(dòng)的位置及時(shí)變更所在地的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相對(duì)路由節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)適用于礦井?dāng)y帶便攜式終端設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳。文獻(xiàn)[31]提出路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)共同組成的基于AODV路由協(xié)議的低速自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮路由路徑上節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)量對(duì)路由信息進(jìn)行傳輸路徑負(fù)載優(yōu)化，縮短路由有效時(shí)間。用式(1)計(jì)算單節(jié)點(diǎn)的無線負(fù)載系數(shù)，判斷數(shù)據(jù)流繁忙程度，優(yōu)化路由信息的有效時(shí)間。

(1)

式(1)中：θi為被測(cè)節(jié)點(diǎn)i的無線負(fù)載系數(shù)；M為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送量；Mmax為單個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)發(fā)送量。

圖4 兩種協(xié)議的時(shí)間延遲和負(fù)載對(duì)比[30]Fig.4 Time delay and load comparison of the two protocols[30]

以上文獻(xiàn)僅考慮了單層節(jié)點(diǎn)路由附近的無線數(shù)據(jù)量，當(dāng)響應(yīng)單個(gè)路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)多個(gè)路由應(yīng)答數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過多的控制開銷，AODV會(huì)由于周期性信標(biāo)導(dǎo)致不必要的帶寬消耗。陳侃松等[32]采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度提出鏈路權(quán)值，提出結(jié)合局部鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)概率，選擇最佳路由路徑，采用將物理層和MAC層的LQI信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)層的跨層思想，提高AODV協(xié)議數(shù)據(jù)包的投遞率與鏈路時(shí)效性，其中所涉及的因素說明如表2所示。

AODV以最小跳數(shù)作為路由判據(jù)[33]，但鏈路質(zhì)量和傳輸速率同樣會(huì)影響傳輸時(shí)延，僅以跳數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路由判據(jù)進(jìn)行選擇不合理，鏈路質(zhì)量差以及網(wǎng)絡(luò)堵塞時(shí)都會(huì)影響路由判據(jù)，不能直接應(yīng)用于礦井網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[34]結(jié)合礦井背壓式策略，綜合考慮鏈路質(zhì)量和礦下實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)鏈路中的參數(shù)進(jìn)行合理選擇，提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。為了繼續(xù)提高礦山環(huán)-中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，文獻(xiàn)[35]在路由建立過程中加入?yún)^(qū)塊鏈，設(shè)置在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、數(shù)據(jù)包發(fā)送率以及節(jié)點(diǎn)數(shù)均不同的3組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法較好的路徑生存能力和有較低的誤碼率。文獻(xiàn)[36]考慮數(shù)據(jù)傳輸過程中能量消耗較大導(dǎo)致堵塞，提出CE-AODV-H改進(jìn)路由協(xié)議，將擁塞和能量狀態(tài)分級(jí)并以跳數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)擁堵狀態(tài)和剩余路徑，仿真結(jié)果表明在暫停時(shí)間為20～100 s時(shí)數(shù)據(jù)包投遞速率均在92%以上而AODV均在90%左右。在礦山應(yīng)急通信的信息傳輸過程中，當(dāng)AODV的重傳次數(shù)增加時(shí)，會(huì)造成過多的能量消耗導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，故考慮如何減少能量消耗是改進(jìn)AODV路由協(xié)議整體性能的關(guān)鍵因素。

表2 影響因素說明[32]Table 2 Description of influencing factors[32]

2.2.2 AOMDV協(xié)議

在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)中擁有更高性能的AODV協(xié)議在應(yīng)用于低速無線網(wǎng)絡(luò)的礦山中時(shí)依然需要進(jìn)行改進(jìn)增加匹配度，無線自組網(wǎng)按需多路徑距離矢量路由(AOMDV)協(xié)議是在無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由(AODV)協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的一種節(jié)點(diǎn)不相交多路由協(xié)議，能夠在進(jìn)行多徑路由選擇時(shí)尋找其他備用路徑。Mostafa等[37]研究表明AOMDV協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)頻率更快且AOMDV可以降低在路徑斷開時(shí)引起的路由消耗，比AODV協(xié)議更適用于WMN。文獻(xiàn)[38]設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，通過增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量觀測(cè)AODV和AOMDV的吞吐量和時(shí)延情況，驗(yàn)證了這一說法。AODV與AOMDV在端對(duì)端時(shí)延和吞吐量之間的對(duì)比如圖5所示。

AOMDV協(xié)議的吞吐量整體優(yōu)于AODV，但端到端時(shí)延在節(jié)點(diǎn)增加時(shí)性能逐漸減弱，原因是在主路徑切換備用路徑時(shí)容易產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)以及路由重傳丟包率增加，文獻(xiàn)[39]仿真結(jié)果表明采用分散路由的思想同時(shí)加入延時(shí)算法對(duì)AOMDV進(jìn)行改進(jìn)，可以避免主路徑變換到備用路徑時(shí)導(dǎo)致的路徑斷裂情況，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度超過30 m/s時(shí)明顯提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。除此之外，該協(xié)議在路由表中保留不相交鏈路導(dǎo)致路由維護(hù)階段消耗過多能量，文獻(xiàn)[40]針對(duì)此問題對(duì)AOMDV的多徑路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)得到新的基于能量的多徑路由協(xié)議PE-AOMDV，降低傳輸時(shí)延和路由開銷，解決了礦井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化以及頻繁鏈路失效的問題。文獻(xiàn)[41]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸隊(duì)列緩存區(qū)的長度，對(duì)多徑路由協(xié)議改善鏈路壓力，以此啟動(dòng)路由修復(fù)機(jī)制，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。

圖5 AODV和AOMDV性能對(duì)比[38]Fig.5 Performance comparison of AODV and AOMDV[38]

但此項(xiàng)研究未考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)荷、剩余能量等參數(shù)，針對(duì)AOMDV本身存在節(jié)點(diǎn)的能量消耗過大的問題，文獻(xiàn)[42]提出采用能量消耗的策略來平衡網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗的協(xié)議AOMDV_EC，能夠在路由洪泛和路由應(yīng)答過程中通過對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行保護(hù)，針對(duì)能量消耗較快的節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路由分流，降低能耗并延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間避免網(wǎng)絡(luò)分裂。文獻(xiàn)[43]則基于能量約束設(shè)計(jì)了一種負(fù)載均衡路由協(xié)議，此協(xié)議在MAC層接口隊(duì)列長度較低、剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，使其在節(jié)點(diǎn)能耗和路由發(fā)現(xiàn)頻率等性能都得到了有效的提高。

2.3 混合式路由協(xié)議

混合式路由協(xié)議結(jié)合先驗(yàn)式路由協(xié)議和反應(yīng)式路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較近時(shí)采用先驗(yàn)式路由協(xié)議，縮小路由控制消息的傳播范圍，準(zhǔn)確維護(hù)路由協(xié)議[44]。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)采用反應(yīng)式路由協(xié)議自動(dòng)搜尋路由，按需發(fā)送路由請(qǐng)求。混合式路由協(xié)議主要有混合式無線網(wǎng)狀路由(hybrid wireless Mesh protocol，HWMP)協(xié)議和區(qū)域路由(zone routing protocol，ZRP)協(xié)議[45]。文獻(xiàn)[46]針對(duì)現(xiàn)有路由協(xié)議依賴IP層啟動(dòng)多跳通信不能準(zhǔn)確捕獲無線鏈路的性質(zhì)，將HWMP設(shè)置為默認(rèn)路由協(xié)議，廣播時(shí)間指標(biāo)作為默認(rèn)路由指標(biāo)，以鏈路狀態(tài)路由為基礎(chǔ)，反映在特定鏈路上傳輸幀所消耗的信道資源。

在多徑HWMP路由算法中，最早發(fā)現(xiàn)的路由不一定是主路徑，而是在所有發(fā)現(xiàn)的可用路由中選取路徑的總開銷最小的路由作為主路徑，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間最快地找到合適的路由式是多徑路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的核心[47]。文獻(xiàn)[48]結(jié)合巷道具體環(huán)境和MIC(metric of interference and channel switching)判據(jù)進(jìn)行電磁波衰減理論分析和節(jié)點(diǎn)間距設(shè)計(jì)，將主動(dòng)式路由協(xié)議與按需路由協(xié)議相結(jié)合?；旌鲜铰酚蓞f(xié)議結(jié)合了按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議的靈活性與主動(dòng)路由協(xié)議的速度快的特點(diǎn)，該文獻(xiàn)結(jié)合Mesh網(wǎng)絡(luò)和指揮調(diào)度平臺(tái)，建立了對(duì)煤礦井下環(huán)境參數(shù)以及多媒體調(diào)度通信的應(yīng)急救援系統(tǒng)。

礦山無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信復(fù)雜多變，傳統(tǒng)路由協(xié)議容易忽略鏈路負(fù)載，常因鏈路參差不齊，節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過大而傳輸速率降低，HWMP作為IEEE 802.11s標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)路由選擇協(xié)議包括主動(dòng)建樹機(jī)制和按需機(jī)制，兩種機(jī)制均通過使用廣播時(shí)間成本來估計(jì)路徑的性能，選擇數(shù)據(jù)包的最優(yōu)路徑[49]。在路由協(xié)議的判據(jù)因素中，為避免所選鏈路跳數(shù)過大則必須把跳數(shù)作為重要參數(shù)。文獻(xiàn)[50]提出了支持多網(wǎng)關(guān)的 M-HWMP協(xié)議，多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)建路徑樹，設(shè)計(jì)以每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)均為根節(jié)點(diǎn)的多棵路由樹，將節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)作為考慮因素，使數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不會(huì)僅在一個(gè)網(wǎng)關(guān)上，而是分散在多個(gè)網(wǎng)關(guān)上增加Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的問題。文獻(xiàn)[51]在M-HWMP協(xié)議基礎(chǔ)上考慮負(fù)載均衡功能，在Mesh管理幀中添加路徑負(fù)載信息位，在樹形路由協(xié)議上設(shè)計(jì)負(fù)載約束，采用節(jié)點(diǎn)負(fù)載和丟包率作為路由判據(jù)，提出多網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議LBMP-HWMP。其中，文獻(xiàn)[51]采用節(jié)點(diǎn)負(fù)載使用緩沖區(qū)中的當(dāng)前隊(duì)列長度Lcurrent與緩沖區(qū)中的隊(duì)列長度Lmax的比值Loadi來衡量。

(2)

式(2)中：Loadi為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載；Loadthreshold為小于1的節(jié)點(diǎn)負(fù)載臨界值。當(dāng)Loadi>Loadthreshold時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)已到傳輸瓶頸。文獻(xiàn)[52]綜合考慮鏈路干擾和節(jié)點(diǎn)負(fù)載，對(duì)不同分層采用不同路由方式提出了基于HWMP協(xié)議的LB-IA-HWMP協(xié)議，估算節(jié)點(diǎn)負(fù)載能力，分配節(jié)點(diǎn)任務(wù)隊(duì)列，識(shí)別并避開預(yù)防網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)區(qū)域提高數(shù)據(jù)傳輸，促使節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡，吞吐量穩(wěn)步增加。文獻(xiàn)[52]比較了LB-IA-HWMP和LBMP-HWMP在多網(wǎng)關(guān)情況下各影響因素的數(shù)據(jù)發(fā)送速率(圖6)，前者在平均端到端時(shí)延、丟包率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面更優(yōu)越。

礦山巷道內(nèi)所布置的通信設(shè)備需經(jīng)多次轉(zhuǎn)發(fā)才能傳到網(wǎng)關(guān)，容易在轉(zhuǎn)發(fā)過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)分散[53]，以上研究在路由判據(jù)的選擇上僅僅考慮節(jié)點(diǎn)會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，文獻(xiàn)[54]針對(duì)此問題提出利用馬爾可夫鏈模型來設(shè)計(jì)路由判據(jù)的路由消耗。文獻(xiàn)[55]提出將MAC層中的信道質(zhì)量參數(shù)提取到路由判據(jù)中的新路徑選擇算法，有效考慮到無線信道中的多重變化因素，同時(shí)，文獻(xiàn)[56]引入跨層設(shè)計(jì)方法，提出綜合路由判據(jù)的跨層協(xié)議，在原有協(xié)議中增加退避機(jī)制，降低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)沖突，提高了數(shù)據(jù)包投遞成功率。文獻(xiàn)[57]采用集成鏈路狀態(tài)路由準(zhǔn)則算法LCCM和多路徑多網(wǎng)關(guān)分流機(jī)制，對(duì)HWMP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)得到HWMMRP協(xié)議，解決了在根節(jié)點(diǎn)堵塞的問題，提高動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡能力。與此同時(shí)，內(nèi)部惡意節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易導(dǎo)致安全路由機(jī)制分組丟失[58]。文獻(xiàn)[59]對(duì)節(jié)點(diǎn)行為進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的綜合信譽(yù)值，并將其與當(dāng)前信譽(yù)值相結(jié)合，剔除路由機(jī)制惡意節(jié)點(diǎn)，提高了該協(xié)議的惡意節(jié)點(diǎn)識(shí)別率，防止數(shù)據(jù)分組丟失。

圖6 LB-IA-HWMP和LBMP-HWMP性能比較[52]Fig.6 Performance comparison of LB-IA-HWMP and LBMP-HWMP[52]

文獻(xiàn)[60]面對(duì)混合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)開銷較大以及更新消息造成網(wǎng)絡(luò)堵塞的問題，提出修改原信息元素PREQ和PREP(path request)的幀結(jié)構(gòu)，引入兩個(gè)信息元素ACK(acknowledgement)與NACK(negative acknowledgement )接收和確認(rèn)源消息。文獻(xiàn)[61]為了使算法更好地適應(yīng)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用節(jié)點(diǎn)間的歷史交互數(shù)據(jù)，提出基于效用轉(zhuǎn)發(fā)的路由快速恢復(fù)算法，動(dòng)態(tài)獲取不同環(huán)境下的效用值的影響因素所占權(quán)重值。解決了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下效用值的影響因素產(chǎn)生的不同資源浪費(fèi)問題。

3 總結(jié)與展望

目前礦山應(yīng)急通信系統(tǒng)絕大多數(shù)是基于無線Mesh網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的獲取，對(duì)于礦山無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，由于其特殊的低速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，沒有最好路由協(xié)議只能選擇最合適的協(xié)議，其中路由協(xié)議的傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)能耗等問題影響著WMN的網(wǎng)絡(luò)性能，本文研究主要介紹了3種常見路由協(xié)議AODV、AOMDV、HWMP的特性以及改進(jìn)進(jìn)展。

(1)針對(duì)AODV協(xié)議，主要通過使用分散數(shù)據(jù)流傳輸、構(gòu)造源和目的節(jié)點(diǎn)的方法改進(jìn)AODV協(xié)議，從而解決因按需反應(yīng)時(shí)端到端時(shí)延較高的問題，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率的效果。

(2)針對(duì)AOMDV協(xié)議，主要使用能量消耗策略來平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消耗對(duì)AOMDV進(jìn)行了改進(jìn)，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

(3)針對(duì)HWMP協(xié)議，主要對(duì)Mesh網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力方面對(duì)HWMP進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化了新增節(jié)點(diǎn)域間的移動(dòng)管理機(jī)制通，解決了WMN節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中能耗大問題。

其中，AODV在節(jié)點(diǎn)速度大于30 m/s時(shí)的時(shí)延較其他兩種協(xié)議高，但AODV穩(wěn)定性較高，在節(jié)點(diǎn)損耗，路由開銷等方面均優(yōu)于其他協(xié)議，研究結(jié)果表明在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的鏈路質(zhì)量和路由判據(jù)方面將AODV路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)更加適合礦山低速無線Meah網(wǎng)絡(luò)。盡管各個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全方面的改進(jìn)，WMNs仍然面對(duì)可擴(kuò)展性、可靠性、鏈路故障、靈活性、數(shù)據(jù)機(jī)密性和其他網(wǎng)絡(luò)管理問題。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，保持新的路由信息逐漸有挑戰(zhàn)性，在今后的研究中，可以將高動(dòng)態(tài)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的彈性路由方法用在礦山應(yīng)急通信中，在缺乏當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)，可以彈性地處理動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。