無線網狀網絡路由協議在礦山應急通信中的應用研究

孫紅雨， 宋嬌， 劉霞， 陳雨， 孫佳諾

(山東科技大學電子信息工程學院， 青島 266590)

近年來由于煤礦事故頻發且無線通信技術水平的提高，各煤礦大國都加快了將無線通信技術應用于煤礦應急系統的研究。無線網狀網絡(wireless Mesh network，WMN)是一種有別于傳統網絡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絡，具備網狀拓撲結構，利用分布思想構建網絡，將其用于移動性偏小的礦山應急通信系統大大發揮了本身特性，增加網絡傳輸效率[1]。礦用應急WMN與光纖通信網絡相結合，如果光纖通信網絡受到損害時，網絡鏈路將自動跳轉WMN，提升網絡通信系統可靠性[2]。為實現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應用終端(Mesh client，MC)提供無線寬帶接入，當有線網絡出口與MR直接連接時，地面應急通信的交換指揮中心將通過MR匯聚各種應用數據，成為無線Mesh網關(Mesh gateway，MG)[3]。

無線Mesh網絡的研究在1990年開始興起，憑借其動態拓撲，傳輸速率大，網絡覆蓋范圍大以及組網成本相對較低等優點得到了各國學者的重點關注，成為建設煤礦井下搶險救災無線通信系統最理想和最有效的途徑[4]。WMN在煤礦開采井下復雜環境中能夠構建穩定的連接以及提供無線寬帶接入信號[5]，因而WMN已成為無線應急通信系統中的重要研究方向之一。WMN分別融合了無線局域網(WLAN)與Ad Hoc的優點，基于MAC協議、路由協議、TCP/IP、802.11等研究而來共經歷了三代演變，起初Mesh節點中只有1個2.4 GHz無線網卡，無線接力只支持3～7跳，第二代Mesh網絡中，文獻[6]研究了2.4 GHz和5.8 GHz微波井下傳播特性，2.4 GHz鏈路用作完成網絡的無線接入，5.8 GHz用于處理多跳傳輸業務，設置兩個無線網卡，支持5～10跳，推動礦山無線通信系統的研究，但在超過1 km的遠距離通信時仍不能發揮很好的作用，目前第三代無線Mesh基站相鄰節點能夠進行獨立的網絡回傳，并安置多個5.8 GHz回傳鏈路，覆蓋范圍更廣。文獻[7]用實驗證明了基于無線Mesh網絡的煤礦應急救援通信系統網絡性能更優異，并且可以遠程采集礦井環境中的環境參數，通過進行語音通信對其傳達指令來確定目標的位置。這一實驗對使用WMN采集礦中詳細信息提供了可能，針對礦井環境復雜導致采集信息不穩定這一問題，文獻[8]針對煤礦應急通信系統的特點和復雜的礦井環境，重新分析可系統的組網方式和結構，為構建新的井下應急救援無線通信系統提供了理論依據；文獻[9]設計了新的WMN應急救援通信網絡系統架構并提出了Mesh網絡節點布放要求和節點覆蓋能力估算，并且肯定了WMN路由協議對于提高網絡性能的重要作用。

近年來，5G技術迅速發展，路由協議性數據處理和傳輸速度明顯提高，但即使有5G技術的支持，網關業務量增大時不同網關之間的均衡負載避免節點擁堵仍是目前WMN路由協議急需解決的問題。

鑒于此，現基于2000—2022年期刊數據庫中收錄的61篇Mesh無線網絡的相關代表性文獻，首先對無線Mesh網絡的基本情況及其3類路由協議進行分類闡述；其次，詳述源驅動路由協議(Ad-Hoc on-demand distance vector routing，AODV)、按需多徑距離矢量路由協議(Ad-Hoc on-demand multipath distance vector routing，AOMDV)和混合式無線網狀路由協議(hybrid wireless Mesh protocol routing，HWMP) 3種常見路由協議的性能，系統地提出3種協議應用于礦山應急通信時的改進措施與發展現狀；最后對礦山Mesh網絡路由協議的研究方向進行總結和展望。

1 Mesh路由協議概述

WMN基于Ad Hoc發展而來，WMN的路由協議算法是源于Ad Hoc網絡中的源路徑路由協議但煤礦井下無線通信網絡結構較為特殊，網絡中的節點位置幾乎固定不變，移動性較小且網絡結構主要以鏈狀形式存在，文獻[10]對WMN啟動的研究結果表明，對于超過4跳的路徑，基于TCP協議的端到端吞吐量在達到47.3 Kb/s時，其延遲是40 ms，該研究表明，在WMN中，802.11MAC協議性能并不足以用于礦井下無線通信網絡。故選擇路由協議時需對其進行改進再使用[11]。

路由協議按照網絡拓撲結構和按照路由發現策略分類，如圖1所示。現存礦山應急通信的無線Mesh網絡的主流協議按照路由發現策略可以分為3類，分別是主動式路由協議、按需式路由協議和混合式路由協議[12]。

圖1 無線Mesh網絡路由協議分類[12]Fig.1 Classification of routing protocols in wireless Mesh networks[12]

2 煤礦無線Mesh網絡主流協議及研究熱點

路由協議是無線Mesh網絡優于其他網絡的主要優勢，更優化的路由協議是WMN成敗的關鍵[13]。煤礦井下的電纜會為網絡中的節點進行固定電源供電，路由協議的節點能耗不是選擇協議的首要考慮問題，網絡業務中不同網關之間的負載均衡成為主要考慮方向。為此，通過翻閱文獻，重點對AODV、AOMDV、HWMP 3類協議進行詳細研究。

2.1 主動式路由協議

主動式(proactive protocol)路由協議主要稱為表驅動路由協議[14]，在網絡拓撲結構改變后，從每個網絡設備的路由表中總結出網絡當前拓撲向周圍設備發送路由更新消息，使收到消息的設備修改路由表，使路由信息更加一致。主動式路由協議主要由目的節點序列距離矢量路由(distance vector of destination node sequence，DSDV)協議、無線路由協議(wireless routing protocol，WRP)、優化鏈路狀態路由(optimized link state routing，OLSR)協議[15]。文獻[16]研究表明二者都具有較高的丟包率。DSDV基于靜電Bellman-Ford路由算法在表驅動路由協議的基礎上做出了改進[17]，DSDV的路由表會在整個網絡中定期傳輸保證表的一致性，每個條目都會由目標節點分配相應的序列號，避免移動網絡中路由環路。路由表中條目被發送，一個增量被更新。

DSDV作為主動式路由協議的代表性協議，與其他主動式路由協議相比，有一定的優勢，但應用于礦山無線網絡還有一定的局限性，文獻[18]利用OMNeT++5.3仿真使DSDV路由協議支持服務質量(quality of service，Qos)，設置目的節點為固定節點和目的節點為任意節點兩組對照，與不支持Qos的協議對比均提高了服務質量和減少擁塞。盡管如此，由于主動式路由協議本身特性是發現網絡拓撲后，向周圍設備發消息，收到消息的設備再進行更新，周期性地發送消息，協議開銷巨大，文獻[15]將DSDV和AODV路由協議進行對比表明：在時延方面，AODV路由協議是在存在需求時獲得節點路由，時延較高。DSDV更優，但在應對網絡拓撲變化、可擴展性以及路由開銷方面，DSDV均無優勢，DSDV和AODV的性能如表1所示，相對于反應式路由協議，主動式路由協議并不適用于移動小的礦山無線網絡，因此，將DSDV應用于礦山通信的研究文獻較少，便不再多贅述。

表1 DSDV和AODV的對比[15]Table 1 Comparison of DSDV and AODV[15]

2.2 按需式路由協議

按需式路由協議又稱為反應式路由協議[15]，在設備路由表中沒有目的設備的路由信息時，啟動路由發現過程。在有通信需求時，自動按照算法搜尋路由且無需維護每個節點的路由表[19]。按需式路由協議主要有按需路由協議主要有AODV[20]、臨時預定路由(temporally-ordered routing algorithm，TORA)協議[21]和動態源路由(dynamic source routing，DSR)協議[22]。文獻[23]研究表明，TORA和DSR無論是開銷還是丟包率均比AODV高，當節點數量密切增加時，DSR優于TORA協議，AODV相對DSR和TORA協議有更低的延遲，整體穩定性也更好。但煤礦井下通信系統較為特殊，直接用于礦山應急通信有很大的缺陷，需對AODV路由協議進行改進后再使用更匹配礦山應急情景。

2.2.1 AODV協議

標準AODV路由協議在路由發現的過程中數據傳輸響應時間過長，不適合礦山中高負載的WMNs網絡環境，改進的AODV路由協議主要是對路由器增加接口，考慮節點負載、鏈路負載以及鏈路質量等因素增加網絡吞吐量，降低端到端延遲，最終提高網絡服務質量(Qos)。文獻[24]在AODV路由協議的基礎上提出支持多接口多路徑的路由協議MM-AODV，有效抑制了節點之間的干涉，但AODV協議的網絡拓撲結構改變后會增加鏈路修復，AODV路由協議主要有源節點路由重建和本地修復兩種路由修復方法，沈奔等[25]采用備份路由的方式建立多跳路徑，本著選擇較高優先級先通信，次高級依次傳輸的原則，減少鏈路修復，文獻[26-27]分別采用基于模糊法進行源節點路由重建和采用光博控制消息和記錄節點地址的技術進行路由重建，選擇最可信的節點來構造源和目的節點之間的路由，加強路由修復并減少路由發現次數。

在負載均衡方面， AODV 路由協議作為典型的反應式路由協議，沒有考慮鏈路質量和負載，而是只選擇最小跳數的路徑[28]，文獻[29]考慮了帶寬和延遲要求，根據跳數和路徑擁塞計算路徑的路由成本，提出基于AODV的Qos感知路由協議QAODV(Qos_AODV)協議，在吞吐量和平均端到端時延等性能方面得到了改進。文獻[28]在Qos_AODV基礎上考慮了鏈路與節點的負載情況，設計源節點在進行路由請求時，可以選擇滿足時延要求的節點轉發路由請求至目的節點，文獻[28]提出了一種基于負載均衡與時延約束的自組織網絡按需距離矢量路由協議(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，采用網絡模擬軟件(network simulator version2，NS2 )測試了AODV、Qos_AODV和BD_AODV的數據發送率和節點個數分別對端對端時延和丟包率的執行情況；測試了3種協議的數據發送速率與節點個數對端對端時延的影響情況(圖2)，3種協議的數據發送速率與節點個數對丟包率的影響情況，如圖3所示。

由圖2可知，隨著節點個數和數據發送速率的增加，3種協議的整體性能均有所下降，平均時延都有上升趨勢。

由圖3可知，節點路徑逐漸增加，數據傳輸的可用路徑增加，3種協議的丟包率逐漸下降趨于穩定。而每秒的數據發送速率增加時，丟包率均呈遞增趨勢。BD_AODV能夠選擇最小負載的路由，減少反向路由和路由分組排隊時間，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于其他兩種路由協議。

文獻[30]在文獻[28]的基礎上將具有較大剩余能量的節點作為下一跳節點，在原AODV路由協議的基礎上建立多跳路由來滿足鏈路的負載均衡，增加緩沖隊列以存儲多跳路徑提出改進型協議，時間延時和平均負載均低于文獻[28]所述的BD_AODV協議。兩種協議性能對比如圖4所示。

圖2 3種協議的端-端時延影響情況對比[28]Fig.2 Comparison of end-to-end delay effects of the three protocols[28]

圖3 3種協議的丟包率影響情況對比[28]Fig.3 Comparison of the impact of the packet loss rate of the three protocols[28]

AODV用于多個移動節點之間組建網絡拓撲，移動節點并不適用于礦山中低速的網絡環境，但路由節點在無線設備正常工作后移動較小且數據傳輸效率較高，更好地實現礦井下骨干網絡提供網絡中繼以及有利于定點傳感設備數據無線回傳[31]。終端節點相對路由節點能夠周期性清除節點路由信息，可以任意移動并根據移動的位置及時變更所在地的網絡結構，相對路由節點，終端節點適用于礦井攜帶便攜式終端設備的數據上傳。文獻[31]提出路由節點和終端節點共同組成的基于AODV路由協議的低速自組網絡拓撲結構，考慮路由路徑上節點的傳輸數據量對路由信息進行傳輸路徑負載優化，縮短路由有效時間。用式(1)計算單節點的無線負載系數，判斷數據流繁忙程度，優化路由信息的有效時間。

(1)

式(1)中：θi為被測節點i的無線負載系數；M為節點的數據發送量；Mmax為單個節點的最大數據發送量。

圖4 兩種協議的時間延遲和負載對比[30]Fig.4 Time delay and load comparison of the two protocols[30]

以上文獻僅考慮了單層節點路由附近的無線數據量，當響應單個路由請求數據包對應多個路由應答數據包時，會產生過多的控制開銷，AODV會由于周期性信標導致不必要的帶寬消耗。陳侃松等[32]采用網絡節點移動速度提出鏈路權值，提出結合局部鄰居節點數量計算動態轉發概率，選擇最佳路由路徑，采用將物理層和MAC層的LQI信息傳遞給網絡層的跨層思想，提高AODV協議數據包的投遞率與鏈路時效性，其中所涉及的因素說明如表2所示。

AODV以最小跳數作為路由判據[33]，但鏈路質量和傳輸速率同樣會影響傳輸時延，僅以跳數為標準對路由判據進行選擇不合理，鏈路質量差以及網絡堵塞時都會影響路由判據，不能直接應用于礦井網絡，文獻[34]結合礦井背壓式策略，綜合考慮鏈路質量和礦下實際工作環境，對選擇節點時鏈路中的參數進行合理選擇，提高網絡生存時間和網絡服務質量。為了繼續提高礦山環-中網絡服務質量和保持數據傳輸的完整性，文獻[35]在路由建立過程中加入區塊鏈，設置在節點移動速度、數據包發送率以及節點數均不同的3組對照實驗，實驗結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[36]考慮數據傳輸過程中能量消耗較大導致堵塞，提出CE-AODV-H改進路由協議，將擁塞和能量狀態分級并以跳數為標準呈現擁堵狀態和剩余路徑，仿真結果表明在暫停時間為20～100 s時數據包投遞速率均在92%以上而AODV均在90%左右。在礦山應急通信的信息傳輸過程中，當AODV的重傳次數增加時，會造成過多的能量消耗導致網絡風暴，故考慮如何減少能量消耗是改進AODV路由協議整體性能的關鍵因素。

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

2.2.2 AOMDV協議

在動態變化的網絡中擁有更高性能的AODV協議在應用于低速無線網絡的礦山中時依然需要進行改進增加匹配度，無線自組網按需多路徑距離矢量路由(AOMDV)協議是在無線自組網按需平面距離矢量路由(AODV)協議的基礎上改進而來的一種節點不相交多路由協議，能夠在進行多徑路由選擇時尋找其他備用路徑。Mostafa等[37]研究表明AOMDV協議路由發現頻率更快且AOMDV可以降低在路徑斷開時引起的路由消耗，比AODV協議更適用于WMN。文獻[38]設計仿真實驗，通過增加節點數量觀測AODV和AOMDV的吞吐量和時延情況，驗證了這一說法。AODV與AOMDV在端對端時延和吞吐量之間的對比如圖5所示。

AOMDV協議的吞吐量整體優于AODV，但端到端時延在節點增加時性能逐漸減弱，原因是在主路徑切換備用路徑時容易產生時延抖動以及路由重傳丟包率增加，文獻[39]仿真結果表明采用分散路由的思想同時加入延時算法對AOMDV進行改進，可以避免主路徑變換到備用路徑時導致的路徑斷裂情況，當節點移動速度超過30 m/s時明顯提高網絡傳輸性能。除此之外，該協議在路由表中保留不相交鏈路導致路由維護階段消耗過多能量，文獻[40]針對此問題對AOMDV的多徑路由協議進行改進得到新的基于能量的多徑路由協議PE-AOMDV，降低傳輸時延和路由開銷，解決了礦井下網絡拓撲動態變化以及頻繁鏈路失效的問題。文獻[41]實時監測傳輸隊列緩存區的長度，對多徑路由協議改善鏈路壓力，以此啟動路由修復機制，提高網絡整體性能。

圖5 AODV和AOMDV性能對比[38]Fig.5 Performance comparison of AODV and AOMDV[38]

但此項研究未考慮節點負荷、剩余能量等參數，針對AOMDV本身存在節點的能量消耗過大的問題，文獻[42]提出采用能量消耗的策略來平衡網絡中每個節點的能量消耗的協議AOMDV_EC，能夠在路由洪泛和路由應答過程中通過對節點剩余能量進行保護，針對能量消耗較快的節點，設計實現路由分流，降低能耗并延長了網絡生存時間避免網絡分裂。文獻[43]則基于能量約束設計了一種負載均衡路由協議，此協議在MAC層接口隊列長度較低、剩余能量較高的節點轉發報文，使其在節點能耗和路由發現頻率等性能都得到了有效的提高。

2.3 混合式路由協議

混合式路由協議結合先驗式路由協議和反應式路由協議的優點，目標節點較近時采用先驗式路由協議，縮小路由控制消息的傳播范圍，準確維護路由協議[44]。目標節點較遠時采用反應式路由協議自動搜尋路由，按需發送路由請求?；旌鲜铰酚蓞f議主要有混合式無線網狀路由(hybrid wireless Mesh protocol，HWMP)協議和區域路由(zone routing protocol，ZRP)協議[45]。文獻[46]針對現有路由協議依賴IP層啟動多跳通信不能準確捕獲無線鏈路的性質，將HWMP設置為默認路由協議，廣播時間指標作為默認路由指標，以鏈路狀態路由為基礎，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，最早發現的路由不一定是主路徑，而是在所有發現的可用路由中選取路徑的總開銷最小的路由作為主路徑，在源節點和目的節點之間最快地找到合適的路由式是多徑路由發現機制的核心[47]。文獻[48]結合巷道具體環境和MIC(metric of interference and channel switching)判據進行電磁波衰減理論分析和節點間距設計，將主動式路由協議與按需路由協議相結合?；旌鲜铰酚蓞f議結合了按需驅動路由協議的靈活性與主動路由協議的速度快的特點，該文獻結合Mesh網絡和指揮調度平臺，建立了對煤礦井下環境參數以及多媒體調度通信的應急救援系統。

礦山無線Mesh網絡中節點間通信復雜多變，傳統路由協議容易忽略鏈路負載，常因鏈路參差不齊，節點負荷過大而傳輸速率降低，HWMP作為IEEE 802.11s標準的默認路由選擇協議包括主動建樹機制和按需機制，兩種機制均通過使用廣播時間成本來估計路徑的性能，選擇數據包的最優路徑[49]。在路由協議的判據因素中，為避免所選鏈路跳數過大則必須把跳數作為重要參數。文獻[50]提出了支持多網關的 M-HWMP協議，多個網關節點共同構建路徑樹，設計以每個網關節點均為根節點的多棵路由樹，將節點距離網關的跳數作為考慮因素，使數據傳輸時不會僅在一個網關上，而是分散在多個網關上增加Mesh網絡傳輸能力的問題。文獻[51]在M-HWMP協議基礎上考慮負載均衡功能，在Mesh管理幀中添加路徑負載信息位，在樹形路由協議上設計負載約束，采用節點負載和丟包率作為路由判據，提出多網關路由協議LBMP-HWMP。其中，文獻[51]采用節點負載使用緩沖區中的當前隊列長度Lcurrent與緩沖區中的隊列長度Lmax的比值Loadi來衡量。

(2)

式(2)中：Loadi為節點i的負載；Loadthreshold為小于1的節點負載臨界值。當Loadi>Loadthreshold時，表示節點已到傳輸瓶頸。文獻[52]綜合考慮鏈路干擾和節點負載，對不同分層采用不同路由方式提出了基于HWMP協議的LB-IA-HWMP協議，估算節點負載能力，分配節點任務隊列，識別并避開預防網絡的熱點區域提高數據傳輸，促使節點負載均衡，吞吐量穩步增加。文獻[52]比較了LB-IA-HWMP和LBMP-HWMP在多網關情況下各影響因素的數據發送速率(圖6)，前者在平均端到端時延、丟包率和網絡吞吐量方面更優越。

礦山巷道內所布置的通信設備需經多次轉發才能傳到網關，容易在轉發過程中產生數據分散[53]，以上研究在路由判據的選擇上僅僅考慮節點會影響數據傳輸的準確性，文獻[54]針對此問題提出利用馬爾可夫鏈模型來設計路由判據的路由消耗。文獻[55]提出將MAC層中的信道質量參數提取到路由判據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，文獻[56]引入跨層設計方法，提出綜合路由判據的跨層協議，在原有協議中增加退避機制，降低移動節點沖突，提高了數據包投遞成功率。文獻[57]采用集成鏈路狀態路由準則算法LCCM和多路徑多網關分流機制，對HWMP協議進行改進得到HWMMRP協議，解決了在根節點堵塞的問題，提高動態負載平衡能力。與此同時，內部惡意節點在數據傳輸時容易導致安全路由機制分組丟失[58]。文獻[59]對節點行為進行評價，計算出節點的綜合信譽值，并將其與當前信譽值相結合，剔除路由機制惡意節點，提高了該協議的惡意節點識別率，防止數據分組丟失。

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[60]面對混合無線Mesh網絡新增節點開銷較大以及更新消息造成網絡堵塞的問題，提出修改原信息元素PREQ和PREP(path request)的幀結構，引入兩個信息元素ACK(acknowledgement)與NACK(negative acknowledgement )接收和確認源消息。文獻[61]為了使算法更好地適應真實網絡環境，利用節點間的歷史交互數據，提出基于效用轉發的路由快速恢復算法，動態獲取不同環境下的效用值的影響因素所占權重值。解決了無線Mesh網絡在不同的網絡環境下效用值的影響因素產生的不同資源浪費問題。

3 總結與展望

目前礦山應急通信系統絕大多數是基于無線Mesh網狀拓撲結構來實現信息的傳輸與網絡服務的獲取，對于礦山無線Mesh網絡，由于其特殊的低速網絡結構，沒有最好路由協議只能選擇最合適的協議，其中路由協議的傳輸時延、網絡能耗等問題影響著WMN的網絡性能，本文研究主要介紹了3種常見路由協議AODV、AOMDV、HWMP的特性以及改進進展。

(1)針對AODV協議，主要通過使用分散數據流傳輸、構造源和目的節點的方法改進AODV協議，從而解決因按需反應時端到端時延較高的問題，達到提高網絡吞吐率的效果。

(2)針對AOMDV協議，主要使用能量消耗策略來平衡網絡節點的消耗對AOMDV進行了改進，延長網絡生存時間。

(3)針對HWMP協議，主要對Mesh網絡的傳輸能力方面對HWMP進行改進，優化了新增節點域間的移動管理機制通，解決了WMN節點移動過程中能耗大問題。

其中，AODV在節點速度大于30 m/s時的時延較其他兩種協議高，但AODV穩定性較高，在節點損耗，路由開銷等方面均優于其他協議，研究結果表明在無線Mesh網絡的路由協議的鏈路質量和路由判據方面將AODV路由協議進行改進更加適合礦山低速無線Meah網絡。盡管各個團隊對無線Mesh網絡進行了全方面的改進，WMNs仍然面對可擴展性、可靠性、鏈路故障、靈活性、數據機密性和其他網絡管理問題。隨著節點數量的增加，保持新的路由信息逐漸有挑戰性，在今后的研究中，可以將高動態無線Mesh網絡中的彈性路由方法用在礦山應急通信中，在缺乏當前網絡信息時，可以彈性地處理動態網絡。