孙红雨， 宋娇， 刘霞， 陈雨， 孙佳诺

(山东科技大学电子信息工程学院， 青岛 266590)

近年来由于煤矿事故频发且无线通信技术水平的提高，各煤矿大国都加快了将无线通信技术应用于煤矿应急系统的研究。无线网状网络(wireless Mesh network，WMN)是一种有别于传统网络的大容量高速率新型分布式的基于多跳路由模型的通信网络，具备网状拓扑结构，利用分布思想构建网络，将其用于移动性偏小的矿山应急通信系统大大发挥了本身特性，增加网络传输效率[1]。矿用应急WMN与光纤通信网络相结合，如果光纤通信网络受到损害时，网络链路将自动跳转WMN，提升网络通信系统可靠性[2]。为实现完整无线覆盖矿井巷道，矿山传输通信骨干链路由无线Mesh路由器(Mesh router，MR)组成，为部署在井下的Mesh应用终端(Mesh client，MC)提供无线宽带接入，当有线网络出口与MR直接连接时，地面应急通信的交换指挥中心将通过MR汇聚各种应用数据，成为无线Mesh网关(Mesh gateway，MG)[3]。

无线Mesh网络的研究在1990年开始兴起，凭借其动态拓扑，传输速率大，网络覆盖范围大以及组网成本相对较低等优点得到了各国学者的重点关注，成为建设煤矿井下抢险救灾无线通信系统最理想和最有效的途径[4]。WMN在煤矿开采井下复杂环境中能够构建稳定的连接以及提供无线宽带接入信号[5]，因而WMN已成为无线应急通信系统中的重要研究方向之一。WMN分别融合了无线局域网(WLAN)与Ad Hoc的优点，基于MAC协议、路由协议、TCP/IP、802.11等研究而来共经历了三代演变，起初Mesh节点中只有1个2.4 GHz无线网卡，无线接力只支持3～7跳，第二代Mesh网络中，文献[6]研究了2.4 GHz和5.8 GHz微波井下传播特性，2.4 GHz链路用作完成网络的无线接入，5.8 GHz用于处理多跳传输业务，设置两个无线网卡，支持5～10跳，推动矿山无线通信系统的研究，但在超过1 km的远距离通信时仍不能发挥很好的作用，目前第三代无线Mesh基站相邻节点能够进行独立的网络回传，并安置多个5.8 GHz回传链路，覆盖范围更广。文献[7]用实验证明了基于无线Mesh网络的煤矿应急救援通信系统网络性能更优异，并且可以远程采集矿井环境中的环境参数，通过进行语音通信对其传达指令来确定目标的位置。这一实验对使用WMN采集矿中详细信息提供了可能，针对矿井环境复杂导致采集信息不稳定这一问题，文献[8]针对煤矿应急通信系统的特点和复杂的矿井环境，重新分析可系统的组网方式和结构，为构建新的井下应急救援无线通信系统提供了理论依据；文献[9]设计了新的WMN应急救援通信网络系统架构并提出了Mesh网络节点布放要求和节点覆盖能力估算，并且肯定了WMN路由协议对于提高网络性能的重要作用。

近年来，5G技术迅速发展，路由协议性数据处理和传输速度明显提高，但即使有5G技术的支持，网关业务量增大时不同网关之间的均衡负载避免节点拥堵仍是目前WMN路由协议急需解决的问题。

鉴于此，现基于2000—2022年期刊数据库中收录的61篇Mesh无线网络的相关代表性文献，首先对无线Mesh网络的基本情况及其3类路由协议进行分类阐述；其次，详述源驱动路由协议(Ad-Hoc on-demand distance vector routing，AODV)、按需多径距离矢量路由协议(Ad-Hoc on-demand multipath distance vector routing，AOMDV)和混合式无线网状路由协议(hybrid wireless Mesh protocol routing，HWMP) 3种常见路由协议的性能，系统地提出3种协议应用于矿山应急通信时的改进措施与发展现状；最后对矿山Mesh网络路由协议的研究方向进行总结和展望。

1 Mesh路由协议概述

WMN基于Ad Hoc发展而来，WMN的路由协议算法是源于Ad Hoc网络中的源路径路由协议但煤矿井下无线通信网络结构较为特殊，网络中的节点位置几乎固定不变，移动性较小且网络结构主要以链状形式存在，文献[10]对WMN启动的研究结果表明，对于超过4跳的路径，基于TCP协议的端到端吞吐量在达到47.3 Kb/s时，其延迟是40 ms，该研究表明，在WMN中，802.11MAC协议性能并不足以用于矿井下无线通信网络。故选择路由协议时需对其进行改进再使用[11]。

路由协议按照网络拓扑结构和按照路由发现策略分类，如图1所示。现存矿山应急通信的无线Mesh网络的主流协议按照路由发现策略可以分为3类，分别是主动式路由协议、按需式路由协议和混合式路由协议[12]。

图1 无线Mesh网络路由协议分类[12]Fig.1 Classification of routing protocols in wireless Mesh networks[12]

2 煤矿无线Mesh网络主流协议及研究热点

路由协议是无线Mesh网络优于其他网络的主要优势，更优化的路由协议是WMN成败的关键[13]。煤矿井下的电缆会为网络中的节点进行固定电源供电，路由协议的节点能耗不是选择协议的首要考虑问题，网络业务中不同网关之间的负载均衡成为主要考虑方向。为此，通过翻阅文献，重点对AODV、AOMDV、HWMP 3类协议进行详细研究。

2.1 主动式路由协议

主动式(proactive protocol)路由协议主要称为表驱动路由协议[14]，在网络拓扑结构改变后，从每个网络设备的路由表中总结出网络当前拓扑向周围设备发送路由更新消息，使收到消息的设备修改路由表，使路由信息更加一致。主动式路由协议主要由目的节点序列距离矢量路由(distance vector of destination node sequence，DSDV)协议、无线路由协议(wireless routing protocol，WRP)、优化链路状态路由(optimized link state routing，OLSR)协议[15]。文献[16]研究表明二者都具有较高的丢包率。DSDV基于静电Bellman-Ford路由算法在表驱动路由协议的基础上做出了改进[17]，DSDV的路由表会在整个网络中定期传输保证表的一致性，每个条目都会由目标节点分配相应的序列号，避免移动网络中路由环路。路由表中条目被发送，一个增量被更新。

DSDV作为主动式路由协议的代表性协议，与其他主动式路由协议相比，有一定的优势，但应用于矿山无线网络还有一定的局限性，文献[18]利用OMNeT++5.3仿真使DSDV路由协议支持服务质量(quality of service，Qos)，设置目的节点为固定节点和目的节点为任意节点两组对照，与不支持Qos的协议对比均提高了服务质量和减少拥塞。尽管如此，由于主动式路由协议本身特性是发现网络拓扑后，向周围设备发消息，收到消息的设备再进行更新，周期性地发送消息，协议开销巨大，文献[15]将DSDV和AODV路由协议进行对比表明：在时延方面，AODV路由协议是在存在需求时获得节点路由，时延较高。DSDV更优，但在应对网络拓扑变化、可扩展性以及路由开销方面，DSDV均无优势，DSDV和AODV的性能如表1所示，相对于反应式路由协议，主动式路由协议并不适用于移动小的矿山无线网络，因此，将DSDV应用于矿山通信的研究文献较少，便不再多赘述。

表1 DSDV和AODV的对比[15]Table 1 Comparison of DSDV and AODV[15]

2.2 按需式路由协议

按需式路由协议又称为反应式路由协议[15]，在设备路由表中没有目的设备的路由信息时，启动路由发现过程。在有通信需求时，自动按照算法搜寻路由且无需维护每个节点的路由表[19]。按需式路由协议主要有按需路由协议主要有AODV[20]、临时预定路由(temporally-ordered routing algorithm，TORA)协议[21]和动态源路由(dynamic source routing，DSR)协议[22]。文献[23]研究表明，TORA和DSR无论是开销还是丢包率均比AODV高，当节点数量密切增加时，DSR优于TORA协议，AODV相对DSR和TORA协议有更低的延迟，整体稳定性也更好。但煤矿井下通信系统较为特殊，直接用于矿山应急通信有很大的缺陷，需对AODV路由协议进行改进后再使用更匹配矿山应急情景。

2.2.1 AODV协议

标准AODV路由协议在路由发现的过程中数据传输响应时间过长，不适合矿山中高负载的WMNs网络环境，改进的AODV路由协议主要是对路由器增加接口，考虑节点负载、链路负载以及链路质量等因素增加网络吞吐量，降低端到端延迟，最终提高网络服务质量(Qos)。文献[24]在AODV路由协议的基础上提出支持多接口多路径的路由协议MM-AODV，有效抑制了节点之间的干涉，但AODV协议的网络拓扑结构改变后会增加链路修复，AODV路由协议主要有源节点路由重建和本地修复两种路由修复方法，沈奔等[25]采用备份路由的方式建立多跳路径，本着选择较高优先级先通信，次高级依次传输的原则，减少链路修复，文献[26-27]分别采用基于模糊法进行源节点路由重建和采用光博控制消息和记录节点地址的技术进行路由重建，选择最可信的节点来构造源和目的节点之间的路由，加强路由修复并减少路由发现次数。

在负载均衡方面， AODV 路由协议作为典型的反应式路由协议，没有考虑链路质量和负载，而是只选择最小跳数的路径[28]，文献[29]考虑了带宽和延迟要求，根据跳数和路径拥塞计算路径的路由成本，提出基于AODV的Qos感知路由协议QAODV(Qos_AODV)协议，在吞吐量和平均端到端时延等性能方面得到了改进。文献[28]在Qos_AODV基础上考虑了链路与节点的负载情况，设计源节点在进行路由请求时，可以选择满足时延要求的节点转发路由请求至目的节点，文献[28]提出了一种基于负载均衡与时延约束的自组织网络按需距离矢量路由协议(enhancedrouting protocol on ad hoc on-demand distance vector with load balance and delay restriction，BD_AODV)，在不同影响因素下，采用网络模拟软件(network simulator version2，NS2 )测试了AODV、Qos_AODV和BD_AODV的数据发送率和节点个数分别对端对端时延和丢包率的执行情况；测试了3种协议的数据发送速率与节点个数对端对端时延的影响情况(图2)，3种协议的数据发送速率与节点个数对丢包率的影响情况，如图3所示。

由图2可知，随着节点个数和数据发送速率的增加，3种协议的整体性能均有所下降，平均时延都有上升趋势。

由图3可知，节点路径逐渐增加，数据传输的可用路径增加，3种协议的丢包率逐渐下降趋于稳定。而每秒的数据发送速率增加时，丢包率均呈递增趋势。BD_AODV能够选择最小负载的路由，减少反向路由和路由分组排队时间，从而减少丢包率和平均延迟，在两种不同因素下的整体性能能均优于其他两种路由协议。

文献[30]在文献[28]的基础上将具有较大剩余能量的节点作为下一跳节点，在原AODV路由协议的基础上建立多跳路由来满足链路的负载均衡，增加缓冲队列以存储多跳路径提出改进型协议，时间延时和平均负载均低于文献[28]所述的BD_AODV协议。两种协议性能对比如图4所示。

图2 3种协议的端-端时延影响情况对比[28]Fig.2 Comparison of end-to-end delay effects of the three protocols[28]

图3 3种协议的丢包率影响情况对比[28]Fig.3 Comparison of the impact of the packet loss rate of the three protocols[28]

AODV用于多个移动节点之间组建网络拓扑，移动节点并不适用于矿山中低速的网络环境，但路由节点在无线设备正常工作后移动较小且数据传输效率较高，更好地实现矿井下骨干网络提供网络中继以及有利于定点传感设备数据无线回传[31]。终端节点相对路由节点能够周期性清除节点路由信息，可以任意移动并根据移动的位置及时变更所在地的网络结构，相对路由节点，终端节点适用于矿井携带便携式终端设备的数据上传。文献[31]提出路由节点和终端节点共同组成的基于AODV路由协议的低速自组网络拓扑结构，考虑路由路径上节点的传输数据量对路由信息进行传输路径负载优化，缩短路由有效时间。用式(1)计算单节点的无线负载系数，判断数据流繁忙程度，优化路由信息的有效时间。

(1)

式(1)中：θi为被测节点i的无线负载系数；M为节点的数据发送量；Mmax为单个节点的最大数据发送量。

图4 两种协议的时间延迟和负载对比[30]Fig.4 Time delay and load comparison of the two protocols[30]

以上文献仅考虑了单层节点路由附近的无线数据量，当响应单个路由请求数据包对应多个路由应答数据包时，会产生过多的控制开销，AODV会由于周期性信标导致不必要的带宽消耗。陈侃松等[32]采用网络节点移动速度提出链路权值，提出结合局部邻居节点数量计算动态转发概率，选择最佳路由路径，采用将物理层和MAC层的LQI信息传递给网络层的跨层思想，提高AODV协议数据包的投递率与链路时效性，其中所涉及的因素说明如表2所示。

AODV以最小跳数作为路由判据[33]，但链路质量和传输速率同样会影响传输时延，仅以跳数为标准对路由判据进行选择不合理，链路质量差以及网络堵塞时都会影响路由判据，不能直接应用于矿井网络，文献[34]结合矿井背压式策略，综合考虑链路质量和矿下实际工作环境，对选择节点时链路中的参数进行合理选择，提高网络生存时间和网络服务质量。为了继续提高矿山环-中网络服务质量和保持数据传输的完整性，文献[35]在路由建立过程中加入区块链，设置在节点移动速度、数据包发送率以及节点数均不同的3组对照实验，实验结果表明该方法较好的路径生存能力和有较低的误码率。文献[36]考虑数据传输过程中能量消耗较大导致堵塞，提出CE-AODV-H改进路由协议，将拥塞和能量状态分级并以跳数为标准呈现拥堵状态和剩余路径，仿真结果表明在暂停时间为20～100 s时数据包投递速率均在92%以上而AODV均在90%左右。在矿山应急通信的信息传输过程中，当AODV的重传次数增加时，会造成过多的能量消耗导致网络风暴，故考虑如何减少能量消耗是改进AODV路由协议整体性能的关键因素。

表2 影响因素说明[32]Table 2 Description of influencing factors[32]

2.2.2 AOMDV协议

在动态变化的网络中拥有更高性能的AODV协议在应用于低速无线网络的矿山中时依然需要进行改进增加匹配度，无线自组网按需多路径距离矢量路由(AOMDV)协议是在无线自组网按需平面距离矢量路由(AODV)协议的基础上改进而来的一种节点不相交多路由协议，能够在进行多径路由选择时寻找其他备用路径。Mostafa等[37]研究表明AOMDV协议路由发现频率更快且AOMDV可以降低在路径断开时引起的路由消耗，比AODV协议更适用于WMN。文献[38]设计仿真实验，通过增加节点数量观测AODV和AOMDV的吞吐量和时延情况，验证了这一说法。AODV与AOMDV在端对端时延和吞吐量之间的对比如图5所示。

AOMDV协议的吞吐量整体优于AODV，但端到端时延在节点增加时性能逐渐减弱，原因是在主路径切换备用路径时容易产生时延抖动以及路由重传丢包率增加，文献[39]仿真结果表明采用分散路由的思想同时加入延时算法对AOMDV进行改进，可以避免主路径变换到备用路径时导致的路径断裂情况，当节点移动速度超过30 m/s时明显提高网络传输性能。除此之外，该协议在路由表中保留不相交链路导致路由维护阶段消耗过多能量，文献[40]针对此问题对AOMDV的多径路由协议进行改进得到新的基于能量的多径路由协议PE-AOMDV，降低传输时延和路由开销，解决了矿井下网络拓扑动态变化以及频繁链路失效的问题。文献[41]实时监测传输队列缓存区的长度，对多径路由协议改善链路压力，以此启动路由修复机制，提高网络整体性能。

图5 AODV和AOMDV性能对比[38]Fig.5 Performance comparison of AODV and AOMDV[38]

但此项研究未考虑节点负荷、剩余能量等参数，针对AOMDV本身存在节点的能量消耗过大的问题，文献[42]提出采用能量消耗的策略来平衡网络中每个节点的能量消耗的协议AOMDV_EC，能够在路由洪泛和路由应答过程中通过对节点剩余能量进行保护，针对能量消耗较快的节点，设计实现路由分流，降低能耗并延长了网络生存时间避免网络分裂。文献[43]则基于能量约束设计了一种负载均衡路由协议，此协议在MAC层接口队列长度较低、剩余能量较高的节点转发报文，使其在节点能耗和路由发现频率等性能都得到了有效的提高。

2.3 混合式路由协议

混合式路由协议结合先验式路由协议和反应式路由协议的优点，目标节点较近时采用先验式路由协议，缩小路由控制消息的传播范围，准确维护路由协议[44]。目标节点较远时采用反应式路由协议自动搜寻路由，按需发送路由请求。混合式路由协议主要有混合式无线网状路由(hybrid wireless Mesh protocol，HWMP)协议和区域路由(zone routing protocol，ZRP)协议[45]。文献[46]针对现有路由协议依赖IP层启动多跳通信不能准确捕获无线链路的性质，将HWMP设置为默认路由协议，广播时间指标作为默认路由指标，以链路状态路由为基础，反映在特定链路上传输帧所消耗的信道资源。

在多径HWMP路由算法中，最早发现的路由不一定是主路径，而是在所有发现的可用路由中选取路径的总开销最小的路由作为主路径，在源节点和目的节点之间最快地找到合适的路由式是多径路由发现机制的核心[47]。文献[48]结合巷道具体环境和MIC(metric of interference and channel switching)判据进行电磁波衰减理论分析和节点间距设计，将主动式路由协议与按需路由协议相结合。混合式路由协议结合了按需驱动路由协议的灵活性与主动路由协议的速度快的特点，该文献结合Mesh网络和指挥调度平台，建立了对煤矿井下环境参数以及多媒体调度通信的应急救援系统。

矿山无线Mesh网络中节点间通信复杂多变，传统路由协议容易忽略链路负载，常因链路参差不齐，节点负荷过大而传输速率降低，HWMP作为IEEE 802.11s标准的默认路由选择协议包括主动建树机制和按需机制，两种机制均通过使用广播时间成本来估计路径的性能，选择数据包的最优路径[49]。在路由协议的判据因素中，为避免所选链路跳数过大则必须把跳数作为重要参数。文献[50]提出了支持多网关的 M-HWMP协议，多个网关节点共同构建路径树，设计以每个网关节点均为根节点的多棵路由树，将节点距离网关的跳数作为考虑因素，使数据传输时不会仅在一个网关上，而是分散在多个网关上增加Mesh网络传输能力的问题。文献[51]在M-HWMP协议基础上考虑负载均衡功能，在Mesh管理帧中添加路径负载信息位，在树形路由协议上设计负载约束，采用节点负载和丢包率作为路由判据，提出多网关路由协议LBMP-HWMP。其中，文献[51]采用节点负载使用缓冲区中的当前队列长度Lcurrent与缓冲区中的队列长度Lmax的比值Loadi来衡量。

(2)

式(2)中：Loadi为节点i的负载；Loadthreshold为小于1的节点负载临界值。当Loadi>Loadthreshold时，表示节点已到传输瓶颈。文献[52]综合考虑链路干扰和节点负载，对不同分层采用不同路由方式提出了基于HWMP协议的LB-IA-HWMP协议，估算节点负载能力，分配节点任务队列，识别并避开预防网络的热点区域提高数据传输，促使节点负载均衡，吞吐量稳步增加。文献[52]比较了LB-IA-HWMP和LBMP-HWMP在多网关情况下各影响因素的数据发送速率(图6)，前者在平均端到端时延、丢包率和网络吞吐量方面更优越。

矿山巷道内所布置的通信设备需经多次转发才能传到网关，容易在转发过程中产生数据分散[53]，以上研究在路由判据的选择上仅仅考虑节点会影响数据传输的准确性，文献[54]针对此问题提出利用马尔可夫链模型来设计路由判据的路由消耗。文献[55]提出将MAC层中的信道质量参数提取到路由判据中的新路径选择算法，有效考虑到无线信道中的多重变化因素，同时，文献[56]引入跨层设计方法，提出综合路由判据的跨层协议，在原有协议中增加退避机制，降低移动节点冲突，提高了数据包投递成功率。文献[57]采用集成链路状态路由准则算法LCCM和多路径多网关分流机制，对HWMP协议进行改进得到HWMMRP协议，解决了在根节点堵塞的问题，提高动态负载平衡能力。与此同时，内部恶意节点在数据传输时容易导致安全路由机制分组丢失[58]。文献[59]对节点行为进行评价，计算出节点的综合信誉值，并将其与当前信誉值相结合，剔除路由机制恶意节点，提高了该协议的恶意节点识别率，防止数据分组丢失。

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

文献[60]面对混合无线Mesh网络新增节点开销较大以及更新消息造成网络堵塞的问题，提出修改原信息元素PREQ和PREP(path request)的帧结构，引入两个信息元素ACK(acknowledgement)与NACK(negative acknowledgement )接收和确认源消息。文献[61]为了使算法更好地适应真实网络环境，利用节点间的历史交互数据，提出基于效用转发的路由快速恢复算法，动态获取不同环境下的效用值的影响因素所占权重值。解决了无线Mesh网络在不同的网络环境下效用值的影响因素产生的不同资源浪费问题。

3 总结与展望

目前矿山应急通信系统绝大多数是基于无线Mesh网状拓扑结构来实现信息的传输与网络服务的获取，对于矿山无线Mesh网络，由于其特殊的低速网络结构，没有最好路由协议只能选择最合适的协议，其中路由协议的传输时延、网络能耗等问题影响着WMN的网络性能，本文研究主要介绍了3种常见路由协议AODV、AOMDV、HWMP的特性以及改进进展。

(1)针对AODV协议，主要通过使用分散数据流传输、构造源和目的节点的方法改进AODV协议，从而解决因按需反应时端到端时延较高的问题，达到提高网络吞吐率的效果。

(2)针对AOMDV协议，主要使用能量消耗策略来平衡网络节点的消耗对AOMDV进行了改进，延长网络生存时间。

(3)针对HWMP协议，主要对Mesh网络的传输能力方面对HWMP进行改进，优化了新增节点域间的移动管理机制通，解决了WMN节点移动过程中能耗大问题。

其中，AODV在节点速度大于30 m/s时的时延较其他两种协议高，但AODV稳定性较高，在节点损耗，路由开销等方面均优于其他协议，研究结果表明在无线Mesh网络的路由协议的链路质量和路由判据方面将AODV路由协议进行改进更加适合矿山低速无线Meah网络。尽管各个团队对无线Mesh网络进行了全方面的改进，WMNs仍然面对可扩展性、可靠性、链路故障、灵活性、数据机密性和其他网络管理问题。随着节点数量的增加，保持新的路由信息逐渐有挑战性，在今后的研究中，可以将高动态无线Mesh网络中的弹性路由方法用在矿山应急通信中，在缺乏当前网络信息时，可以弹性地处理动态网络。