一種用於三表無線集抄的階梯式自組網路由建立方法
2023-10-11 18:23:39
專利名稱：一種用於三表無線集抄的階梯式自組網路由建立方法
一種用於三表無線集抄的階梯式自組網路由建立方法技術領域
本發明屬於電子技術領域，涉及一種用於三表(電錶、水錶、燃氣表)無線集抄的階梯式自組網路由建立方法。
背景技術：
無線自組網是由一組具有路由功能的節點組成的分布式無線多跳網絡。它的節點傳輸範圍有限，源節點在向目的節點發送數據時，通常需要其它節點提供尋徑和中繼功能。 網絡中所有節點和節點間的無線信道構成了網絡的通信拓撲結構。節點的增加、刪除所帶來的拓撲結構變化，會造成通信轉發的路徑發生變化。所以無線自組網需要用動態路由算法來適應拓撲結構的變化，調整路由。
根據路由建立的方式不同，自組網路由可以分為主動式路由、按需路由和混合路由。
主動式路由又稱為表驅動路由，網絡中的每個節點都周期性地進行路由分組廣播，以維護一張包含到達其他所有節點的路由信息的路由表，並根據網絡拓撲的變化隨時更新路由表，以實時準確地反映網絡的拓撲結構。主動式路由的優勢在於目的節點的路由信息存在時，數據分組傳輸過程就可以立即開始，延時很小；劣勢在於需要大量的路由控制報文，協議開銷較大。常用的表驅動路由如下DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector Routing，目的距離矢量路由)、FSR(Fisheye Routing，魚眼狀態路由)、 OLSR(Optimized Link State Routing,優化鏈路狀態路由)等。
按需路由中，節點不需要維護及時準確的路由信息，當有數據分組傳輸需求時才查找路由信息。與主動驅動路由相比，按需路由的開銷小。但是數據報文傳送時延較大， 不適合於網絡規模較大的應用。常用的按需路由如下A0DV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，按需距離矢量路由)、DSR(Dynamic Source Routing，動態源路由)、 TORA(Temporally Ordered Routing，臨時按序路由)等。
混合型路由是對主動式路由和按需路由的綜合。這種路由在小範圍局部區域內採用主動式路由，而在區域外節點的路由查找則採用按需路由。這樣就避免了主動式路由中控制開銷過大問題和按需路由中的長時延問題，常見的層次路由協議包括ZRP(Zone Routing, ) >CEDAR(Core Extraction Distributed Ad Hoc Routing, 11^^ W 分布自組織路由)等。
自組網路由設計需要考慮用戶需求、網絡能力、自組網特點和運行環境等多種因素，針對不同的實際應用需設計採用相適應的協議。
在三表(水錶、電錶、燃氣表)無線集抄的應用中，網絡的主要功能是做單向的數據匯集，通信周期間隔較長。其網絡拓撲結構變化頻率低，一般只有在節點增加、刪除時，才會發生網絡拓撲結構變化。同時，其節點一般由電池供電，能量有限；節點的更換周期同表具的更換周期，一般為5-8年。傳統路由過多的協議開銷和頻繁的路由維護，會造成過多的無用能量損耗，縮短網絡的使用壽命。對固定中繼節點的依賴會造成個別節點的能耗加速。傳統的主動式路由、按需路由和混合路由都不適用於三表無線集抄的場合。所以，需在拓撲結構變化頻率低、以單向數據匯聚為主的網絡環境下，針對三表無線集抄網絡能耗低、整體能耗均衡的需求設計相適應的路由建立方法。發明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是針對應用於三表無線集抄的自組織網絡，設計一種用於三表無線集抄的階梯式自組網路由建立方法。採用本發明的方法，可以在拓撲結構變化頻率低、以單向數據匯聚為主的無線多跳網絡環境中提供快速的路由建立， 並且路由算法開銷少、整體網絡能耗均衡，能使網絡壽命持久。
為方便描述本發明方案，首先相關術語定義如下根節點單個樹形路由的最高級節點，只有下級節點，沒有上級節點，根節點的物理結構與其他節點一樣；聯網節點已經加入到樹形路由的節點； 孤立節點未加入到樹形路由的節點；路由發起節點在單次路由建立過程中，發起路由建立請求的節點； 路由特徵碼用以區分不同路由建立過程的特徵碼；第一上級節點優先級最高的上級節點，每個聯網節點在同一時刻只有一個第一上級節佔.I— /、、、 第二上級節點優先級第二的上級節點，每個聯網節點在同一時刻只有一個第二上級節佔.I— /、、、 跳數數據包到達根節點所需要轉發的次數； 上行路徑由下級節點指向上級節點的鏈路； 下行路徑由上級節點指向下級節點的鏈路。
階梯式路由建立過程在同一路由建立過程中，同一跳數的節點在同一時間排程中建立路由。下一跳節點緊接著上一跳節點路由建立的時間排程後開始路由建立。由此， 在時間排程和拓撲結構上形成階梯排布式的路由建立過程。
根據上述構思，本發明採用以下技術方案一種用於三表無線集抄的階梯式自組網路由建立方法，節點通過功率控制機制建立網絡路由，它包含了路由建立發起和路由響應傳輸兩個過程。
路由建立發起的步驟Sl-I初始化對所有節點進行編碼，要求每個節點擁有一個獨立節點地址和偵聽限制時間，節點編碼可手動指定或自動選擇；根節點編碼獨立設置，並需額外設定路由發起間隔周期和偵聽限制時間；S1-2路由發起間隔周期滿後，根節點生成路由特徵碼並發起路由建立。特徵碼錶可以預先存儲或者自動生成；S1-3路由建立發起時，由路由發起節點發起路由請求RREQ(Route Request，路由請求信息，最初的路由發起節點為根節點)，發送功率為無線通信模塊最大功率的一半； S1-4路由發起節點發起路由請求後，開始偵聽信道，直到超過偵聽限制時間； S1-5接收到RREQ的節點，讀取RREQ中的路由特徵碼、跳數及地址；S1-6如果路由特徵碼和本節點存儲的路由特徵碼相同，節點繼續偵聽，並記錄下偵聽到的RREQ包中跳數比本節點跳數小1的節點地址和對應的接收功率；S1-7如果路由特徵碼和本節點中存儲的路由特徵碼不同，節點將RREQ中的路由特徵碼作為本節點新的路由特徵碼，並將節點的跳數置為N+1 (N為接收到的RREQ中的節點跳數)；S1-8更新路由特徵碼的節點，將持續偵聽RREQ包，並記錄下RREQ中的跳數比本節點跳數小1節點地址和對應的接收功率；S1-9超過偵聽限制時間後，如果記錄中有一個以上節點記錄，選取接收功率最大的兩個節點，將接收功率最大的作為第一上級節點，其次的為第二上級節點；如果記錄中只有一個節點記錄，將其作為第一上級節點和第二上級節點；S1-10如果選取的第一上級節點地址和路由表中原來的第一上級節點相同，那麼將選取的第二上級節點作為第一上級節點放在路由表中；Sl-Il如果路由表中沒有上級節點或者和第一上級節點地址不同，那麼直接更新路由表；S1-12上級節點選取後的節點，開始路由響應傳輸過程；51-13節點在路由響應傳輸過程結束後，重複S1-2 Sl-Il將所有的孤立節點階梯排布式地加入到網絡中。
本路由建立方法為按需路由。在實際應用中，通過根節點發起路由建立請求。通過功率控制和功率監測的方法選出上級節點，迅速建立單向路由。通過逐跳同步的階梯式路由建立和路由特徵碼的方法，使聯網節點不再參與路由建立，避免了路由環路。
單向路由建立後，網絡開始將三表數據匯聚傳輸。通過功率控制機制，在路由算法開銷小的情況下來避免單向鏈路問題。
路由響應傳輸的具體步驟如下52-1節點在Sl-Il結束後，持續偵聽，期間如接收到Data-Ack (Data Acknowledgement，數據確認信息)數據包，或者在S1-4後接收到Data-Ack包，並且其中的路由特徵碼和本節點的路由特徵碼相同，則將Data-Ack數據包中的下跳節點地址刷新為本節點的第一上級節點，以最大發送功率轉發給本節點的第一上級節點；S2-2節點在做單次數據包轉發後，將路由表中的第一上級幾點和第二上級節點互換， 並繼續偵聽；S2-3節點如沒有偵聽到Data-Ack數據包，則繼續偵聽；S2-4超過偵聽限制時間後，節點將自己的採集數據打包成Data-Ack數據包，並以最大發送功率向第一上級節點發送。
在單向路由的基礎上，通過功率控制機制來避免單向鏈路的發生。因為節點收發模塊的發送功率和通信覆蓋範圍的指數倍成正比，發送功率越大，通信的有效覆蓋範圍越大。而在三表無線集抄的應用中，所有節點的物理結構相同、無線收發模塊規格統一。在相同功率下，不同節點的通信覆蓋範圍基本相同。在單向路由建立時，RREQ數據包沿下行路徑以收發模塊最大發送功率的一半發送，而路由響應傳輸數據時，Data-Ack數據包沿上行路徑以收發模塊的最大功率傳輸。這樣，下級節點的可靠通信範圍遠大於上級節點的通信範圍。在三表無線集抄的應用中，節點在數據通信時基本不移動。這樣，通過上述機制，就保證了鏈路雙向通信的暢通。
節點在做數據包的轉發時，通過上級節點的輪換機制，平均分攤了在一次路由數據傳輸過程中，對個別節點的集中能量消耗。在下一次的路由建立中，節點通過功率選擇機制重新選取上級節點，避免了對個別節點通信轉發的依賴，均衡了網絡的整體能耗。
本發明的路由方法具有以下特點1) 一種分布式路由算法。每個聯網節點只知道到自己上級節點的路由，到根節點的路由則由上級節點解決。
2)具有一定自適應能力。能夠適應網絡拓撲結構變化頻率較低的場合，通過快速的按需路由建立來適應網絡的變化。
3)可避免路由環路。網絡按照節點跳數分批建立樹型拓撲。通過路由特徵碼區分聯網節點和孤立節點。在單次路由建立中，已經聯網的節點不再參與拓撲的建立，避免了路由環路。
4)可避免單向鏈路。通過功率控制機制使下級節點的通信覆蓋範圍遠大於上級通信節點，保證了在沒有握手的情況下，雙向鏈路通信的通暢。
5)路由算法開銷較少。在網絡建立時，只需廣播RREQ數據包。無需在握手上做額外開銷，也無需廣播交換路由表等無用信息。
6)網絡能量消耗均衡。在單次路由建立後的數據傳輸中，交替輪換使用上級節點。 在新一輪的路由建立中，根據接收功率重新選擇上級節點。這樣，就在整個網絡中平坦了數據轉發的能耗。
7)適用於三表無線集抄系統。可適應三表增加、刪除所造成的網絡拓撲變化情況。 同時，網絡的能耗低、整體能耗均衡，可適應三表更換周期長的應用需求。
本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點 在三表無線集抄的應用中，本方法效率高、能耗低、易於實現。在低路由開銷的情況下，能快速建立路由，同時避免路由環路和單向鏈。在數據傳輸過程中，通過上級節點輪換更新的方式，路由開銷少，均衡了整體網絡的能耗。在網絡負載較輕、拓撲結構變化頻率較低的情況下，能快速、節能地完成路由建立和數據傳輸，適用於三表無線集抄系統。
圖1為無線自組網節點間形成的一種樹形邏輯拓撲結構； 圖2為根節點的路由建立發起的流程圖；圖3為普通節點的路由建立發起的流程圖； 圖4為普通節點的路由響應傳輸的流程圖； 圖5為用於路由建立的各種數據包結構。
具體實施方式
本發明的優選實施例結合附圖詳述如下如圖1到圖5所示，在三表無線集抄系統中，自組網可採用本發明的路由方法。
首先，將要數據採集的區域按面積或位置劃分成若干個小區，每個小區放置1個根節點，根節點間通過有線或無線方式組網，接入後臺監控主機，或者通過手工採集後出給後臺監控主機。在實際應用中，一般將根節點放置在社區樓房的門禁處，普通節點按表具位置放置在樓道、居民家中。
其次，對各個節點進行地址編碼和初始路由特徵碼，對根節點設定路由發起間隔周期和偵聽限制時間。節點的地址碼包含兩部分小區碼和節點編號。小區碼用於區分不同小區的節點，同一小區中的節點應該使用相同的小區碼。節點編號用以區分同一小區內不同的節點。同一小區中的任意連個節點不能有相同的節點編號。同一小區節點的初始路由特徵碼應相同。根節點的路由發起間隔周期應和三表數據採集周期相同。在實際應用中， 根節點的路由發起間隔周期一般為M小時。根節點的偵聽超時時間根據網絡規模來定，如果節點數為M，那麼偵聽超時時間為3xM秒。
在路由建立發起時，根節點通過預置或者自動產生的方式生成一個異於前次路由建立時的路由特徵碼。如初始路由特徵碼為OxFF，新的路由特徵碼比原來的路由特徵碼小0x05。當路由特徵碼自減到0x00時，恢復到OxFF。然後依次循環。
通過本路由方法，網絡沿下行路徑根據功率控制機制逐跳形成以根節點為中心的單向樹形路由。三表數據通過節點採集後，通過Data-Ack包，以無線模塊的最大傳輸功率逐跳上傳到根節點。根節點通過手抄機或者網絡傳輸的方式將數據傳到監控主機。整個過程沒有傳統網絡中額外的RREP (Route R印ly，路由響應信息)、HELLO (路由確認信息)等路由開銷，但一樣能達到快速建立路由，避免路由環路和單向鏈路等問題的效果，並且整個網絡的能量消耗更加均衡。
與現有無線自組網相比，該方式對硬體要求低，易於實現，網絡生存周期長，更適合三表無線集抄的應用環境。
權利要求
1. 一種新的無線自組網路由建立方法，其特徵在於，節點通過功率控制機制建立網絡路由，它包含了路由建立發起和路由響應傳輸兩個過程； 路由建立發起的步驟Sl-I初始化對所有節點進行編碼，要求每個節點擁有一個獨立節點地址和偵聽限制時間，節點編碼可手動指定或自動選擇；根節點編碼獨立設置，並需額外設定路由發起間隔周期和偵聽限制時間；S1-2路由發起間隔周期滿後，根節點生成路由特徵碼並發起路由建立，特徵碼錶可以預先存儲或者自動生成；S1-3路由建立發起時，由路由發起節點發起路由請求RREQ，最初的路由發起節點為根節點，發送功率為無線通信模塊最大功率的一半；S1-4路由發起節點發起路由請求後，開始偵聽信道，直到超過偵聽限制時間； S1-5接收到RREQ的節點，讀取RREQ中的路由特徵碼、跳數及地址； S1-6如果路由特徵碼和本節點存儲的路由特徵碼相同，節點繼續偵聽，並記錄下偵聽到的RREQ包中跳數比本節點跳數小1的節點地址和對應的接收功率；S1-7如果路由特徵碼和本節點中存儲的路由特徵碼不同，節點將RREQ中的路由特徵碼作為本節點新的路由特徵碼，並將節點的跳數置為N+1，其中N為接收到的RREQ中的節點跳數；S1-8更新路由特徵碼的節點，將持續偵聽RREQ包，並記錄下RREQ中的跳數比本節點跳數小1節點地址和對應的接收功率；S1-9超過偵聽限制時間後，如果記錄中有一個以上節點記錄，選取接收功率最大的兩個節點，將接收功率最大的作為第一上級節點，其次的為第二上級節點；如果記錄中只有一個節點記錄，將其作為第一上級節點和第二上級節點；S1-10如果選取的第一上級節點地址和路由表中原來的第一上級節點相同，那麼將選取的第二上級節點作為第一上級節點放在路由表中；Sl-Il如果路由表中沒有上級節點或者和第一上級節點地址不同，那麼直接更新路由表；S1-12上級節點選取後的節點，開始路由響應傳輸過程；51-13節點在路由響應傳輸過程結束後，重複S1-2 Sl-Il將所有的孤立節點階梯排布式地加入到網絡中；路由響應傳輸的具體步驟如下52-1節點在Sl-11結束後，持續偵聽，期間如接收到Data-Ack數據包，或者在S1-4後接收到Data-Ack包，並且其中的路由特徵碼和本節點的路由特徵碼相同，則將Data-Ack數據包中的下跳節點地址刷新為本節點的第一上級節點，以最大發送功率轉發給本節點的第一上級節點；S2-2節點在做單次數據包轉發後，將路由表中的第一上級幾點和第二上級節點互換， 並繼續偵聽；S2-3節點如沒有偵聽到Data-Ack數據包，則繼續偵聽；S2-4超過偵聽限制時間後，節點將自己的採集數據打包成Data-Ack數據包，並以最大發送功率向第一上級節點發送。
全文摘要
本發明涉及一種用於三表無線集抄的階梯式自組網路由建立方法，包括建立發起和響應傳輸兩個過程。建立發起時，通過根節點發起建立請求。通過功率控制和監測機制選出上級節點，迅速建立單向路由。通過逐跳同步的階梯式路由建立過程和特徵碼的方法，使聯網節點不再參與建立，避免路由環路。單向路由建立後，進入響應傳輸階段。通過功率控制機制使下級節點的通信覆蓋範圍遠大於上級節點，保證了在沒有握手的情況下，通暢的雙向鏈路。數據傳輸過程中，通過上級節點輪換的方式，均衡整體網絡的能耗。本發明在網絡負載較輕、拓撲結構變化頻率較低的情況下，能快速、節能地完成路由建立和數據傳輸，適用於三表無線集抄系統。
文檔編號H04W40/24GK102510571SQ20111033290
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者嚴軍, 吳偉康, 洪慧, 金美華 申請人:上海大學, 上海燃氣(集團)有限公司