一種用於三表無線集抄的分簇式自組網路由建立方法與流程
2023-10-11 18:33:59 3
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）無線集抄的分簇式自組網路由建立方法。
背景技術：
無線自組網絡是由一組具有路由功能的節點所組成的分布式無線多跳網絡。由於它節點傳輸範圍有限，所以在源節點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的功能。網絡中所有節點和節點間的無線信道就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。
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）的無線集中抄表應用中，網絡的主要功能是做單向的數據匯集，所以通信周期的間隔比較長。網絡拓撲結構變化頻率較低，一般只在節點增加、刪除時，才會發生網絡拓撲結構的變化。於此同時，除電錶外，節點一般由電池供電，其能量有限；其更換周期同表具的更換周期一般為5-8年。傳統的路由協議因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。隨著數據量和用戶的增加，此前的最優鏈路承擔起了越來越大的負擔，從而導致傳輸質量下降，包括延遲增加，丟包率增大或超額負載導致鏈路崩潰等，最終使鏈路失去了此前的優越性，造成個別節點的能耗加速。
根據路由建立的不同方式，自組網路由可以分為主動式路由、按需路由和混合路由。但是根據需求，傳統的三種路由方式都不適用於三表無線集抄的場合。由於種種限制，現有的一種較好的解決辦法就是利用現有的成熟資源。在目前的各項抄表行業中，電力抄表無疑是最成熟的一個集中抄表系統。針對某些小區的複雜樓型無法滿足單採集器對表信息的採集而加裝電池供電的輔助中繼器的問題，需在拓撲結構變化頻率低、以單項數據匯聚為主的網絡環境下，設計出滿足整體能耗均衡的設計需求的路由建立方法，實現採集器和中繼器對樓內表具的橫縱向的數據採集。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提供一種用於三表無線集抄的分簇式自組網路由建立方法，本方法是一種基於類簇模型的自組網方式，在採用電池供電的中繼器輔助採集數據時，可以更好的保證網絡的能耗均衡性，數據傳輸的可靠性，從而實現對樓內橫縱向數據的穩定採集。
為達到上述目的，本發明的構思是：針對採集器距離限制需加裝電池供電的中繼器輔助採集的實際情況，並為了保證有效的利用資源，根據小區的分布和考慮到採集器與中繼器的可靠採集距離，在「桶型」樓內設計並實現一種類簇的模型，通過考慮節點能量以及鏈路能量來實現能量均衡分類。
根據上述發明的構思，本發明採用如下技術方案：
一種用於三表無線集抄的分簇式自組網路由建立方法，包含路由建立和路由維護兩個過程，具體步驟如下：
1）路由建立：
S1-1 初始化：首先對所有節點進行編碼，要求每個節點擁有一個獨立的節點地址和偵聽限制時間，節點編碼通過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 路由發起間隔周期期滿後，根節點生成路由特徵碼並發起路由建立，特徵碼錶預先存儲或者自動生成；
S1-3 路由建立發起時，由路由發起節點根據自身路由信息發起路由請求RREQ，其中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 建立類簇模型，以採集器為簇頭，中繼器為輔助簇頭，標示對應簇號；
S1-5 在節點路由表和路由請求報文中加入兩個條目，分別為採集器與中繼器的狀態信息和發送節點所在簇號信息；
S1-6 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；
S1-7 接收到RREQ的節點，檢測RREQ報文的有效性；
S1-8 讀取RREQ中的路由特徵碼、跳數及地址以及簇號，如果不匹配對應的簇號則忽略該RREQ信息；
S1-9 通過了有效性的檢測後，節點根據報文中的信息來更新路由表項，並選擇最佳的傳輸路徑；
S1-10 在完成路由表的建立和更新後，節點會設置並生成新的RREQ報文，並向其鄰居節點進行轉發，同時節點會啟動路由應答；
S1-11 重複S1-7到S1-10過程，直到RREQ報文在本簇內所有節點上遍歷；
S1-12 簇內組網完成後進行採集器簇頭與中繼器輔助簇頭的組網；
S1-13 在RREQ中加入簇頭/類簇頭標誌，同時同層的簇頭不優先進行信息傳輸，輔助簇頭由於電池供電，接收信息的優先級低於簇頭；
S1-14 組網方式同S1-7到S1-10，完成全部的網絡部署。
本路由的建立方法為按需路由方式。在實際的應用中，通過根節點來發起路由建立的請求，建立單向路由，通過簇內組網與簇間組網實現小區橫縱向的合理組網，節約能量，避免了路由環路。單向路由建立後，網絡開始將三表數據以簇內到簇間的方式傳輸，通過鏈路以及節點能量控制機制，在路由算法開銷小的情況下來實現能量均衡分配。
2）路由維護：
S2-1 節點在S1-14結束後，持續偵聽，期間簇頭與類簇頭之間根據路由表周期的發送類似Hello包的檢測包以檢測鏈路完整性；
S2-2 若在檢測過程中發現其中的簇頭或類簇頭出現問題，即沒有來自上一節點的反饋信息時，發送錯誤消息推送，由另一個存活的節點通知其對應的簇內節點，將對應的簇頭狀態標誌位進行改變；
S2-3 簇內節點收到信息後，重新開始組網，此時由之前鏈路中包含失效節點的鏈路開始選擇目前的最佳鏈路進行組網；
S2-4 此時能夠選擇的節點鏈路不受簇內限制，但是優先考慮不受能量限制的簇頭節點進行組網；
S2-5 向系統及時發送問題節點信息，以便及時檢修。
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。那麼合理的分簇模式就可以很好的解決能耗均衡問題，保證能耗壓力大的部分有簇頭承擔。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，可以保證數據的可靠傳輸。
節點在做數據包的轉發時，通過考慮節點的能量和鏈路的能量兩個成分，保證鏈路傳輸過程在一個能量整體平衡的環境下進行，均衡了網絡的整體能耗。
本方法是一種按需路由，適合用於網絡負載較輕的三表無線集抄網絡。它能以簡單的路由算法快速建立適於數據匯集的路由，又能夠適應一定條件下網絡拓撲的變化。此外，它的路由開銷少，網絡能耗均衡。
本發明方法與現有技術相比具有以下優點：
1）是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）具有一定的自適應能力。能夠適應網絡拓撲結構變化頻率較低的一些場合，可以通過快速的按需路由的建立來適應網絡變化。
3）可避免路由環路。網絡按照節點的跳數信息分批建立拓撲。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）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。
5）網絡能量消耗均衡。在路由建立後的數據傳輸中，考慮節點能量和鏈路能量兩個信息綜合選擇組網鏈路。這樣，就在整個網絡中平坦了數據轉發的能耗。
6）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。
綜上所述，本發明在三表無線集抄的應用中，本方法效率高、能耗、易於實現。在低路由開銷的情況下，能快速建立路由，在數據傳輸過程中，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，能快速且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。
附圖說明
圖1為無線自組網的結構示意圖。
圖2為根節點的路由建立發起的流程圖。
圖3為簇內普通節點的路由建立發起的流程圖。
圖4為簇頭節點的鄰域檢測的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的具體實施例做進一步的說明。
如圖1所示，將要數據採集的區域設置每三層樓安裝一組採集器和中繼器，各個節點通過無線方式組網，接入後臺監控主機。在實際應用中，一般將採集器中繼器加裝在電錶的採集器中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。
如圖2和圖3所示，路由建立的具體步驟為：
對各個節點進行地址編碼和初始的路由特徵碼，對根節點設定路由發起間隔的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。同一小區中的任意兩個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。
路由建立發起時，由路由發起節點根據自身路由信息發起路由請求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。
由採集器和中繼器的搭建建立類簇模型，以採集器為簇頭，中繼器為輔助簇頭，標示對應簇號。同時對應的在節點路由表和路由請求報文中加入兩個條目，分別為採集器與中繼器的狀態信息和發送節點所在簇號信息。當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。接收到RREQ的節點，檢測RREQ報文的有效性。之後讀取RREQ中的路由特徵碼、跳數及地址以及簇號，如果不匹配對應的簇號則忽略該RREQ信息。
所述RREQ信息如下表所示：
RREQ：
當通過了有效性的檢測後，節點根據報文中的信息來更新路由表項，並選擇最佳的傳輸路徑。在完成路由表的建立和更新後，節點會設置並生成新的RREQ報文，並向其鄰居節點來進行轉發，同時節點會啟動路由應答。重複組網過程，直到RREQ報文在本簇內所有節點上遍歷。之後進行採集器簇頭與中繼器輔助簇頭的組網。在RREQ中加入簇頭/類簇頭標誌，同時同層的簇頭並不優先進行信息傳輸，輔助簇頭由於電池供電，接收信息的優先級低於簇頭。最後完成全部的網絡部署。
如圖4所示，路由維護的具體步驟為：
節點在組網結束後，持續偵聽，期間簇頭與類簇頭之間根據路由表周期的發送類似Hello包的檢測包以檢測鏈路完整性；若在檢測過程中發現其中的簇頭或類簇頭出現問題，即沒有來自上一節點的反饋信息時，發送錯誤消息推送，由另一個存活的節點通知其對應的簇內節點，將對應的簇頭狀態標誌位進行改變；簇內節點收到信息後，重新開始組網，此時由之前鏈路中包含失效節點的鏈路開始選擇目前的最佳鏈路進行組網；此時能夠選擇的節點鏈路不受簇內限制，但是優先考慮不受能量限制的簇頭節點進行組網；向系統及時發送問題節點信息，以便及時檢修。