专利名称：一种基于改进遗传算法构建工业无线网络拓扑图的方法
技术领域：
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种反映工业无线网络中各个节点间的正确邻居关系的工业无线网络拓扑图构建方法。
背景技术：
工业无线网络系统的全局视图是系统管理的前提条件，而拓扑结构是构造全局视图的一个重要模型。其中，网络拓扑构建就是依据获取的网络节点的存在性信息和它们之间的链接关系绘制出整个网络的拓扑图。在工业应用领域，网络拓扑构建便作为配置管理的核心与故障管理的基础，在整个网络的开发中占据了重要地位。
目前常见的拓扑结构的算法都是通过链接关系和父子节点的地址来计算出节点精确坐标，然后显示出来的。但是这些方法都需要特定节点的相对坐标和相互之间的距离，因此得出的拓扑结构比较精确，对算法要求比较高。但是在实际操作中，由于各种原因，往往不能得到准确的节点坐标和距离。况且在工业无线现场中，对精度要求不太高的情况下，那些算法也不太符合要求，而且这些方法对于节点的添加或减少，其拓展性不够完善，没有真正体现出各个节点之间的邻居关系。2009年7月15日公开的申请号为200810240386. 8的中国专利申请“无线自组织网络的拓扑绘制算法”，提出了一种分布式网络拓扑算法，将邻居节点最多的节点放在中心，其余节点按邻居节点数目降序的顺序，根据邻居信息计算出每个节点的坐标放在同心圆上，再现网络拓扑的连接情况。采用该方法存在以下问题放在拓扑中心的不是系统管理器而是邻居节点数最多的节点，这样不能清晰明了告诉观察者网络结构，特别是对于树形网络。其次，该算法每一个节点都要根据前一个确定节点位置才能算出具体坐标，在效率和时间上造成了浪费。上述公开的专利文献虽然根据邻居关系再现了网络拓扑的连接情况，但不能真正反映节点的实际物理方位，从而影响网络管理。其次，该算法每一个节点的放置都要参照各自的邻居和已放置的同跳节点的位置，如果网络中节点数目较多，则会增加算法的时间复杂度。
发明内容
本发明针对现有技术构建工业无线网络拓扑图中存在的上述技术问题，提供一种适用于包含大量节点的工业无线网络的简单、快捷、有效的反映邻居节点间位置关系的网络拓扑图构建方法。本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种构建工业无线网络拓扑图的方法。具体包括将系统管理器节点作为中心节点，各个节点收集邻居节点信息并发送给系统管理器，系统管理器计算到各个节点的最小距离，按照最小距离确定所有节点的跳数(包括O……K跳)，其中O跳节点是位于网络拓扑中心的管理节点，K跳为最远跳数。从K跳节点集合中按照邻居节点集合的相似度选取代表节点集合Nk，按照跳数第j跳节点的代表节点集合为Nlu (j=l, 2，…，k)，分别从I……K跳代表节点集合Nlu中选择节点依次放置在网络拓扑框架I……K层六边形的顶点上；根据遗传算法依次对放置在K层六边形顶点位置上的代表节点进行位置的调整，使其满足处于拓扑框架顶点上的代表节点之间的邻居关系与其实际的物理位置邻居关系相吻合。最后，根据非代表节点与代表节点间的邻居关系信息，将剩余非代表节点也全部放入拓扑图框架中，从而完成拓扑图的绘制。对代表节点调整位置具体为建立同跳内节点邻居关系信息表，在关系信息表中分别设置与所处集合Nlu相同的属于同跳位置集合Qlu内的某一位置元素，对位于第k层的任两个位置元素Pm与Pt」，按照公式j=(i+k)mod6k或j=(i+2k)mod6k变换该层中关系信
息表中的位置元素，根据适应度函数公式/(X)=^Mx,)计算节点X的适值，当f(x)=12k时，
i-\
节点位置调整完成，其中，E(Xi)为节点在当前状态的拓扑图框架中存在的满足物理邻居关系的数目，k为节点所处跳数。将节点放置在六边形顶点位置具体为每I层六边形中，从右上角开始顺时针依次为放置k跳代表节点的位置Plu (i=l, 2，3，…，6k)，Plu具有节点ID值，位置Plu分到集
[i mod k ， / ^nk
合Pkj中，其中，户 ，.，i=l，2，"^kiQk」(j=l，2，"'k)为第j层节点位
[ K， I =HK’
置集合。对于相邻跳之间的节点，从系统管理节点为起点，分别经过位于第一层六边形的任一顶点作两条射线，使得位于相邻两条射线上的节点满足E(ptl，P1^1)=,E(pk,i+(k). P(k+D,i+(k+i))=1· ( k=0, 1，2···Κ),其中，Pti 表示位于第 k 层 i 位置。选择的代表节点具体包括从所有K跳节点集合Nr1, Nr2,…NrK中任一集合Nri中选取最多6i个节点构
成代表节点集合N1, N2,…Nk，具体为，若集合Nri中的节点eiVt，niu e Nk，那么Iilu与
nk；J的邻居节点集合Iirlu, nrk；j的交集为Iirlu ^ nrk；i满足条件'一广丨^的节点作为代表节点。由于该发明采用遗传算法并改进了遗传操作，通过旋转/逆序操作进行位置调整。不需要计算所有的节点坐标，直接利用邻居关系，构造表示节点邻居关系的拓扑图的方法简单直观，邻居关系准确，可以使用户方便快捷地得出各个节点的相对位置以及各节点之间的邻居关系，直接通过节点间的邻居关系完成拓扑图的构建，使得本发明的方法具有良好的可扩展性，更有助于以后的网络管理。
图I拓扑图构建流程图；图2网络拓扑图框架；图3同心六边形位置调整图；图4k跳代表节点利用改进的遗传算法调整流程图。
具体实施方式
本发明提出的工业无线网络拓扑发现方法，结合附图及实施例详细说明如下。如图I所示为本发明拓扑图构建流程图。新节点入网时系统管理器分配一个ID号，入网完成后各节点将邻居信息发送给管理器，系统管理器对上述信息进行存储和计算，得出节点到系统管理器的跳数信息。系统管理器对各跳邻居节点按照每个节点邻居节点集合的相似度进行分组，其中系统管理器的k跳邻居节点最多可以分为6k个组。每一组随机选择一个代表节点参加后续拓扑图的计
笪
ο接着将管理器放在拓扑图中心，I跳节点随机放入框架I层六边形顶点的位置上。利用遗传算法根据节点的邻居关系调整I跳邻居节点ID在I层六边形内的节点位置，使得 I跳邻居节点ID在I层六边形内的布置符合实际的邻居关系。然后利用已放好的I跳邻居节点与2跳邻居节点之间的邻居关系对2跳节点进行分类，再把2跳节点按集合对应规则分别放入拓扑图的2层六边形上，继续利用遗传算法调整，随后旋转2层六边形或者逆序重排2层六边形内的节点位置，使得2层六边形与I层六边形之间的节点物理邻居关系也全部正确。重复上述过程，直到各层六边形内的节点之间邻居关系全部正确。最后将所有非代表节点根据其各自的邻居关系分别放入框架中，完成工业无线网络的拓扑图构造。系统运行一段时间之后，如果有新节点加入，则根据邻居信息将节点放在拓扑图框架中。按照邻居节点的相邻关系将系统管理器的k跳邻居节点最多分为k组，每组最多选出6个代表节点，其余的节点为非代表节点。所有距中心节点跳数为k的代表节点都显示在边长为6kR的六边形上，代表节点间放置位置距离为R (R为I层六边形的边长)，相同中心节点的I到k跳代表邻居节点构成同心六边形结构。k跳非代表节点放在它对应代表节点与其同跳邻居代表节点连线的N等分点处。利用遗传算法根据适应度函数值，分别对k个k跳代表节点集合进行操作调整位置关系，使处于拓扑框架顶点上的代表节点之间的邻居关系与其实际的物理位置邻居关系相吻合，在调整相邻层六边形间节点的位置时，只需判断以显示框架中心为起点的两条射线和相邻层六边形的交点之间的邻居关系，而不需要检查所有节点。相邻跳同心六边形上邻居关系不正确时进行旋转/逆序调整，先顺时针旋转k+Ι层六边形上的节点，如果无效，则逆序重排k+Ι跳代表节点的ID排序，再旋转外层节点进行调整。旋转和逆序调整在k跳与k+Ι跳相邻跳代表节点排序正确后停止，否则进行循环迭代首先针对该网络拓扑构建中，用于排序放置在k层六边形上的代表节点的改进遗传算法定义如下A)参数编码。建立同跳内节点邻居关系信息表，该表包括与当前节点处于同跳节点集且有邻居关系的节点信息，将入网信息按表I进行编码表I :
自身ID号j邻IID号j邻2ID号j位置 [ 其中，自身ID号为每个节点入网时获得的ID号，邻IID号与邻2ID号分别是与当前节点处于同跳节点集且有邻居关系的节点ID号，位置是当前节点在网络拓扑图框架上的位置，边数则是在拓扑图框架中与当前节点处于同层六边形的实际满足邻居关系数。
B)初始群体的设定把处于相同跳数的代表节点设置为一个初始群体，将参数编码表中的“位置”分别设为与自身所处集合Nlu相同的属于拓扑图框架同跳位置集合Qlu内的某一位置元素，但不能设已被设置过的位置。C)采用遗传运算和进化运算调整位于k层六边形框架处节点的节点邻居关系信息表编码中的位置。如图4所示为k跳代表节点利用改进的遗传算法调整流程图。其中，交叉运算就是种群中的两个个体(位于k层六边形框架第k层的任两个位置Plu与Plu)，按照j=(i+k)mod 6k或j=(i+2k)mod 6k交换同一层中节点编码中的位置,从而生成新种群，而变异运算则包括当通过一系列交叉运算后，根据部分已调整好的邻居关系将种群再分为若干子种群，然后按邻居关系再整体调整子种群位置。如下表所示表2
权利要求
1.一种构建工业无线网络拓扑图的方法，其特征在于，将系统管理器节点作为中心节点，系统管理器按照与各节点的最小距离将所有节点分为K跳，从K跳节点集合中按照相似度选取代表节点集合Nk,分别从I……K跳代表节点集合中选择节点依次放置在网络拓扑框架I……K层的六边形顶点处；调用遗传算法依次对放置在K层六边形顶点位置上的代表节点调整位置，使处于拓扑框架顶点上的代表节点之间的邻居关系与其实际的物理位置邻居关系相吻合，根据非代表节点与代表节点间的邻居关系信息，将剩余非代表节点全部放入拓扑图框架中，从而完成拓扑图的绘制。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，对代表节点调整位置具体为建立同跳内节点邻居关系信息表，在关系信息表中分别设置与所处集合Nlu相同的属于同跳位置集合Qlu内的某一位置元素，对位于第k层的任两个位置元素Plu与Plu,按照公式j=(i+k)mod 6k或j=(i+2k)mod 6k变换该层中关系信息表中的位置元素，根据适应度函数公式
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，将节点放置在六边形顶点位置具体为每I层六边形中，从右上角开始顺时针依次为放置k跳代表节点的位置Plu (i=l, 2，3，…
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，对于相邻跳之间的节点，从系统管理节点为起点，分别经过位于第一层六边形的任一顶点作两条射线，使得位于两条射线上的相邻节点满足=E(P)u, pk+1；1)=l,E(pk；1+k, P(k+i);i+(k+i))=l. (k=0, I, 2···Κ),其中，Pti 表示位于第 k层i位置，E(pti, pk+1,j)表示位于同心六边形Plu和pk+1，j两位置上代表节点之间的实际物理邻居关系，如果这两个节点在实际物理中是邻居，那么E(Plu，Pk+1，p等于1，否则等于O。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，选择的代表节点具体包括从所有K跳节点集合Nr1, Nr2,…NrK中任一集合Nri中选取最多6i个节点构成代表节点集合N1, N2,…Nk,具体为,若集合Nri中的节点Vniu ,nk； j e Nk,那么Iilu与nk，」的邻居节点集合nrk，i,nrk, j的交集为nrk，, - nrk,,满足条件1 ^ P的节点作为代表节点，参数β的最优取值范围为O彡β彡O. 5。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，当出现剩余的节点时，如果待放入的k跳节点与框架中同k跳顶点处的一个节点nti有相同的邻居关系，则待放入的节点就放在节点Hlu与其相邻的k-Ι跳节点Ii1^i位置相连接的线段上；如果待放入的k跳节点与框架中同k跳顶点上的两个相邻节点nti和nk，i+1是邻居关系，则该节点放在由节点IiluIitw位置连接线段上的N等分点处。
全文摘要
本发明涉及工业无线网络系统管理，提出一种基于改进遗传算法的工业无线网络拓扑图构建方法。系统管理器根据跳数k (k=0,1,2…K)将节点分为k跳节点集合。按集合对应关系把k跳代表节点初步放入拓扑图中的k层六边形，再采用遗传算法调整k层六边形上的节点ID排序，使k跳节点之间的邻居关系正确；通过包含旋转/逆序重排微调过程调整k层六边形上节点ID的排序，使k-1跳和k层六边形上节点的物理邻居关系正确。最后，根据邻居关系依次放入剩余的k跳非代表节点。本方法不需要计算节点与系统管理器间的相对物理坐标，直接通过节点间的邻居关系完成拓扑图的构建，将节点分为代表节点和非代表节点使得本发明的方法具有良好的可扩展性。
文档编号H04W84/18GK102970772SQ20121049536
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者李勇, 王平, 刘铸德, 李小龙, 赵刘洋, 王朝刚 申请人:重庆邮电大学