一种智能抄表系统无线网络路由算法
【专利摘要】本发明涉及智能抄表、无线通讯领域，具体公开了一种智能抄表系统无线网络路由算法。本技术采用通过对无线通信网络的研究，分析了路由算法在网络通信性能方面的重要性，发明了一种冗余的路由分配算法。该算法结合Dijkstra算法，设计了一种适用于冗余路由分配的R-Dijkstra算法。R-Dijkstra算法把无线网络定义为一个非负权重的连通图，通过引入冗余度参数和路径优化目标，实现了传输路径选择。进一步给出了算法步骤和实现过程。应用实例表明，该算法能够满足无线智能抄表路由的要求。本技术具有可靠性高，计算量小，容易编程实现等优点。
【专利说明】一种智能抄表系统无线网络路由算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传输技术、网络技术、路由技术，具体地说是一种智能抄表系统无 线网络路由算法。
【背景技术】
[0002] 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖 从现场设备到各个控制领域，而兴起于本世纪初的工业无线技术引发了传统工业测控模式 的重大变革，工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的、具有低成本、低能耗、 高度灵活性等特点。工业无线网络是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有 无线通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升，是降低工业测控系统成本、扩展应用 范畴的革命性技术。工业无线网络技术改变了现有系统控制信息传递的方式。路由作为数 据的传输和分发机制，是无线网络的一大核心任务，是不可或缺的。无线网络路由是一个非 常活跃的研究领域，在这方面国内外学者提出了很多的解决方案。
[0003] 目前，A0DV(反应式路由协议）、0LSR(先应式路由协议）等主流的路由算法，大部 分是采用的分布式协议，路由的计算选择过程由数据的发送或者转发者来承担，采用网络 各个成员来选择路由和维护路由的策略。在一个无线智能抄表网络中，网络管理者负责节 点路由和通信资源的分配管理，通过命令将路由信息发送到网络设备，是一种集中式路由 配置方案，而不需要网络其他节点进行路由计算。此外，当前主要路由算法集中在单路径路 由的研究，当路由路径上某个节点故障时，通信就要受到影响，也不符合无线抄表网络的要 求。在实际应用中，网络节点之间无线通信往往受到周围环境电磁干扰、信号衰减、信号反 射等不利因素影响，对无线传输的性能带来很大挑战。
[0004] Dijkstra算法是由荷兰计算机科学家Edsger Wybe Dijkstra提出的，在论领 域有着广泛的应用，是经典的最短路径算法。Dijkstra算法的输入为一个非负权重的有 向图G。在给定出某个发顶点的情况下，该算法能够找出出发顶点到图中其余顶点的最 短距离。然而Dijkstra算法得出的结果是最短的距离和路径，只有单一路径，不符合 WirelessHART中图路由机制的要求，因此提出了基于Dijkstra算法搜索的冗余路径搜索 算法R-Di jkstra算法。
[0005] 因此，采用冗余路由，引入多路径路由机制，增强了数据传输的路径冗余，以确保 数据可靠无误的传输，具有重大的意义。
【发明内容】
[0006] 为了使无线抄表网络路由更可靠，本发明的目的是提供一种冗余的智能抄表系统 无线网络路由算法。
[0007] 为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
[0008] -种智能抄表系统无线网络路由算法，采用吸收了 Dijkstra算法思想的 R-Di jkstra 算法；
[0009] 所述R-Dijkstra算法以Dijkstra算法为核心搜索算法，通过引入冗余度参数r， 实现了路由路径的冗余；
[0010] 根据冗余度参数r，对待加入节点汇报的邻居进行选择，然后对将每个选出的邻居 作为出发顶点，分别采用Dijkstra算法进行对目的节点搜索，得出每条路径后，最后将待 加入节点分别添加到每条路径的起点上，这样就得出了冗余度r的路由路径，这些路径都 是待加入节点到目的节点冗余的目标代价最小的路由。
[0011] 冗余度参数r，表示每个节点在路由转发数据时候可选择的邻居个数为r个；
[0012] 网络可以用一个有向图模型G = (V，E)来表达，其中V表示网络中节点的集合，E 为有向边集合；网络中每两个节点之间的链接可以赋予权值w(i，j)，表示由节点i到节点 j的链接权值;w(i，j)具体值的计算可以根据链路质量、带宽多个指标计算获得；将两节点 之间是否直接链接作为W(i，j)取值依据，有链接的邻居之间的权值都为1，否则为无穷大； 根据节点加入时汇报邻居信息，然后采用R-Dijkstra算法，得出待加入节点的路由信息。
[0013] 所述路径都是待加入节点到目的节点冗余的目标代价最小的路由，目标代价可以 考虑传输跳数、信号质量、节点能量以及负载等因素的共同作用；从路由实时性考虑，在本 算法中采用跳数作为目标代价。
[0014] 算法的复杂度结论如下；
[0015] Dijkstra算法的复杂度主要在两个循环中，因此Dijkstra算法的复杂度为 0(n2) ;R-Dijkstra算法在Dijkstra算法基础上引入了冗余度参数r，以Dijkstra算法为 基础，进行了 r次循环；因此，R-Dijkstra算法的复杂度为0(rXn2);
[0016] 由于通常情况下r彡2,但η相对较大，则有r << n，冗余度参数对算法复杂度的 影响不是很严重。
[0017] R-Dijkstra算法步骤如下；
[0018] 步骤1 :在r个邻居节点中，选择一个未被选择过的节点作为出发顶点S，目的顶点 为T，距离数组D用来表示S到其余各节点的传输跳数，路径记录数组为Path，其中D [i]表 示S到节点i的最短距离，Path[i]表示S到节点i最短路径需要经过的节点；
[0019] 步骤2 :根据w(i, j)的值,初始化D、Path的值；
[0020] 步骤3:从数组D中选择值最小的且未被选择过的顶点X，作为中间节点，其中 X关S，X关T ;
[0021] 步骤4:令Zev且Z关S，Z关X，则数组D中S到Z的距离值为D[Z]，其中D的 值用D[Z]_new来更新，按照以下策略：
[0022] D [Z]_new = min (D [Z], D [X] +w (i, j))
[0023] 如果发生D [Z]值发生变化，则相应的Path [Z]做路径记录，Path [Z] = X，表示S 至IJ Z的最短路径需要经过中间节点X，即S到X再到Z ;
[0024] 步骤5 :重复步骤3、步骤4,直到所有D中的顶点都被选择过；这时，所获得的矩阵 D中的值就是从S顶点出发到网络中其余各点的最短距离，目的节点为T，找出Path[T]中 记录节点，将其输出，然后将Path [T]中的结点作为新的目的节点赋给T，按照该操作方法， 依次循环逆向输出Path [T]中记录的节点，直到不能取出新的目的节点T，然后输出起始节 点S，最后将上述输出内容反序，该路径就是S到T最短路径；
[0025] 步骤6 :如果r个邻居都已经被选择过，则算法结束，否则返回步骤（1)。
[0026] 本发明的优点是：
[0027] 1、本发明在吸收了 Dijkstra算法的思想和方法步骤的基础上，针对路由的具体 特点，满足无线网络路径冗余的要求，完成了智能无线抄表网络中路由路径分配任务，对于 一般的无线网络路径冗余具有普适性。
[0028] 作为工业无线网络的一项基础的支撑技术，路由对于无线网络节点可靠性的提 高，对于降低网络整体丢包率具有重要意义。
[0029] 2、本技术具有算法成熟，计算量小，易于实现等优点。采用自主研发的CMC模块组 网，验证了该技术的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是路由冗余示意图。
[0031] 图2是R-Di jkstra算法流程图之一。
[0032] 图3是R-Di jkstra算法效果图之二。
[0033] 图4是R-Di jkstra算法效果图之三。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图图1-4对本发明作进一步详细说明。
[0035] 为保证数据传输可靠性，在智能无线抄表系统中采用了冗余的路由机制。路由中 的每一跳至少有两个路由选择，属于多径路由，所有的网络设备到目的节点的路径有多条。 例如在图1的网络拓扑中，节点6要给节点3、节点4或者节点5发送数据，可以使用线1或 者线2上所有的节点，都可以到达。
[0036] R-Di jkstra算法的的流程图如图2所示。图在计算机中的存储有邻接矩阵、邻接 表、十字链表等多种方式。为了图路由操作方便和节省空间，本算法数据结构吸收了邻接表 的思想，采用链表的形式来表示网络拓扑和图路由参考邻居。整个拓扑由图节点链表构成， 图节点中对应的参考邻居信息。其中，参考邻居信息为参考邻居链表的头结点指针。据结 构类型如下：
[0037] 网络节点的数据结构类型如下：
[0038] Struct _Node Struct { Int ShortAddress; //节点的短地址，在网络中唯 RefNeighbor *pUpStreamNbor; //上行对应的参考邻居链表指 针 RefNeighbor *pDownStreamNbor; //下行对应的参考邻居链表指 针 Struct _Node Struct pNext; //指向网络的下一个节点 } NodeStruct;
[0039] 参考邻居的数据结构类型如下：
[0040] Struct -RefNeighbor ?
[0041] Int ShortAddress; Int Weight; //从某节点到该邻居之间的链接权重值 Struct _RefNeighbor pNext; {RefNeighbor;
[0042] 若网络中有n个节点，则距离数组D、路径记录数组Path设计为n维的数组，如 果S到节点i不需要绕行其他节点，则Path [i]置为NULL。
[0043] 算法实现过程如下：
[0044] int NeighborNum=r; //选取冗余度为r，选择r个可选 邻居 int j=0; int Counter=n; //循环次数计数器，《为网络中节点 个数； bool Visit[n]=0; "汸|'|极;〖[1数机，末汸丨、|11为0，汸丨、|1| 过为1 While(NeighborNum) { S=NeighborAvailableD++]; //选取报告上来的邻居，初始化出发节 占 S1 j \ s\ Counter=n; //计数器复位 memset (Visit, 0, sizeof (bool) *n) ; /71方1、丨丨」私记从位 Visit[S]=l; //出发节点不能被选择，置 h 1 Init (D, Path, G，S) ; //出发节点\初始化β,路径矩阵Path初始化为 NULL While (Counter>l) { X=MinSeIectOneNode (D, Visit) ; //选择一个未被访问过的距离最 小的节点X For(i=0;i<n;i++) //更新距离矩阵15 { if((i!=S)&&(i!=X)) //检查该节点不为出发节点和当 前选择节点，即为z节点
[0045] { D[i]=Min(D[i]，D[X]+W(X，i)) //如果〃到\经过x后到距离更小 则更新d if(D[i]==D[X]+W(X,i)) { Path[i]=X; //记录路径 } Visit[X]=l; //标记该节点已经被访问过 Counter-; //计数器减1 } NeighborNum-; }
[0046] 其中，算法的两个子函数的实现如下所示：
[0047] MinSelectOneNode (int* D, int* Visit); { int MinD=MaxNum; //设置临时变量，用于记录当 前最小距离值 For(i=0;i<n;i++) { If((D[i]<MmD)&&(Visit[i]==0)) //寻找当前距离最小的且未被访 问过的节点 { MinD=D[i]; RetNode=i; } Return RetNode; //返回符合条件的节点 } Min (mta, intb) //求取最小值函数 { if (a<b) Return a; else Return b; }
[0048] 为了验证算法的效果，选取了一个一般情况下智能无线抄表应用场景，该网络拓 扑如图3左侧所示。其中节点1是网关节点，节点2-7为已经在网的设备节点，它们要向节 点1传输测量数据和状态信息。当某时刻，新的设备节点8要加入网络，在冗余度参数r为 2的情况下，选取节点6和节点7为邻居节点，经过R-Dijkstra算法运算，得出两条路径的 结果为8->6->4->1，8->7->5->1，，如图3右侧所示。R-Dijkstra算法在保证路径冗余的同 时，实现了以跳数为指标的路径最优，该算法得出的结果较好的满足了智能无线抄表系统 的要求。
【权利要求】
1. 一种智能抄表系统无线网络路由算法，其特征在于： 采用吸收了 Dijkstra算法思想的R-Dijkstra算法； 所述R-Dijkstra算法以Dijkstra算法为核心搜索算法，通过引入冗余度参数r，实现 了路由路径的冗余； 根据冗余度参数r，对待加入节点汇报的邻居进行选择，然后对将每个选出的邻居作为 出发顶点，分别采用Dijkstra算法进行对目的节点搜索，得出每条路径后，最后将待加入 节点分别添加到每条路径的起点上，这样就得出了冗余度r的路由路径，这些路径都是待 加入节点到目的节点冗余的目标代价最小的路由。
2. 按照权利要求1所述一种智能抄表系统无线网络路由算法，其特征在于： 冗余度参数r，表示每个节点在路由转发数据时候可选择的邻居个数为r个； 网络可以用一个有向图模型G = (V，E)来表达，其中V表示网络中节点的集合，E为有 向边集合；网络中每两个节点之间的链接可以赋予权值w(i, j),表示由节点i到节点j的 链接权值；w(i，j)具体值的计算可以根据链路质量、带宽多个指标计算获得；将两节点之 间是否直接链接作为w(i，j)取值依据，有链接的邻居之间的权值都为1，否则为无穷大；根 据节点加入时汇报邻居信息，然后采用R-Dijkstra算法，得出待加入节点的路由信息。
3. 按照权利要求1所述的一种智能抄表系统无线网络路由算法，其特征在于： 所述路径都是待加入节点到目的节点冗余的目标代价最小的路由，目标代价可以考虑 传输跳数、信号质量、节点能量以及负载等因素的共同作用；从路由实时性考虑，在本算法 中采用跳数作为目标代价。
4. 按照权利要求1的所述一种智能抄表系统无线网络路由算法，其特征在于：算法的 复杂度结论如下； Dijkstra算法的复杂度主要在两个循环中，因此Dijkstra算法的复杂度为0(n2); R-Dijkstra算法在Dijkstra算法基础上引入了冗余度参数r，以Dijkstra算法为基础，进 行了 r次循环；因此，R-Dijkstra算法的复杂度为0(rXn2); 由于通常情况下r彡2,但η相对较大，则有r << n，冗余度参数对算法复杂度的影响 不是很严重。
5. 按照权利要求1所述一种智能抄表系统无线网络路由算法，其特征在于： R-Dijkstra算法步骤如下； 步骤1 :在r个邻居节点中，选择一个未被选择过的节点作为出发顶点S，目的顶点为 T，距离数组D用来表示S到其余各节点的传输跳数，路径记录数组为Path，其中D [i]表示 S到节点i的最短距离，Path[i]表示S到节点i最短路径需要经过的节点； 步骤2 :根据w (i，j)的值，初始化D、Path的值； 步骤3 :从数组D中选择值最小的且未被选择过的顶点X，作为中间节点，其中X尹S， X关T ; 步骤4:令Zev且Z尹S，Z尹X，则数组D中S到Z的距离值为D [Z]，其中D的值用 D[Z]_new来更新，按照以下策略： D [Z]_new = min (D [Z], D [X] +w (i, j)) 如果发生D [Z]值发生变化，则相应的Path [Z]做路径记录，Path [Z] = X，表示S到Z 的最短路径需要经过中间节点X，即S到X再到Z ; 步骤5 :重复步骤3、步骤4,直到所有D中的顶点都被选择过；这时，所获得的矩阵D中 的值就是从S顶点出发到网络中其余各点的最短距离，目的节点为T，找出Path[T]中记录 节点，将其输出，然后将Path [T]中的结点作为新的目的节点赋给T，按照该操作方法，依次 循环逆向输出Path [T]中记录的节点，直到不能取出新的目的节点T，然后输出起始节点S， 最后将上述输出内容反序，该路径就是S到T最短路径； 步骤6 :如果r个邻居都已经被选择过，则算法结束，否则返回步骤（1)。
【文档编号】H04L12/707GK104065572SQ201410258788
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】王宏, 李世兴, 杨祖业, 李勇, 王进超 申请人:沈阳中科博微自动化技术有限公司