一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，结合感知节点大规模分布、无线通信距离有限、能量受限等特征，考虑大规模无线传感网无法直接采用平面网络拓扑结构，采用一种以无线Mesh路由器为簇头的大规模分布节点分簇网络拓扑结构，在分簇时需综合考虑负载均衡以及能量有效两方面因素，合理优化并划分出各个无线Mesh路由器的簇范围，在保障各个无线Mesh路由器负载均衡的前提下，构建以无线Mesh路由器为根节点的最小能耗数据转发树。
【专利说明】一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及制造物联网领域，更具体地，涉及一种制造物联网中负载均衡与能量 有效的大规模传感网拓扑优化方法。
【背景技术】
[0002] 制造物联网络中通过配置覆盖制造全流程的各种类型高性能感知节点，承担生产 制造全流程中"人、物料、设备、生产工艺过程、产品、服务"等多种对象、多源数据的感知任 务。可见，制造物联环境中大规模分布着各类无线感知节点，而如何对大规模分布式无线感 知节点进行有效组织管理，构建高性能的制作物联网络拓扑结构，直接关系到整个网络性 能，是实现稳定、快捷、低能耗的感知数据获取的重要基础。
[0003] 制造物联网络拓扑结构设计需要考虑部署、能耗、扩展性、灵活性及容错性等方 面，其中基于分簇的多层次网络拓扑结构较适合制造物联网络分布式环境。目前关于大规 模无线传感网拓扑优化方面："黄河清，姚道远，沈杰，马奎，刘海.一种基于多权值优 化的无线传感网分簇算法的研究，电子与信息学报，2008, 30(6). "该论文提出基于多权值 的分簇算法MWBC (Multi-Weight Based Clustering)，在初期通过节点间的信息交互，获得 较多的局部网络信息，在此基础上根据不同的网络应用背景做出不同的分簇决策，并预设 簇的最大规模以利于接入协议的资源管理与分配，但该方法在节约传感器网络能量消耗方 面的考虑不足。"洪榛，俞立，张贵军，陈友荣.基于最小连通支配集的无线传感网拓扑构 建研究，电子与信息学报，2012,（8)."该论文将全连通网络环境下寻找最优虚拟主干网 问题抽象转化成最小连通支配集求解问题（MCDS)，并建立了基于混合整数规划的数学模型 (匪IP-MCDS)，该数学模型在传感网分簇时对负载均衡方面有一定考虑，但对节约能量消耗 却缺乏考虑。
[0004] 在分簇时，如果簇规模过大将导致通信延迟过高与无线Mesh路由器负载过重，簇 规模过小也将导致整体网络管理成本与通信负载过高。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的步骤，本发明提出一种制造物联网中的传感网拓扑优化 方法，该方法对无线网络进行分簇时综合衡量负载均衡以及能量有效两方面因素，合理优 化并划分出各个无线Mesh路由器的簇范围。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
[0007] -种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，包括以下步骤：
[0008] St印1 :制造物联网中所有节点周期性发送Hello数据包，无线Mesh路由器以及各 节点建立其邻居表；
[0009] Step2 :计算与无线Mesh路由器相邻的节点所属簇。定义无线Mesh路由器Dk所 管理的簇为：Clust er_Dk ;若节点Si与多个无线Mesh路由器Dk相邻，那么选择通信能耗最 小的无线Mesh路由器加入。
[0010] 计算节点Si到其相邻无线Mesh路由器Dk的通信能耗: 五PDi = +抑:私，
[0011] 其中，E&。表示在发送端/接收端分别发送/接收单个bit数据所需的能量（该 能量是距离无关的，只表示发送/接收电路的能耗），表示在源节点S i到目的节点Dk 间（距离为dsiDk)传送单个bit数据所需的射频能量，其中α为能量路径损耗指数，在多径 通信环境下α取值为4 ; β是一个常数，其值一般取0. 0013pX/(bit · m4);
[0012] 节点Si将该通信能耗A.转发给其所有其它邻居节点，并标记到簇头Mesh路由 器的跳数为HopNun^s i = 1 ;
[0013] Step3 :其他各节点Sj接收到多个上游节点Si发送过来的通信能耗,计算节点Sj 到Mesh路由器的通信能耗Ej :》=2式如+ +2￡如+外;并选择连接Mesh路由器 的上游节点；将节点Sj所属簇标记为与其上游节点相同，并将节点Sj到簇头Mesh路由器的 通信能耗发往其他下游邻居节点；各下游邻居节点收到多个由上游邻居节点发送的通信能 耗后，重复执行Step3,选定其连接簇头Mesh路由器的上游节点；
[0014] St印4 :迭代执行St印3,直到制造物联网无线传感器网络所有节点都选择完其上 游节点并标记其所属簇号；至此，所有节点按能量有效原则确定了其所属簇号并构建了能 量消耗最小的数据转发树。
[0015] 本发明结合感知节点大规模分布、无线通信距离有限、能量受限等特征，考虑大规 模无线传感网无法直接采用平面网络拓扑结构，提出一种以无线Mesh路由器为簇头的大 规模分布节点分簇网络拓扑结构，无线Mesh路由器组成上层网状多跳骨干网络，负责每个 簇内节点数据的转发；同时，在分簇时需综合衡量负载均衡以及能量有效两方面因素，合理 优化并划分出各个无线Mesh路由器的簇范围，进而构建以无线Mesh路由器为根节点的最 小能耗数据转发树。
[0016] 在一种优选的方案中，在构建了能量消耗最小的数据转发树后还包括Step5 ;具 体为：
[0017] Step5:按负载均衡原则对能量有效的分簇结果进行修正，各节点标记其所属簇号 后，将其节点ID，上游节点ID以及到簇头的跳数上报到各簇头Mesh路由器；各Mesh路由 器将其簇内节点数量、簇内节点信息以及数据转发树发送到制造物联网网关，由制造物联 网网关按下式的分簇优化数学模型，计算最优的分簇策略；
【权利要求】
1. 一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤： St印1 :制造物联网中所有节点周期性发送Hello数据包，无线Mesh路由器以及各节点 建立其邻居表； Step2 :计算与无线Mesh路由器相邻的节点所属簇。定义无线Mesh路由器Dk所管理 的簇为：Cluster_Dk ;若节点Si与多个无线Mesh路由器Dk相邻，那么选择通信能耗最小的 无线Mesh路由器加入。 计算节Asi到其相邻无线Mesh路由器Dk的通信能耗:44? =24^+/?<外， 其中，E&。表示在发送端/接收端分别发送/接收单个bit数据所需的能量（该能量 是距离无关的，只表示发送/接收电路的能耗），表示在源节点Si到目的节点Dk间传 送单个bit数据所需的射频能量，表示节点Si到Dk的距离；a为能量路径损耗指数； 3 是一个常数 PJAbitXm4); 节点Si将该通信能耗转发给其所有其它邻居节点，并标记到簇头Mesh路由器的 跳数为 HopNun^si = 1 ; Step3 :其他各节点Sj接收到多个上游节点Si发送过来的通信能耗，计算节点Sj到 Mesh路由器的通信能耗Ej :》=2?,, +2￡e/ec +辦& ;并选择连接Mesh路由器的 上游节点；将节点Sj所属簇标记为与其上游节点相同，并将节点Sj到簇头Mesh路由器的通 信能耗发往其他下游邻居节点；各下游邻居节点收到多个由上游邻居节点发送的通信能耗 后，重复执行Step3,选定其连接簇头Mesh路由器的上游节点； Step4 :迭代执行Step3,直到制造物联网无线传感器网络所有节点都选择完其上游节 点并标记其所属簇号；至此，所有节点按能量有效原则确定了其所属簇号并构建了能量消 耗最小的数据转发树。
2. 根据权利要求1所述的制造物联网中的传感网拓扑优化方法，其特征在于，在构建 了能量消耗最小的数据转发树后还包括Step5 ;具体为： Step5 :按负载均衡原则对能量有效的分簇结果进行修正，各节点标记其所属簇号后， 将其节点ID，上游节点ID以及到簇头的跳数上报到各簇头Mesh路由器；各Mesh路由器将 其簇内节点数量、簇内节点信息以及数据转发树发送到制造物联网网关，由制造物联网网 关按下式的分簇优化数学模型，计算最优的分簇策略；
Cij 二 IEelec +PdfjNSi，S'j 6 S 其中，D表示无线Mesh路由器集合，D = {Dk，k = 1，2，...，K}，Dk表示第k个路由器； 传感器节点集合为S = (Si, i = 1，2,. . .，m} ;NE表示制造物联网中各类传感节点的连接集 合，第i个节点表示为Si,第j个节点表示为Sj, eg G Ne表示节点Si与节点Sj的连接关系， 若节点Si与节点Sj在彼此通信范围之内，则eu = 1,否则eg = O ;当节点Si与节点Sj在 彼此通信范围之内时，即eh = 1时，定义Ch表示节点si与节点间的通信能耗，即发送 单个bit所需的通信能耗，％ =2五^+/?4，叫，Sj G S, eg = I ;xf=l，表示节点Si与节点Sj彼此相邻并同时划分在无线Mesh路由器Dk负责的簇内，如果节点Si与节点S j彼此不相邻 或不同时划分在Dk的簇内，那么$ #1; CT°T表示整体网络通信能耗，V(Nk)表示整体负载均 衡评价指标，X，ii为权重系数，表示在负载均衡与能量有效之间的权衡，Nk表示无线Mesh 路由器Dk簇内所包含的链路数量，用于度量路由器Dk的负载情况，ATax表示路由器D k能承 受的最大负载。
3. 根据权利要求2所述的制造物联网中的传感网拓扑优化方法，其特征在于，所述 St印2中，当节点与两无线Mesh路由器相邻，则选择距离更近的Mesh路由器作为簇头。
4. 根据权利要求3所述的制造物联网中的传感网拓扑优化方法，其特征在于，所述 St印3中节点Sj选择连接Mesh路由器的上游节点的方式为：初始化最小值mincost为无 穷大;遍历节点Sj所有的相邻节点；比较节点Sj到Mesh路由器的通信能耗Ej与最小值 mincost,当Ej〈mincost，贝U最小值mincost = Ej ;该最小值对应的上游节点为Si,那么节点 Sj到到簇头Mesh路由器的跳数HopNum_Sj = HopNun^Si+l。
【文档编号】H04W84/18GK104333590SQ201410609329
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】王涛, 程良伦, 刘军 申请人:广东工业大学