一种面向发射干扰的工业无线传感器网络路由构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向放射干扰的工业无线传感器网络路由构建方法，属于无线传 感器网络通信支持技术领域。
【背景技术】
[0002] 在工业应用中的数据流的传输，要求降低路由请求的频率和数据等待延时，从而 可以提高数据传输的可靠性，同时，需要考虑链路中传感器节点能量的持续损耗，从而达到 能量消耗均衡的目的。另外，由于恶劣的工作环境和复杂的工业噪声，节点或链路的失效经 常发生，路由机制需要具备一定的容错能力。因此，针对工业应用的路由算法设计研究引起 了人们的重视。近几年，人们提出了多种基于不同应用目标的传感器网络路由协议，并根据 不同的应用对路由进行了分类研究与比较。但是，大部分协议因其较为理想的假设前提而 无法直接应用在工业场景中。
[0003] 在当前研究的工业无线传感器网络中保证端到端延时的路由主要有以下三种： 基于树形的路由协议、最短距离优先（SPF)路由协议、基于地理位置的路由（GR)协议。基 于树形的路由协议在无线传感网络中是一种基于IEEE 802. 15. 4标准的常用路由协议。在 SPF路由协议中，每一个节点通过周期地更新路由表得到一个包含目的节点和最优路径的 列表。虽然这种路由协议考虑服务质量，但是对于感应节点有限可利用的资源来说，协议 复杂且通信开销大。此外，SPF路由算法在动态拓扑的情况下，会产生很大的消耗以及较 长的路由控制时间。相比而言，GR路由协议不需要知道整个网络拓扑的结构。每个节点基 于源节点、目的节点和邻居节点的位置选择下一跳转发节点，这样能减少信息量以及能量 消耗。并且，GR路由协议使得每跳的距离最大化以减少转发的跳数以及转发过程中的能量 消耗。但是，GR算法不能优化跳数，而跳数的大小往往能影响能量消耗和延时。
[0004] 为了优化工业无线传感器网络的数据传输能力，国内外研究者提出了多种路由 机制，相关文献如下：
[0005] 1、2〇〇6 年，Heo 等人在《EAR-RT:Energy aware routing with real-time guarantee for wireless sensor networks》中，提出一种保证数据实时传输的路由协议， 该协议考虑在源节点到目的节点间找到一条多跳路径，其每一个邻居节点根据被选择的 概率来转发数据包。选择概率与邻居节点剩余能量的总和以及转发数据包给邻居节点所需 的能量成反比。因此，能量需求较低的路径比较容易被选中。EAR-RT在可以及时传输数据 包的候选节点中随机地选择下一个节点，防止任何特定的路径连续地被选择为最优路径以 实现能量均衡。
[0006] 2、2009 年，Heo 等人在《EARQ:Energy Aware Routing for Real-Time and Reliable Communication in Wireless Industrial Sensor Networks》中，提出了一种不 需要单独的设置阶段，也不需要利用无线网络的监听特性的实时路由协议EARQ。EARQ综 合考虑路径的能量消耗、延时以及可靠性，不仅提供了实时传输，也提供了数据包的可靠 传输。但是，由于考虑能量消耗的问题，EARQ对路由路径的建立并不总是最优的。
[0007] 3、2〇〇9 年，Li 等人在《Enhancing real-time delivery in wireless sensor networks with two-hop information》中，提出了一种基于速度的两跳路由算法THVR， THVR使用地理位置信息和延时来选择最优路径，将延时丢失率降低了 20%。
[0008] 4、2010 年，Jung 等人在《0MLRP:Multi_hop information based real-time routing protocol in wireless sensor networks》中，提出了一种按需多跳超前实时路由 协议0MLRP，能够根据转发路径中邻居节点的信息来按需转发。OMLRP因信息交互产生的能 量消耗很少，OMLRP没有对转发数据包到Sink节点所需的跳数进行优化，因此在转发时延 上仍存在优化空间。
[0009] 5、2012年，Quang等人在《Enhancing Real-Time Delivery of Gradient Routing for Industrial Wireless Sensor Networks》中，将基于速度的两跳路由算法和基于梯度 的网络进行结合，提出了一种适用于工业环境的路由算法THVRG，THVRG不仅优化了实时转 发所需的跳数，同时也减少了路由转发所需的能量消耗。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题是：在随机部署的工业无线传感器网络中，对节点的 实际通信能力进行评估，定位网络中出现的发射干扰源并估计其覆盖范围。根据网络是否 存在发射干扰，考虑转发节点的能量成本，转发时延和链路可靠性选取下一跳节点，并在路 由路径靠近发射干扰区域时，使用绕行和穿越的方式进行路由控制。
[0011] 为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0012] 一种面向发射干扰的工业无线传感器网络路由构建方法：包括以下步骤：
[0013] 步骤一：传感器节点的通信范围估计。节点使用全向天线以最大发射功率发射信 号，对各方向上的信号衰减情况进行评估，各个方向上的节点接收信号后向发送节点发送 ACK信息，所述ACK消息包括接收信号强度指示以及接收节点与发射节点之间的距离，基于 曲线拟合方法计算出节点在各方向上的最大发射半径，使得节点能够估计干扰源出现前的 正常通信范围，以及干扰源出现后的衰减通信范围。
[0014] 步骤二：发射干扰源定位。考虑发射干扰源对节点通信能力的衰减，出现干扰源前 后节点邻居表中维护的邻居个数会减少，使用所述步骤一计算邻居个数减少的节点衰减后 的通信范围，基于极大似然法对发射干扰源进行定位。
[0015] 步骤三：发射干扰源区域大小计算。考虑定位误差的影响，对定位的发射干扰源的 覆盖范围进行估计；
[0016] 步骤四：在正常工作区域和发射干扰区域内执行不同的策略选取下一跳节点。正 常工作区域中的节点根据节点能量，转发时延，链路可靠性决定下一跳。当路由路径接近发 射干扰区域时，当前节点会根据当前干扰区域周围的网络连通度，节点能量水平，以及链路 可靠性，采用绕开发射干扰区域或者穿越发射干扰区域的策略。
[0017] 上述步骤一中，节点各方向上的最大发射半径计算方法如下：
[0018] 发射信号进行通信能力评估的节点称为发射节点，发射节点选取某一方向作为参 考方向，每隔22. 5°作为一个采样方向，即节点共具备16个采样方向，每个采样方向上的 收到发射信号的节点称为采样节点，采样节点将信号到达自身时的强度以及与发射节点之 间的距离封装到ACK消息中发送给发射节点，发射节点就某一采样方向上即可收到若干包 含接收信号强度指示以及距离的样本对，使用最小二乘估计对该方向上获得的样本对进行 曲线拟合，根据接收信噪比SNR的强度可在曲线上求得该采样方向上的最大发射半径，将 16个采样方向上的最大发射半径所在位置进行连接，所获多边形的内接圆即为估计的发射 节点通信范围。
[0019] 上述步骤二中，发射干扰源的定位方法如下：
[0020] 发射干扰区域内的节点因通信能力衰减，连接的邻居个数减少，当超过三个以上 节点感知到邻居个数减少，就对当前衰减后的通信范围进行估计，再通过极大似然法对发 射干扰源进行多边定位。
[0021] 上述步骤三中，发射干扰源覆盖范围的计算方法如下：
[0022] 将定位获得的发射干扰源与其一跳范围的节点构造 Delaunay三角形，将与发射 干扰源直接相连的节点的通信范围合并，使用外接圆对合并后的图形进行覆盖，并将其作 为估计的发射干扰区域范围。
[0023] 上述步骤四中，在正常工作区域中节点下一跳选取方法如下：
[0024] 节点仅将与自己相比离sink更近的邻居节点加入路由表，选入路由表的节点 由一个三元组（E，D，R)评价作为下一跳节点的各性能指标；E用以表针能量成本，D用以 表针转发时延，R用以表征链路可靠性；路由表中候选下一跳节点的最小能量成本记为 E_，最小转发时延记为D_，最大链路可靠性记为R_.;节点i被选为下一跳的权重值为
选择路由表中权重值最高的节点作为转发下 一跳。
[0025] 上述步骤四中，在路由路径接近发射干扰区域时节点下一跳选取方法如下：
[0026] 以干扰区域的半径为短轴建立长轴最短的外接椭圆，使得外接椭圆在干扰区域以 外的部分满足网络连通性要求，同时节点的能量水平不低于全网平均水平，当长轴长度不 超过两倍短轴的前提下，能够建立起上述外接椭圆时，当路由路径接近发射干扰区域，在外 接椭圆去除干扰区域以外的部分按照在正常工作区域中节点下一跳的选取方法选取转发 节点，绕开干扰区域，若所建立的外接椭圆长轴超出两倍短轴，或连通性、节点能量不满足 要求时，当路由路径接近发射干扰区域，下一跳节点直接有干扰区域内进行选取，干扰区域 内的节点会根据剩余能量以及干扰区域内部的连通情况调节发射功率，保证路由路径能够 穿越干扰区域。
[0027] 通过采用上述技术手段，本发明的有益效果为：通过对节点通信能力的评估、发射 干扰源的定位和发射干扰区域大小的计算，本发明能够在复杂的工业环境中有效提高网络 中路由的可靠性；正常情景下路由中的转发节点选择综合考虑能量成本，转发时延以及链 路可靠性，提高了数据转发的实时性和有效性，考虑发射干扰的影响时，结合规避干扰区域 和穿越干扰区域的路由策略，使得路由机制更灵活、更可靠，具有广泛的应用价值。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明传感器节点的通信能力评估示意图；
[0029] 图2为本发明发射干扰源定位示意图；
[0030] 图3为本发明发射干扰源区域计算示意图；
[0031