一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法
【专利摘要】本发明是一种适用于工业无线传感器网络中基于资源均衡策略的多径路由方法，涉及工业无线传感器网络；该路由方法采用跨层设计的思想，对物理层的数据收发能量消耗以及网络层的转发队列内存消耗进行综合评估，提出基于资源均衡因子的路径优先级判定策略。同时结合广度优先搜索算法，计算出从数据源节点到目的节点间的多条冗余路径，既满足了工业无线传感器网络均衡节点资源的要求，也提高了源节点与目的节点之间通信的可靠性。发明以ISA100.11a网络为例，当ISA100.11a网络中系统管理器进行路由路径计算时，会基于当前网络的拓扑以及各个传感器节点的资源消耗情况，计算出一条优选路径以及多条备选路径，并把路由信息分发存储到路径上的各个节点中，完成路由的配置。经验证，算法可行及达到预期效果。
【专利说明】一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业无线传感器网络【技术领域】，具体涉及一种基于工业无线传感器网络的路由方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络正在给人类生活和生产的各个领域带来深远影响，在国防军事、工业控制、医疗卫生、环境监测、城市交通以及空间探索等领域具有较广阔的应用前景。近几年来，无线传感器与智能工业的联系越来越紧密。工业无线传感器网络充分融合传感器、计算机网络等现代化技术，以低成本、低投资及高度适用性等优势，实现对工业生产流程的“泛在感知”，以更便捷、更高效的方式获取传统生产线上难以获取的重要过程参数，提高控制效率及产能。
[0003]工业无线传感器网络有别于一般的无线传感器网络，其在数据可靠性、安全性以及传输实时性等方面均有较高要求。无线数据的路由技术是工业无线传感器网络的核心技术，对于保障网络的高效运行起着重要作用。
[0004]目前对于工业无线传感器网络路由算法的研究大多只考虑最优的信道质量，这种方法不能适用于采用跳信道方式进行通信的网络(如ISA100.11a、WirelessHART以及WIA-PA等)，因为在这些网络中，传感器节点之间的每一次通信都会采用不同的信道，因此无法通过评估信道质量的方法来计算节点间的通信质量，从而也不能利用该方法生成路由信息。而另外一些研究则关注工业无线传感器网络的能量均衡问题，在路由算法选择路由路径时，尽可能地均衡每一个传感器节点的路由能量消耗，最大化网络的生存时间。然而，这些方法普遍忽视了传感器节点的内存开销，若有过多的路由路径经过同一个传感器节点，则该节点的大部分内存空间将会被转发队列所占用，严重时会导致节点无法进行正常的数据收发操作。因此，内存资源与能量资源对于传感器节点而言同等重要。除此以外，也有一些学者提出基于最短延时的路由算法，然而该方法需要基于已知的调度信息进行延时计算，当传感器网络中出现节点增删、移动时，调度信息往往会由于路由的改变而改变，这时就无法利用已知的调度信息进行路由计算。
[0005]综上所述，现有的工业无线传感器网络路由方法不能很好的适用于实际的工业无线网络，且在保持内存与能量消耗均衡性方面有待提高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是:为了解决上述问题，本发明提供了一种基于资源均衡的多径路由方法，资源均衡包括内存资源均衡以及能量资源均衡两个方面:在生成路由路径的时候，基于本方法实现的路由算法能根据网络内传感器节点当前的内存、能量负载情况，计算出每一条路径的负载优先级。同时为了保证数据传输的可靠性，本发明还提供了一种冗余路由路径的生成方法，数据源节点发出的无线数据可通过多条路径到达目的节点，结合上述资源均衡策略，传感器节点在可选的多条路径中优先选择负载优先级较高的路由路径进行发送。当一条路由路径失效时，传感器节点可以选择另一条负载优先级次高的路由路径。该方法能进一步减小或消除工业无线传感器网络数据传输过程中出现的丢包、节点失效等问题，保障数据的可靠传输。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案，即一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，主要包括以下步骤:
[0008]步骤一:当前网络拓扑为G(V，E)，V表示网络中的传感器节点的集合，E表示传感器节点之间相连的边的集合，从数据传输的目的节点出发，遍历网络中的每一个传感器节点，计算广度优先搜索生成树Tbfs ；
[0009]步骤二:根据步骤一中计算得到的生成树Tbfs,其叶子节点组成叶子节点集合Vleaf。创建集合M和一个先进先出的队列Q ；
[0010]步骤三:任意取出步骤二 Vleaf中的一个叶子节点Vj (j = 1，2，...，k)，k为叶子节点总数，把 ' 加入集合M。若Vleaf为空，则转至步骤七；
[0011]步骤四:从集合M中取出一个元素Vd，设元素Vd在步骤一所述的生成树Tbfs中的深度为山取所有深度为d-Ι且在G(V，E)中与Vd有相连边的传感器节点，加入集合Μ;
[0012]步骤五:取出当前集合M中的所有节点Vi (i = 1，2，...，η)，η为集合M中传感器节点的数量，计算其资源均衡因子h。根据h从小到大的顺序，步骤四中的节点Vd依次选取Vi作为其下一跳节点，并在Vd与Vi间生成多跳冗余路径，其中选择传感器节点Vt (kt=Π--η{^, k2,..., kn})为下一跳优选节点，并生成优选路径edt, edt表示一条从节点Vd指向节点Vt的边，加入ROm^中，R outej用来存储当前已生成的从叶子节点 ' 到目的节点的路由路径，j用来标识步骤三中当前正在处理的叶子节点V」。选择其余节点Vq(q =1，2，...，n，q关t)为下一跳备选节点，并生成多条备选路径ed(1加入ROUTEj中，备选路径ed(1根据对应传感器节点Vq的kq(q = I, 2,..., n, q ^ t)值按从小到大的顺序排列为第一备选路径、第二备选路径等，路径优先级逐渐递减。最后，若Vi在前面的步骤中没有被加入过队列Q，则把\按照其h从小到大的顺序依次放入队列Q中；
[0013]步骤六:取出步骤五Q队列中的第一个传感器节点，若该节点不是数据传输的目的节点，则把该节点加入集合M,执行步骤四，否则表明从步骤三中叶子节点 ' 到目的节点的路径已求出，且已保存于ROUTEjU = 1，2，...，k)中，k为叶子节点总数。此时清空集合M和队列Q，执行步骤三；
[0014]步骤七:对于计算得到的ROUTE^j = 1，2，...，k)进行如下优化。若对于某一个ROUTEi中包含的所有路径，存在一个ROm^同样包含这些路径，称ROUTEi包含于ROUTE]中，则删除ROUTEi,只保留ROUTEj。
[0015]步骤八:为优化过后的每一个ROUTEjU = 1，2，...，k)分配唯一的路由ID标识ID1, ID2,IDk，对于ROUTEj中的每一条路径eab，表明传感器节点Va存在下一跳节点Vb，把IDj以及Vb分发到Va的路由表中。下一跳节点包括下一跳优选节点和下一跳备选节点，每个传感器节点的路由表记录分发得到的路由ID以及路由ID对应的下一跳优选节点、备选节点；
[0016]本发明所述工业无线传感器网络中，由系统管理器对无线网络进行集中式管理。进一步，所述步骤一中，每一个传感器节点定时扫描各自的邻居节点，形成邻居表Tbli,并发送给系统管理器，系统管理器根据各个传感器节点的邻居信息生成网络拓扑G (V，E)。[0017]进一步，所述步骤一中系统管理器根据各个传感器节点的邻居信息生成网络拓扑方法为:若节点Vd的邻居表Tbld中包含节点Ve，且节点Ve的邻居表Tble中包含节点vd，则在G(V，E)中生成一条Vd与V6相连的边。
[0018]进一步，步骤五所述计算资源均衡因子Ici的方法包括如下步骤:
[0019]a)计算传感器节点Vi的队列长度平均因子:免
【权利要求】
1.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:主要包括以下步骤: 步骤一:当前网络拓扑为G(v，E)，V表示网络中的传感器节点的集合，E表示传感器节点之间相连的边的集合，从数据传输的目的节点出发，遍历网络中的每一个传感器节点，计算广度优先搜索生成树Tbfs ； 步骤二:根据步骤一中计算得到的生成树Tbfs,其叶子节点组成叶子节点集合VlMf。创建集合M和一个先进先出的队列Q ； 步骤三:任意取出步骤二 Vleaf中的一个叶子节点' (j = 1，2，...，k)，k为叶子节点总数，把 ' 加入集合M。若Vleaf为空，则转至步骤七； 步骤四:从集合M中取出一个元素Vd，设元素Vd在步骤一所述的生成树Tbfs中的深度为山取所有深度为d-Ι且在G(V，E)中与Vd有相连边的传感器节点，加入集合Μ; 步骤五:取出当前集合M中的所有节点Vi (i = 1，2，...，η)，η为集合M中传感器节点的数量，计算其资源均衡因子k”根据h从小到大的顺序，步骤四中的节点Vd依次选取Vi作为其下 一跳节点，并在Vd与Vi间生成多跳冗余路径，其中选择传感器节点Vt (kt=minikp k2,..., kn})为下一跳优选节点，并生成优选路径edt, edt表示一条从节点Vd指向节点Vt的边，加入ROm^中，Routej用来存储当前已生成的从叶子节点 ' 到目的节点的路由路径，j用来标识步骤三中当前正在处理的叶子节点V」。选择其余节点Vq(q =1，2，...，n，q关t)为下一跳备选节点，并生成多条备选路径ed(1加入ROUTEj中，备选路径ed(1根据对应传感器节点Vq的kq(q = I, 2,..., n, q ^ t)值按从小到大的顺序排列为第一备选路径、第二备选路径等，路径优先级逐渐递减。最后，若Vi在前面的步骤中没有被加入过队列Q，则把\按照其h从小到大的顺序依次放入队列Q中； 步骤六:取出步骤五Q队列中的第一个传感器节点，若该节点不是数据传输的目的节点，则把该节点加入集合M,执行步骤四，否则表明从步骤三中叶子节点 ' 到目的节点的路径已求出，且已保存于ROUTEjU = l，2，...，k)中，k为叶子节点总数。此时清空集合M和队列Q，执行步骤三； 步骤七:对于计算得到的ROUTE] (j = 1，2，...，k)进行如下优化。若对于某一个ROUTEi中包含的所有路径，存在一个ROUTE]同样包含这些路径，称ROUTEi包含于ROUTE]中，则删除 ROUTEi,只保留 ROUTEj。 步骤八:为优化过后的每一个ROUTEjU = l，2，...，k)分配唯一的路由ID标识ID1, ID2,IDk，对于ROUTEj中的每一条路径eab，表明传感器节点Va存在下一跳节点Vb，把IDj以及Vb分发到Va的路由表中。下一跳节点包括下一跳优选节点和下一跳备选节点，每个传感器节点的路由表记录分发得到的路由ID以及路由ID对应的下一跳优选节点、备选节点。
2.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:所述步骤一中，每一个传感器节点定时扫描各自的邻居节点，形成邻居表Tbli,并发送给系统管理器，系统管理器根据各个传感器节点的邻居信息生成网络拓扑G (V，E)。
3.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:所述步骤一中系统管理器根据各个传感器节点的邻居信息生成网络拓扑方法为:若节点Vd的邻居表Tbld中包含节点Ve，且节点Ve的邻居表Tble中包含节点Vd，则在G (V，E)中生成一条Vd与Ve相连的边。
4.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:步骤五所述计算资源均衡因子&的方法包括如下步骤:a)计算传感器节点Vi的队列长度平均因子:
5.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:所述步骤五计算资源均衡因子&的方法中，Qp Si以及Pi的获取方法如下:工业无线传感器网络中的每一个传感器节点在入网时，向系统管理器报告各自用于转发数据的队列长度Qi以及自身传感器数据的发送频率Sitj传感器节点正常入网后，定时检测各自的剩余电量Pi,并发送给系统管理器。系统管理器记录每一个节点Vi的Qp Si以及Pp
6.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:所述步骤五计算资源均衡因子h的方法中，Ri的计算方法如下:工业无线传感器网络中的系统管理器为每一个传感器节点Vi维护一个中转接收频率
7.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:步骤五所述当传感器节点Vi被Vd选为下一跳优选节点时，更新Ri = Ri+(1-a )Sd ;当传感器节点Vi被Vd选为下一跳备选节点时，更新Ri = Ri+ a Sd。
8.一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，其特征在于:所述步骤五中，网络当前平均丢包率α的计算方法如下:传感器节点定时把各自的数据丢包率Ei报告给系统管理器，系统管理器可根据网络中各节点的丢包率计算网络当前的平均丢包率
【文档编号】H04W28/08GK103929782SQ201410175107
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】李士宁, 罗国佳, 潘岩, 李志刚 申请人:西北工业大学