一种ANDON系统自适应机会路由方法及装置与流程
本发明属于ANDON系统、无线传感器网络和机会路由领域，涉及一种ANDON系统自适应机会路由方法及装置。
背景技术：
无线ANDON系统是一个可视化的管理工具，让人们一眼就能够看出工作的运转状况，并在有异常状况时发出信号。当前的无线ANDON系统主要是基于采用轮询方式的单信道IEEE802.15.4网络，然而工业现场环境愈加复杂，一方面电磁干扰严重，如现场工业电网、高频振动、电弧等对无线通信干扰突出，另一方面厂房中遍布的大型设备、金属器械等都会对无线信号造成衰落和阴影等影响，使得当前的无线ANDON系统在数据传输可靠性、实时性上面临着更加严重的挑战。
机会路由是由麻省理工学院的Biswas等人于2004年提出的，它利用信道广播特性，通过多个潜在中继节点竞争、自主智能判断进行下一跳节点选择来提高传输可靠性。对提高工业现场环境中的传输可靠性有很强的作用，当前的机会路由研究主要是基于备选转发节点集的选择和转发协调机制上，并存在着多种度量方式，包括了跳数、ETX、地理距离等，但是都存在着重传现象严重、时延升高、网络生命期变短等问题，难以满足日益严苛的工业现场环境对传输可靠性的高要求。
综上所述，研究如何提升无线ANDON系统在恶劣工业现场中的可靠性得思考，研究如何针对工业现场应用改进机会路由策略值得深思。因此，研究针对工业无线ANDON系统的机会路由策略来提升传输可靠性成为了焦点课题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种ANDON系统自适应机会路由方法及装置，能够提升网络传输的可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种ANDON系统自适应机会路由方法，所述ANDON系统基于IEEE802.15.4标准并使用2.4GHz频段；所述系统包括：网关设备Sink节点、路由设备节点Ni以及现场设备节点nij；所述系统中，可用信道序列为Sc＝{k|k∈C}，其中，k为信道号，C＝{11,12,13,…,26}；所述路由设备节点Ni的邻居节点集合为Fnb(Ni)＝{Na,Nb,…,Nj,…}；所述方法包括：
设计转发节点优选策略：以邻居节点到目的节点的跳数h、信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率作为指标选取转发节点；
建立节点转发机制：以转发节点到直接路径的距离d、到目的节点的跳数h、经转发链路的传输成功率Pk为指标对转发节点优选策略进行改进。
进一步地，所述设计转发节点优选策略的步骤包括：
节点Ni的转发节点集优选策略根据邻居节点m1值情况进行设计，其中m1值为：
式中，为信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率，为信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率，h为邻居节点到目的节点的跳数；
选取满足如下两个条件的邻居节点作为转发节点：
条件一：节点Ni的邻居节点到Sink节点的m1值m1nbsink小于节点Ni到Sink节点的m1值m1Nisink；
条件二：节点Ni的邻居节点与Ni节点间的传输成功率小于γ倍节点Ni到Sink节点直接路径的传输成功率的其中节点间的链路传输成功率γ取值范围为2到6之间。
进一步地，所述建立节点转发机制的步骤包括：
转发节点优选策略根据转发节点Nj到Sink节点的m2值大小对转发节点进行排序，并且转发节点m2值越小，优先级越高；其中m2值为：
式中，为转发节点Nj到Sink节点的链路传输成功率，为节点Nj最少经过h跳数通过第w项转发节点到Sink节点的链路传输成功率，d为转发节点到直接路径的距离，h为邻居节点到目的节点的跳数。
一种ANDON系统自适应机会路由装置，所述ANDON系统基于IEEE802.15.4标准并使用2.4GHz频段；所述系统包括：网关设备Sink节点、路由设备节点Ni以及现场设备节点nij；所述系统中，可用信道序列为Sc＝{k|k∈C}，其中，k为信道号，C＝{11,12,13,…,26}；所述路由设备节点Ni的邻居节点集合为Fnb(Ni)＝{Na,Nb,…,Nj,…}；所述装置包括：
转发节点优选策略设计单元，用于设计转发节点优选策略：以邻居节点到目的节点的跳数h、信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率作为指标选取转发节点；
节点转发机制建立单元，用于建立节点转发机制：以转发节点到直接路径的距离d、到目的节点的跳数h、经转发链路的传输成功率Pk为指标对转发节点优选策略进行改进。
进一步地，所述转发节点优选策略设计单元包括：
设计模块，用于根据邻居节点m1值情况进行设计节点Ni的转发节点集优选策略，其中m1值为：
式中，为信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率，为信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率，h为邻居节点到目的节点的跳数；
转发节点选取模块，用于选取满足如下两个条件的邻居节点作为转发节点：
条件一：节点Ni的邻居节点到Sink节点的m1值m1nbsink小于节点Ni到Sink节点的m1值m1Nisink；
条件二：节点Ni的邻居节点与Ni节点间的传输成功率小于γ倍节点Ni到Sink节点直接路径的传输成功率的其中节点间的链路传输成功率γ取值范围为2到6之间。
进一步地，所述节点转发机制建立单元包括：
排序模块，用于控制转发节点优选策略根据转发节点Nj到Sink节点的m2值大小对转发节点进行排序，并且转发节点m2值越小，优先级越高；其中m2值为：
式中，为转发节点Nj到Sink节点的链路传输成功率，为节点Nj最少经过h跳数通过第w项转发节点到Sink节点的链路传输成功率，d为转发节点到直接路径的距离，h为邻居节点到目的节点的跳数。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种适用于工业无线ANDON系统的自适应机会路由方法及装置，能够提高其在通信链路不稳定、网络拓扑动态变化下的报文传输成功率。该发明首先设计了转发节点优选策略，综合邻居节点到目的节点的跳数、信道正向与反向链路传输成功率因素选取转发节点，改进节点选取过于宽泛问题，多节点协同传输提高通信成功率；其次，通过转发节点到直接路径的距离、到目的节点的跳数、节点间的链路传输成功率改进了转发节点优选策略，减少网络中的重复传输，增强传输过程对拓扑变化的适应能力。
附图说明
图1是本发明中的一个无线ANDON系统网络结构图；
图2是机会路由及转发节点示意图；
图3是转发节点选取流程图；
图4是转发机制建立流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本申请实施方式提供一种一种ANDON系统自适应机会路由方法，所述ANDON系统基于IEEE802.15.4标准并使用2.4GHz频段；所述系统包括：网关设备Sink节点、路由设备节点Ni以及现场设备节点nij；所述系统中，可用信道序列为Sc＝{k|k∈C}，其中，k为信道号，C＝{11,12,13,…,26}；所述路由设备节点Ni的邻居节点集合为Fnb(Ni)＝{Na,Nb,…,Nj,…}；所述方法包括：
设计转发节点优选策略：以邻居节点到目的节点的跳数h、信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率作为指标选取转发节点；
建立节点转发机制：以转发节点到直接路径的距离d、到目的节点的跳数h、经转发链路的传输成功率Pk为指标对转发节点优选策略进行改进。
在本实施方式中，所述设计转发节点优选策略的步骤包括：
节点Ni的转发节点集优选策略根据邻居节点m1值情况进行设计，其中m1值为：
式中，为信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率，为信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率，h为邻居节点到目的节点的跳数；
选取满足如下两个条件的邻居节点作为转发节点：
条件一：节点Ni的邻居节点到Sink节点的m1值m1nbsink小于节点Ni到Sink节点的m1值m1Nisink；
条件二：节点Ni的邻居节点与Ni节点间的传输成功率小于γ倍节点Ni到Sink节点直接路径的传输成功率的其中节点间的链路传输成功率γ取值范围为2到6之间。
在本实施方式中，所述建立节点转发机制的步骤包括：
转发节点优选策略根据转发节点Nj到Sink节点的m2值大小对转发节点进行排序，并且转发节点m2值越小，优先级越高；其中m2值为：
式中，为转发节点Nj到Sink节点的链路传输成功率，为节点Nj最少经过h跳数通过第w项转发节点到Sink节点的链路传输成功率，d为转发节点到直接路径的距离，h为邻居节点到目的节点的跳数。
具体地，如图1所示是一个工业无线ANDON系统网络网络结构图部分事例，此网络基于IEEE802.15.4标准，使用2.4GHz频段且有16个信道，同时系统网络包括三类节点，第一类为网关设备Sink节点和一个冗余网关设备，第二类为路由设备节点Ni，第三类为现场设备节点nij；网络结构图中路由节点Ni与现场设备节点nij组成了一个星型网络。
机会路由是利用信道广播特性，通过多个潜在中继节点竞争、中继节点协调转发来提高传输可靠性，如图2所示：
源节点Ni采用广播的方式向Sink节点发送一个消息，网络中各路由节点间的传输成功率已知，以ABCF四个转发节点为例。如果只选择一条路径传输消息，路径传输成功率最低的为链路Ni～F～Sink，成功率为P1min＝0.36，路径传输成功率最高的为链路Ni～B～Sink，成功率为P1max＝0.9；如果选择传输成功率最低的两条路径传送消息即链路Ni～A～Sink、Ni～F～Sink，消息的传输成功率P2min＝0.744，选择传输成功率最高的两条路径传送消息即链路Ni～B～Sink、Ni～C～Sink，P2max＝0.972；以此类推，选择三条路径传送消息时，P3min＝0.908，P3max＝0.99；选择四条路径传送消息时，P4min＝0.974，P4max＝0.996；以此类推，如果五条路径都进行转发时，P5＝0.997；由以上事例可推知：转发节点越多，消息传输成功率越高，转发的路径选择越好，消息传输成功率越高。
由此可见，机会路由便是通过广播消息来提升网络消息的传输成功率。
在进行机会路由步骤时，首先进行转发节点集优选工作，如图3所示，步骤如下：
STEP1：路由节点Ni根据自身一跳范围内的邻居节点情况首先建立一个无序的邻居节点集Fnb(Ni)＝{Na,Nb,…}；
STEP2：获取节点向目的节点正、反方向发送消息的传输成功率以一节点连续10秒向指定节点发送并记录探帧数量的方式，记录指定节点接收到的探针数，以及发送探针节点收到指定节点发回的确认帧数得出传输成功率
STEP3：计算各个m1值，根据计算节点Ni的邻居节点到Sink节点的m1值m1nbsink、节点Ni到Sink节点的m1值m1Nisink；此无线ANDON系统在低可靠性时设定阀值γ＝4；
STEP4：根据转发节点集优选策略确定满足条件的邻居节点作为转发节点，条件一为节点Ni的邻居节点到Sink节点的m1值m1nbsink小于节点Ni到Sink节点的m1值m1Nisink，即m1nbsink<m1Nisink；条件二为节点Ni的邻居节点与Ni节点间的传输成功率小于γ倍节点Ni到Sink节点直接路径的传输成功率的即建立转发节点集合F(Ni)＝{Na,Nb,…}；
然后进行节点转发机制建立工作，转发机制包括转发节点优先级策略与报文转发过程。如图4所示，具体步骤如下：
STEP1：计算m2值，如果转发节点Nj到Sink节点不直接可达，则根据计算节点Nj到Sink节点的传输成功率，如果直接可达，则依照所给数值进行计算，再依照获得各个转发节点的m2值；
STEP2：对比各个转发节点的m2值，m2值越小，优先级越高；
STEP3：节点转发过程中确定转发时间t＝μ(w-1)，根据无线ANDON系统在低可靠状态下，尽量增大传输时间，这里设定μ为50ms；
STEP4：从Ni节点的转发节点中选取一个节点，在时间t内，如果第一优先转发节点收到报文，则此转发节点发送报文，其他转发节点不发送；如果第n优先转发节点收到报文且前面(n-1)个转发节点都为未收到报文，则第n优先转发节点发送报文，其他转发节点不发送。
本申请还提供一种ANDON系统自适应机会路由装置，所述ANDON系统基于IEEE802.15.4标准并使用2.4GHz频段；所述系统包括：网关设备Sink节点、路由设备节点Ni以及现场设备节点nij；所述系统中，可用信道序列为Sc＝{k|k∈C}，其中，k为信道号，C＝{11,12,13,…,26}；所述路由设备节点Ni的邻居节点集合为Fnb(Ni)＝{Na,Nb,…,Nj,…}；所述装置包括：
转发节点优选策略设计单元，用于设计转发节点优选策略：以邻居节点到目的节点的跳数h、信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率作为指标选取转发节点；
节点转发机制建立单元，用于建立节点转发机制：以转发节点到直接路径的距离d、到目的节点的跳数h、经转发链路的传输成功率Pk为指标对转发节点优选策略进行改进。
进一步地，所述转发节点优选策略设计单元包括：
设计模块，用于根据邻居节点m1值情况进行设计节点Ni的转发节点集优选策略，其中m1值为：
式中，为信道k下节点间向目的节点方向发送消息的正向链路传输成功率，为信道k下节点间向目的节点反方向发送确认消息的反向链路传输成功率，h为邻居节点到目的节点的跳数；
转发节点选取模块，用于选取满足如下两个条件的邻居节点作为转发节点：
条件一：节点Ni的邻居节点到Sink节点的m1值m1nbsink小于节点Ni到Sink节点的m1值m1Nisink；
条件二：节点Ni的邻居节点与Ni节点间的传输成功率小于γ倍节点Ni到Sink节点直接路径的传输成功率的其中节点间的链路传输成功率γ取值范围为2到6之间。
进一步地，所述节点转发机制建立单元包括：
排序模块，用于控制转发节点优选策略根据转发节点Nj到Sink节点的m2值大小对转发节点进行排序，并且转发节点m2值越小，优先级越高；其中m2值为：
式中，为转发节点Nj到Sink节点的链路传输成功率，为节点Nj最少经过h跳数通过第w项转发节点到Sink节点的链路传输成功率，d为转发节点到直接路径的距离，h为邻居节点到目的节点的跳数。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种适用于工业无线ANDON系统的自适应机会路由方法及装置，能够提高其在通信链路不稳定、网络拓扑动态变化下的报文传输成功率。该发明首先设计了转发节点优选策略，综合邻居节点到目的节点的跳数、信道正向与反向链路传输成功率因素选取转发节点，改进节点选取过于宽泛问题，多节点协同传输提高通信成功率；其次，通过转发节点到直接路径的距离、到目的节点的跳数、节点间的链路传输成功率改进了转发节点优选策略，减少网络中的重复传输，增强传输过程对拓扑变化的适应能力。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
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