一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法技术

本发明专利技术涉及一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，属于工业无线网络技术领域。为了减小工业无线网络中瓶颈节点对网络寿命的影响，达到均衡使用节点能量的目的，本发明专利技术结合工业无线网络路由特点，网络能耗因素等内容设计了权值跳数路由算法(WHLPR)。该算法通过对比最小跳数和最小能耗两种路由算法在能耗控制和能耗均衡上的表现，从全网的角度以可变权值来计算源节点到目标节点的权值跳数，利用节点的权值热度和剩余能量等级来均衡网络负载。该算法综合考虑了多路径、链路质量和时延等因素，从而达到降低、均衡网络能耗，提高能量的利用效率、延长网络的生命周期、减小瓶颈节点影响的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业无线网络
，涉及一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法。
技术介绍
工业无线技术相比传统有线测控系统，具有低成本、易维护、高灵活、易扩展的优势，这些优势使得基于IEEE802.15.4的ISA100.11a、无线HART以及WIA-PA等工业无线标准在工业自动化领域受到了越来越多的关注。工业无线网络针对应用现场复杂的工作环境和低功耗，高实时性，高可靠性的应用需求，往往采用mesh网络拓扑结构和确定性调度机制。在ISA100.11a协议和无线HART协议中都规定两种路由的方式：源路由和图路由，在可靠性通信中一般采用图路由的方式，但是标准中并没有定义根据邻居表信息得到图的路由算法。目前，AODV(反应式路由协议)，OLSR(先应式路由协议)，ZRP(混合式路由协议)等主流路由算法，大部分属于以数据为中心的分布式路由协议，采用网络各个成员来选择路由和维护路由策略。在一个典型的工业无线网络中，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，是一种集中式的路由配置方案，而不需要网络其它节点进行路由计算。此外，当前的主要路由算法，研究的大部分都是单路径路由算法，不符合工业无线传感网络对冗余路径的要求；也没有考虑路由转发对网络能量均衡，网络实时性的影响。因而传统的无线路由算法并不适合工业领域的应用。当前工业无线路由算法的研究有少量的成果，CurtSchurgers等基于最小跳数设计了一种梯度的路由算法GBR(Gradientbasedrouting)，用于节省网络资源并延长网络寿命，提高网络的实时性。另外有学者在GBR中加入了电池能量作为路由选择的参考，用来平衡节点间的能量消耗，但是缺乏对时延、通信链路质量、节点活跃状态的分析。还有学者对那些距离汇聚节点较近、消耗能量速度很快的“瓶颈”节点进行了研究，当出现“瓶颈”节点时，网络会用长距离传输替代多跳传输，这种方法虽然可以延长网络寿命，但是不适合于大规模的多跳网络。还有学者选取电池能量、LQI(链路质量)和传输成功率作为路由选择的参考，提出了HBRRP(RobustRoutingProtocol)，具有较高的可靠性，同时延长了网络寿命。但是它对节能路由算法的负载均衡性问题没有深入研究。
技术实现思路
有鉴于此，为了适应工业无线网络集中式路由管理，mesh网络拓扑结构的特点，针对可能会出现的“瓶颈”节点，本专利技术提出了一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，该方法综合考虑了多路径、链路质量和时延等因素，旨在降低、均衡网络能耗，提高能量的利用效率、延长网络的生命周期、减小瓶颈节点的影响。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，在该方法中，根据最小跳数路由算法和最小能耗路由算法分别计算其对应的梯度场和节点热度，再利用加权的方法计算节点的权值跳数和权值热度，建立节点的权值热度图，获取备选链路；把备选链路带入到以链路质量为权值的图，以节点的热度为权值的图，以调度时间为权值的图，以节点剩余能量为权值的图中进行评估，进一步筛选链路，获取最优链路。进一步，该方法具体包括以下步骤：S1：以网关为起点，首先建立最小跳数路由的梯度场H1，然后计算各个节点的热度h1；S2：以网关为起点，首先建立最小能耗路由的梯度场H2，然后计算各个节点的热度h2；S3：计算节点vi权值跳数H'(vi)，权值热度h'(vi)，以及网络所有节点的平均权值热度Δh'；其中节点vi的权值跳数计算公式为H'(vi)＝λ1H1(vi)+λ2H2(vi)，权值热度计算公式为h'(vi)＝λ1h1(vi)+λ2h2(vi)，λ1、λ2分别为最小跳数路由和最小能耗路由的权值，λ1+λ2＝1且0＜λ＜1；平均权值热度计算公式N表示网络节点总数；然后把符合权值跳数H'(vi)的链路ri以W(vi)从小到大的顺序放入到集合X当中；S4：计算集合X中各条链路上的平均热度n为链路ri中节点的个数，各条链路上节点最大热度值h'max(ri)＝max[h'(vk)]，vk∈ri；S5：计算最优链路r：把X集中的各条链路ri带入到不同权值图中进行评估。进一步，步骤S1具体的计算过程如下所述，在一个典型的工业无线网络中，每个节点设备入网前会进行邻居发现，把“搜集”的邻居设备信息保存到邻居表并报告给系统管理器，系统管理器会存储每个节点上传的邻居表信息，计算每个节点的梯度，所述步骤S1具体包括：a)、令网关设备w的最小跳数H1(w)＝0，令除网关以外节点vi的最小跳数H1(vi)＝∞，H1(vi)是从节点vi到网关w的最小跳数i∈(1,2,3.....N)，N为节点的数量；b)、令网关的所有邻居节点H1(vj)＝1，j∈(1,2,3.....m)，m为网关的邻居节点个数；c)、计算步骤b中节点vj的所有邻居节点vk的最小跳数H1(vk)，k∈(1,2,3.....n)，n为vj的所有邻居节点的个数,其中H1(vk)的计算公式为以此类推，再计算节点vk的所有邻居节点的最小跳数，直到计算出所有节点的最小跳数值；在这里因为每个节点的最小跳数有且只有一次被改变的机会，所以不存在回路问题；d)、根据梯度场H1计算各个节点的热度h1，首先建立各个节点vi到网关的唯一链路ri，建立准则为最小能耗准则，即当节点vi的上一跳(梯度场中的跳数)有多个节点的时候，选择通信能耗w(vij)(计算方法参考步骤S2)最小的节点vj作为vi的上一跳建立链路，然后统计经过节点vi的链路条数得到h1(vi)，即为每个节点的热度值。进一步，所述步骤S2具体包括：a)、计算节点vi到其邻居节点vj的时隙能耗w(vij)，i∈(1,2,.....N)，j∈(1,2,.....m)，N为所有节点的个数，m为节点vi的邻居节点个数；时隙能耗的计算过程如下，它可以由高精度锂电池监测芯片DS2780采样计算得到，首先调整芯片的采样时间为时隙模板时间TS(由系统管理器配置)，再由相邻采集点的电池剩余能量差Δw来计算节点vi的时隙能耗b)、令网关设备w的最小能耗跳数H2(w)＝0，链路能耗W(w)＝0；令除网关以外节点vk的最小能耗跳数H2(vk)＝∞，节点vk的链路能耗W(vk)＝∞，其中H2(vk)为节点vk到网关的最小跳数，W(vk)为节点vk到网关的通信的最小能耗；c)、令网关的所有邻居节点H2(vj)＝1，W(vj)＝w(vjw)，j∈(1,2,3.....m)，m为网关的邻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，其特征在于：在该方法中，根据最小跳数路由算法和最小能耗路由算法分别计算其对应的梯度场和节点热度，再利用加权的方法计算节点的权值跳数和权值热度，建立节点的权值热度图，获取备选链路；把备选链路带入到以链路质量为权值的图，以节点的热度为权值的图，以调度时间为权值的图，以节点剩余能量为权值的图中进行评估，进一步筛选链路，获取最优链路。

【技术特征摘要】
1.一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，其特征在于：在该方法中，根据
最小跳数路由算法和最小能耗路由算法分别计算其对应的梯度场和节点热度，再利用加权
的方法计算节点的权值跳数和权值热度，建立节点的权值热度图，获取备选链路；把备选链
路带入到以链路质量为权值的图，以节点的热度为权值的图，以调度时间为权值的图，以节
点剩余能量为权值的图中进行评估，进一步筛选链路，获取最优链路。
2.根据权利要求1所述的一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，其特征
在于：该方法具体包括以下步骤：
S1：以网关为起点，首先建立最小跳数路由的梯度场H1，然后计算各个节点的热度h1；
S2：以网关为起点，首先建立最小能耗路由的梯度场H2，然后计算各个节点的热度h2；
S3：计算节点vi权值跳数H'(vi)，权值热度h'(vi)，以及网络所有节点的平均权值热度
Δh'；其中节点vi的权值跳数计算公式为H'(vi)＝λ1H1(vi)+λ2H2(vi)，权值热度计算公式为
h'(vi)＝λ1h1(vi)+λ2h2(vi)，λ1、λ2分别为最小跳数路由和最小能耗路由的权值，λ1+λ2＝1且0
＜λ＜1；平均权值热度计算公式N表示网络节点总数；然后把符合权值跳数H'
(vi)的链路ri以W(vi)从小到大的顺序放入到集合X当中；
S4：计算集合X中各条链路上的平均热度n为链路ri中节点的个数，
各条链路上节点最大热度值h'max(ri)＝max[h'(vk)]，vk∈ri；
S5：计算最优链路r：把X集中的各条链路ri带入到不同权值图中进行评估。
3.根据权利要求2所述的一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，其特征
在于：所述步骤S1具体包括：
a)、令网关设备w的最小跳数H1(w)＝0，令除网关以外节点vi的最小跳数H1(vi)＝∞，H1(vi)是从节点vi到网关w的最小跳数i∈(1,2,3.....N)，N为节点的数量；
b)、令网关的所有邻居节点H1(vj)＝1，j∈(1,2,3.....m)，m为网关的邻居节点个数；
c)、计算步骤b中节点vj的所有邻居节点vk的最小跳数H1(vk)，k∈(1,2,3.....n)，n为vj的所有邻居节点的个数,其中H1(vk)的计算公式为以此类
推，再计算节点vk的所有邻居节点的最小跳数，直到计算出所有节点的最小跳数值；在这里
因为每个节点的最小跳数有且只有一次被改变的机会，所以不存在回路问题；
d)、根据梯度场H1计算各个节点的热度h1，首先建立各个节点vi到网关的唯一链路ri，建
立准则为最小能耗准则，即当节点vi的上一跳(梯度场中的跳数)有多个节点的时候，选择
通信能耗w(vij)(计算方法参考步骤S2)最小的节点vj作为vi的上一跳建立链路，然后统计
经过节点vi的链路条数得到h1(vi)，即为每个节点的热度值。
4.根据权利要求2所述的一种能量均衡的工业...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐晓铭，贺洋，王军，王平，温鑫荣，蔡龙腾，郝飞飞，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85