WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信网络技术

本发明专利技术涉及一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信网络，适用于实时WirelessHART网络中，该方法包括：在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。本发明专利技术相比于最先进的WirelessHART通信协议提升了40％的网络寿命，并且满足端对端的延迟约束。

【技术实现步骤摘要】
WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构
本专利技术属于实时WirelessHART网络通信的
，尤其是涉及应用于实时WirelessHART网络中的一种基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构。
技术介绍
WirelessHART通信协议已经被IEC(InternationalElectrotechnicalCommission，国际电工委员会)所采用，并作为工业自动化控制系统中第一个开放式实时无线网络通信协议。WirelessHART能够满足制造工业中实时无线通信基本的可靠性、稳定性和安全性等需求。相比树状网络或者星形网络的固定连接，WirelessHART可以利用集中式控制系统从不同路径和冗余路径传输数据，确保了WirelessHART网络的高鲁棒性和容错能力。网络管理器控制整个网络的信息并且采用集中方式分派资源，因此优化了网络并且满足严格的实时需求。另外，WirelessHART通过TDMA(timedivisionmultipleaccess，时分多址)精确的分配通信，并实现无冲突的网络通信。随着大量现场设备应用在当今自动化控制网络中，对于可靠的WirelessHART通信来说能量效率成为越来越大的挑战。现在许多被提出的技术中主要包括，高能效的路由路径选择、数据聚合/融合技术和基于集群的路由。其中，数据聚合技术是融合数据的过程，为了在网络中减少数据传输，数据由几个传感器收集到一个网络包中。通过数据融合技术，数据包在网络中的传输能够有效的减少，也增加了整个网络的生命周期。在无线传感网络(wirelesssensornetworks，WSNs)中为了实现高能效的数据通信，基于集群的路由策略已经被广泛的研究。然而，将基于集群的路由技术应用到硬实时无线网络中仍然是个挑战。无线传感器网络中无线传感器的集群的概念已经有了很好的研究。集群是网络中一些相互关联节点的集合。每个集群都有一个簇头和几个簇成员；这些簇成员发送收集到的数据到簇头，簇头融合这些数据并发送到网络管理器。这个算法把整个网络分割成几个相关联的部分。关于无线传感网络WSNs的许多集群路由算法已经被提出，包括LEACH、LEACH-C、UCS、HEED。然而，在工业生产中时效性和可靠性的需求仍然非常严格，所以它们并不能直接应用到WirelessHART网络中。综上所述，针对现有技术中在大量现场设备接入WirelessHART网络的情况下，如何实现将集群路由等方法集成于WirelessHART网络中达到实时和高能效数据通信的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，该方法应用于实时WirelessHART网络中，构建基于集群的数据聚合与路由通信架构，在大量现场设备接入WirelessHART网络的情况下，有效实现了WirelessHART网络可靠、实时和高能效的数据通信。本专利技术的第一目的是提供一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，适用于实时WirelessHART网络中，该方法包括：在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。在本专利技术中，将簇头的选择过程联合到WirelessHART通信协议的上行链路选择阶段中，同时，在簇头选择中将网络节点的数据传输频率作为计算链路选择优先值的要素，实现了在大量现场设备接入WirelessHART网络出现实时约束情况时有效促进下一超帧调度阶段。作为进一步的优选方案，在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值，并进行排序，根据网络节点的链路选择优先值大小选择出集群中的簇头与簇内节点，进行初步集群分簇。作为进一步的优选方案，在该方法中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值：网络节点的链路选择优先值为网络节点的通信消耗因子、剩余能量因子和数据传输频率因子各自与其权重系数进行乘积后的累加值；所述通信消耗因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的通信消耗；所述节点剩余能量因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的剩余能量；所述数据传输频率因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的数据传输频率。作为进一步的优选方案，网络节点的通信消耗因子的具体计算步骤为：网络节点的通信消耗因子为一减去连接网络节点时消耗的能量与连接整个集群中网络节点消耗的全部能量的商。作为进一步的优选方案，网络节点的剩余能量因子的具体计算步骤为：网络节点的剩余能量因子为网络节点的剩余能量与该网络节点的初始能量的商。作为进一步的优选方案，网络节点的数据传输频率因子的具体计算步骤为：判断网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的大小；若网络节点的数据传输频率小于等于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为1；若网络节点的数据传输频率大于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的商；所述预先选择的簇头节点为父节点。作为进一步的优选方案，所述通信消耗因子的权重系数、剩余能量因子的权重系数和数据传输频率因子的权重系数通过层次分析法确定。作为进一步的优选方案，该方法采用基于层次的聚类算法将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇；所述基于层次的聚类算法的具体步骤为：遍历当前网络层的所有节点，将未被分簇节点加入到可以到达的簇，作为其簇内节点；计算当前网络层进行上述步骤后仍未被分簇节点的链路选择优先值并排序，将链路选择优先值最大的未被分簇节点作为新的簇头，遍历当前网络层剩余未被分簇节点，加入到可以到达的簇，作为其簇内节点；所有簇头组成簇头集合；对于簇头集合中的任一簇头，若其上一网络层中存在链路选择优先值大于该簇头节点的两个节点，则将该两个节点加入簇头集合中，并设置为簇头；若其上一网络层中链路选择优先值大于该簇头节点的节点数少于两个，则从当前网络层中选择链路选择优先值最大的节点设置为簇头。在本专利技术中，通过基于层次的聚类算法将网络节点数据聚合被分为多个簇，且保证簇内节点的传输频率小于簇头节点。通过该方法使数据的传输不会远离管理节点，满足了WirelessHART的时效性要求。分簇后的簇头节点在路由时融合收集到的数据，节省数据包头的消耗，并把更多的能量应用在传输收集到的数据，提高网络的寿命。作为进一步的优选方案，将基于层次的聚类算法形成的簇进行优化得到优化后的簇，优化的具体步骤为：对于簇内节点，若其上一网络层中临近的节点为簇头节点，且该簇头节点所在簇的簇内节点少于三个，则将该簇内节点加入上一网络层中簇头节点所在簇；对于簇头节点，若其所在簇的簇头节点为空，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，适用于实时WirelessHART网络中，该方法包括：在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。

【技术特征摘要】
1.一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，适用于实时WirelessHART网络中，该方法包括：在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。2.如权利要求1所述的一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值，并进行排序，根据网络节点的链路选择优先值大小选择出集群中的簇头与簇内节点，进行初步集群分簇。3.如权利要求2所述的一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，在该方法中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值：网络节点的链路选择优先值为网络节点的通信消耗因子、剩余能量因子和数据传输频率因子各自与其权重系数进行乘积后的累加值；所述通信消耗因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的通信消耗；所述节点剩余能量因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的剩余能量；所述数据传输频率因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的数据传输频率；网络节点的通信消耗因子的具体计算步骤为：网络节点的通信消耗因子为一减去连接网络节点时消耗的能量与连接整个集群中网络节点消耗的全部能量的商。4.如权利要求3所述的一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，网络节点的剩余能量因子的具体计算步骤为：网络节点的剩余能量因子为网络节点的剩余能量与该网络节点的初始能量的商。5.如权利要求3所述的一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，网络节点的数据传输频率因子的具体计算步骤为：判断网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的大小；若网络节点的数据传输频率小于等于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为1；若网络节点的数据传输频率大于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的商；所述预先选择的簇头节点为父节点。6.如权利要求3所述的一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，其特征在于，所述通信消耗因子的权重系数、剩余能...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎峰，李涵涵，鞠雷，贾智平，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37