一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法技术

一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，包括：忽略所有无线设备的功能差别，通过系统管理器收集统计整个网格状网络拓扑的单跳无线通信质量作为其拓扑中点对点之间的权重；评估权重，生成非连通复杂网络拓扑图；使骨干路由器和所有无线设备的非连通复杂网络拓扑图组成全连通的新图；将所有添加的从骨干路由器出发的边的权重记为1；再以骨干路由器节点为根节点，求得其最小生成树；取最小生成树根节点的出度，设为K，则非连通复杂网络拓扑图所含树的最少个数与K值相等，在最小生成树中取得直接与根节点相连的全部节点，将这些节点作为路由设备的节点，实现一致性组网。本发明专利技术能以最少的路由器数量实现整个无线传感器网络的连通。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法
本专利技术涉及无线传感器网络设计方法，具体涉及一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，在保证数据采集和通信的前提下，减少路由设备的数量，实现网络拓扑动态更新。
技术介绍
目前工业领域最常使用的无线传感器网络标准分别有ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA协议。在这些标准中，都定义了搭载传感器的现场设备和负责无线转发的路由设备，这两类无线设备通过适当的拓扑组网，组成满足一定采集覆盖面要求的无线传感器网络。在网络部署时，考虑到路由设备相比于现场设备往往需要负担更多的无线传输任务，同时为了在保证使用需求的前提下尽量满足无线网络低成本、低能耗的要求，通常会根据工业现场的环境尝试不同的网络拓扑结构，最终调试出在保持一定工业现场设备测点的前提下使用路由设备最少的方案。然而，现场设备和路由设备虽能各司其职，但难以满足实时多变的工业环境下的无线网络动态自组网调整需求，一旦因为某些原因导致部分现场设备无法连接到最近的路由设备时，就会造成这些现场设备退网的情况，从而只能由网络维护人员重新人工修改该部分的无线设备部署方案。上述三种无线协议标准也对该现象提出了一些增加灵活性的修改：ISA100.11a定义了兼容现场设备和路由设备的全功能设备，即通过组态可以自由配置无线设备是否具备采集功能或路由功能；WirelessHART则使无线现场设备都具有路由功能；WIA-PA则从早期的专用路由设备改变为将路由功能作为无线现场设备的一部分。对于兼容现场设备和路由设备这两种角色的无线设备在三大无线协议标准中都得到重视，这对增强网络动态自组网的灵活性带来了设备基础。但是具体如何利用无线设备的角色转换来实现灵活组网并不在协议中规定，传统的最大路径算法又容易造成路由设备过多从而使能够执行传感采集任务的有效现场设备数量过少，降低了网络的整体效率和信息采集能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，相关无线设备需要具备在现场设备和路由设备这两种角色之间转换的能力，在保证数据采集和通信的前提下，能够以最少的路由器数量实现整个无线传感器网络的连通。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：步骤1，忽略所有无线设备的功能差别，通过系统管理器收集统计整个网格状网络拓扑的单跳无线通信质量作为其拓扑中点对点之间的权重；步骤2，评估权重，剔除权重值低于通信质量阈值的链接，生成非连通复杂网络拓扑图；步骤3，令骨干路由器作为根节点并和每个无线设备节点进行连接，使骨干路由器和步骤2生成的所有无线设备的非连通复杂网络拓扑图组成全连通的新图；步骤4，对步骤3生成的新图，将所有添加的从骨干路由器出发的边的权重记为1；再以骨干路由器节点为根节点，使用朱刘-Edmonds最小生成树算法求得其最小生成树；步骤5，对于步骤4所生成的最小生成树，取其根节点的出度，设为K，则步骤2的非连通复杂网络拓扑图所含树的最少个数与K值相等，在最小生成树中取得直接与根节点相连的全部节点，并将这些节点作为路由设备的节点，实现一致性组网。所述的步骤2在评估权重时统计每个信道上的双向丢包率，双向丢包率指单跳通路的两个无线设备之间到对方设备的传输丢包率，以此作为网络拓扑有向图的权重。所述的步骤2中如果某个单跳通路的两个无线设备之间只有一个方向的权重值高于阈值，也判定这两个设备之间不通，剔除掉这两个设备之间的全部链接。所述的步骤3中新图中只有骨干路由器指向所有无线设备的连接是单向连接，其余无线设备之间的连接都是双相连接。步骤4的具体操作为：首先寻找所有指向除根节点之外其他任意点的最小权重边，形成一个边集合；如果集合中存在环，则将环重构为一个新节点，并对指向新节点的边权重进行更新；重复进行将环转化为边的操作，直至边集合中不再存在环；最后，在步骤3生成的新图中找到进行过权重更新的边，进而找到这些边指向的点及其环，再在这些环中删除指向该点的环内最小边以打断环，则得到以骨干路由器节点为根节点的最小生成树。朱刘-Edmonds最小生成树算法具体数学语言描述如下：1.设有向图G＝(V，E)，其中V是有向图的点集，E是有向图的边集；选择一个点τ∈V作为根节点，对每个边ej∈E设其权重值为ωj；令T＝f(G，τ，W)表示有向图G中以τ为根节点，W＝∑ωj为值的生成树；其中，0＜j＜＝M，M为集合E的个数；2.对于有向图G，遍历除根节点τ之外的所有节点vi∈{V\{τ}}，对每个vi取指向vi的边中权重值最小边，并记录这些边的来源点pi，这些边的集合为P＝{(pi，vi)|vi∈{V\{τ}}；其中，0＜＝i＜N，N为集合V的个数；3.如果P的任意子集不能构成环，则得到最小生成树Tmin＝f(P，τ，W)，其值为W，算法结束；4.如果P中含有可以构成环的子集，则记环为C，并将环C抽象为点vc，并从P中删除C，P←P\C；再在原图的边集E中找到指向环的边e＝(u，v)，e满足得到环外点u和环内点v；进而在环C中找到指向点v的边e′＝(u′，v)，e′满足u′∈C∧v∈C；将点u指向抽象点vc的边记为ec＝(u，vc)，并将ec添加进P，即P←P\{ec}，ec的权重值ωc＝ω(e)-ω(e′)；如果有多条边作为ec，则只选择ωc最小者加入P；5.重复计算2和计算4，直至P的任意子集不能构成环；6.考察计算4中的环C，找到P中的边ec在原图中相对应的边e，再在环C中找到和边e＝(u，v)指向相同点v的边e′＝(u′，v)；删除边e′以打断环，将环C中除了边e′以外的边加入P；最后从P中删除ec，将ec在原图中相对应的边e加入P，则得最小生成树Tmin＝f(P，τ，W)，其值为W，算法结束。在一个路由设备难以满足树中所有现场设备与之单跳连接时，将需要多跳连接的中继现场设备设置为兼容路由功能的设备，允许其数据链路层转发特定的某个邻居的信息。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：由于路由设备负责大量的无线转发工作，路由设备的数量直接影响到整个无线网络的通信成本，当网络中的无线设备数量一定时，路由设备过多也会挤占现场设备的数量，降低整个无线网络的数据采集量。本专利技术对任意的非连通拓扑图，能够寻找到其有条件的连通性，这种条件对于ISA100.11a无线网络而言，具体即指保证最少数量的路由设备能够相对的使网络总成本和功耗较低，在组网中同时满足数据采集和通信的需求，还能够减少动态更新网络拓扑时的人工成本。附图说明图1参考ISA100.11a标准的一般网络部署拓扑图；图2802.15.4信道分布示意图；图3剔除未达阈值的点对点通信连接的非连通复杂网络拓扑图；图4将骨干路由器作为新节点和所有无线一般设备节点共同构成的连通图；图5选取最小生成树的K个根节点作为路由设备的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，忽略所有无线设备的功能差别，通过系统管理器收集统计整个网格状网络拓扑的单跳无线通信质量作为其拓扑中点对点之间的权重；/n步骤2，评估权重，剔除权重值低于通信质量阈值的链接，生成非连通复杂网络拓扑图；/n步骤3，令骨干路由器作为根节点并和每个无线设备节点进行连接，使骨干路由器和步骤2生成的所有无线设备的非连通复杂网络拓扑图组成全连通的新图；/n步骤4，对步骤3生成的新图，将所有添加的从骨干路由器出发的边的权重记为1；再以骨干路由器节点为根节点，使用朱刘-Edmonds最小生成树算法求得其最小生成树；/n具体操作为：首先寻找所有指向除根节点之外其他任意点的最小权重边，形成一个边集合；如果集合中存在环，则将环重构为一个新节点，并对指向新节点的边权重进行更新；重复进行将环转化为边的操作，直至边集合中不再存在环；最后，在步骤3生成的新图中找到进行过权重更新的边，进而找到这些边指向的点及其环，再在这些环中删除指向该点的环内最小边以打断环，则得到以骨干路由器节点为根节点的最小生成树；/n步骤5，对于步骤4所生成的最小生成树，取其根节点的出度，设为K，则步骤2的非连通复杂网络拓扑图所含树的最少个数与K值相等，在最小生成树中取得直接与根节点相连的全部节点，并将这些节点作为路由设备的节点，实现一致性组网。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，忽略所有无线设备的功能差别，通过系统管理器收集统计整个网格状网络拓扑的单跳无线通信质量作为其拓扑中点对点之间的权重；
步骤2，评估权重，剔除权重值低于通信质量阈值的链接，生成非连通复杂网络拓扑图；
步骤3，令骨干路由器作为根节点并和每个无线设备节点进行连接，使骨干路由器和步骤2生成的所有无线设备的非连通复杂网络拓扑图组成全连通的新图；
步骤4，对步骤3生成的新图，将所有添加的从骨干路由器出发的边的权重记为1；再以骨干路由器节点为根节点，使用朱刘-Edmonds最小生成树算法求得其最小生成树；
具体操作为：首先寻找所有指向除根节点之外其他任意点的最小权重边，形成一个边集合；如果集合中存在环，则将环重构为一个新节点，并对指向新节点的边权重进行更新；重复进行将环转化为边的操作，直至边集合中不再存在环；最后，在步骤3生成的新图中找到进行过权重更新的边，进而找到这些边指向的点及其环，再在这些环中删除指向该点的环内最小边以打断环，则得到以骨干路由器节点为根节点的最小生成树；
步骤5，对于步骤4所生成的最小生成树，取其根节点的出度，设为K，则步骤2的非连通复杂网络拓扑图所含树的最少个数与K值相等，在最小生成树中取得直接与根节点相连的全部节点，并将这些节点作为路由设备的节点，实现一致性组网。


2.根据权利要求1所述基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，其特征在于：所述的步骤2在评估权重时统计每个信道上的双向丢包率，双向丢包率指单跳通路的两个无线设备之间到对方设备的传输丢包率，以此作为网络拓扑有向图的权重。


3.根据权利要求2所述基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，其特征在于：所述的步骤2中如果某个单跳通路的两个无线设备之间只有一个方向的权重值高于阈值，也判定这两个设备之间不通，剔除掉这两个设备之间的全部链接。


4.根据权利要求1所述基于ISA100.11a标准的一致性组网方法，其特征在于：所述的步骤3中新图中只有...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵广社，王鼎衡，高雷涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61