CN101854696A - 基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在无线传感器网络中基于时隙调度机制和通信链路质量的路由方法，涉及无线传感器网络；此路由方法采用跨层设计的思想，结合全网时隙调度机制和底层通信链路评估，选取传输延时和链路质量作为路径选择的标准；并引入前k优路径算法选取一条同时满足两个选路标准的最优通信路径，从而实现高可靠性的无线传感器网络路由技术；发明以ISA100.11a网络为例；ISA100.11a网络中的系统管理器对mesh拓扑的通信子网进行集中式管理；当收到源设备的路由申请时，运行路由算法选取出一条满足全网调度要求下通信链路质量最优的路径，同时将路由信息下发到路径上的各个节点进行数据通信；以此验证算法的可行性。

Description

基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的路由方法。

背景技术

传感器网络(感知网络)是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络(WSN)的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如智能楼宇、智能家居和工业自动化等。

在工业界，如果使用有线传感器网络，成本较高且实现起来困难，无线传感器网络的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。工业无线传感器网络以其低功耗，低成本的特点，已成为工业自动化领域的又一发展趋势。工业环境下建立具有高可靠性的无线传感器网络已成为一个迫切的需求。

在无线传感器网络中，研究大多数路由算法的时候只考虑最优的链路质量而不管发送数据的传输时间。而另外一些研究只考虑了点到点的延时来找到最优路径。这样的话，在最优路径上的一些节点就具有过大的负载，节点将会因为过大的能量消耗而过早的失去作用，无法有效解决丢包、延时等问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法，能进一步减小或消除无线传感器网络数据传输过程中容易出现丢包、延时等问题，保障数据传输的可靠性。

本发明的目的是这样实现的：基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法，包括如下步骤：

a)选取网络中链路质量最优的路径；

b)计算所选取的路径上源节点到目的节点的数据传输延时，将计算结果与全网调度要求的从源节点到目的节点的数据传输时间阀值进行比较，判断是否符合调度的要求；若符合调度要求就选取此路径作为通信路径；若不符合要求则执行步骤c)；

c)从网络中选取出链路质量相比上次选取次优的路径；

d)重复执行步骤b、c)，直至选取出符合调度要求的条件下链路质量最好的路径。

进一步，所述数据传输延时为目的节点经各个路由节点到目的节点的时隙偏移总和；

进一步，所述无线传感器网络中，由系统管理器对通信子网进行集中式管理，所述基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法包括如下步骤：

1)当源节点需要发送数据到目的节点时，向系统管理器发出路由请求；

2)系统管理器收到路由请求之后通过步骤a-d)获得的符合调度要求的条件下链路质量最好的路径，并在源节点和目的节点之间的建立一个合约，以及一个标识该合约的合约ID；

3)选取图路由的路由方式，生成一个图ID标识最优通信路径，将合约ID、图ID下发到路径上的源节点、路由节点和目的节点；

4)路径上的节点在接收到系统管理器下发的相关通信信息后，将合约ID存储在本设备网络层的合约表中，将图ID、下一跳地址等信息存储在本设备数据链路层的路由表项中；

5)源节点开始发送数据时，通过目的地址在网络层的合约表中查询到对应的合约表得到合约ID，并下发到数据链路层；通过合约ID在数据链路层的合约ID中查询得到图ID和下一跳节点的地址，做出路由选择，并将这些信息装载进数据帧中进行数据发送；

6)路由节点在转发数据帧时，通过解析数据帧中得到图ID，通过图ID查询本设备数据链路层的路由表项，得到下一跳节点的地址进行转发，直到数据帧到达目的节点；

进一步，步骤a)中，设备通过扫描邻居设备，解析数据帧尾部的相关值来计算链路质量。

相对于现有技术，本发明的方法采用跨层设计的思想，考虑到物理层、MAC层和DLL层对网络运行和能量消耗都有重要影响的，对网络各层进行协同研究，同时采用两种度量标准进行路径选择，以传输延时作为路由选路的标准之一；同时评估底层的通信链路，选取通信链路质量较好的通信路径进行数据收发，将通信链路质量也作为路由选路的标准之一，因此本发明的路由方法既满足了全网调度的要求又具有较好通信链路的路径进行数据收发，可以此提高无线传感器网络通信的可靠性；在进一步的技术方案中，采用基于TDMA时隙接入的全网调度技术，以路径上相邻节点之间时隙偏移产生的传输延时作为路由选路的标准；本发明还公开了能具体用于ISA100.11a网络的路由方法。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了ISA100.11a网络的拓扑结构示意图；

图2示出了ISA100.11a网络数据流通信过程示意图；

图3示出了路由申请过程示意图；

图4示出了以时隙偏移为权值的加权图G_t；

图5示出了时隙分配与时隙偏移示意图；

图6示出了接收缓冲区中数据帧结构示意图；

图7示出了实施例路由方法的算法流程示意图；

图8示出了实施例路由方法的算法中的加权图G；

图9示出了实施例路由方法中生成前k优路径的算法示例图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的优选实施例选取ISA100.11a网络为例，对本发明的路由方法进行说明，将DLL层(数据链路层)与MAC层(物理层)协同研究，结合底层采用的TDMA机制、超帧结构、全网调度技术。ISA100.11a网络的TDMA机制与超帧结构都会影响到路由做出路径选择后的数据收发。全网调度技术包括根据TDMA机制与超帧结构配置网络中各条通信路径的传输延时。这个传输延时是通信路径上从源节点经各个路由节点到目的节点的时隙偏移总和。因此选取时隙偏移的传输延时作为选择路径的标准之一。

ISA100.11a网络的TDMA机制是把时间分割成周期性的超帧(superframe)，每一个超帧再分割成若干个时隙。时隙是一个单一，无重复的时间周期。一个时隙周期在标准中被构造成标准的值，如每个时隙10ms。在调度周期中一个超帧是对时隙的收集管理。一个给定超帧中时隙的数量决定每个时隙重复的频率。

在满足定时和同步的条件下，全网调度技术将各个节点的数据收发安排在超帧中预定的时隙进行。节点可以分别在各时隙中接收到各相应节点的数据帧而不混扰。同时，节点发向其他节点的数据帧都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能把发给它的数据帧区分并接收下来。

系统管理器在对全网进行调度之后，把时隙的分配情况下发到子网中各个节点；节点收到之后存在本设备对应的表项中。图4、图5中描述了同一个超帧中时隙分配与数据发送时隙偏移的情况。在节点A中超帧的第2个时隙分配给A发送数据到B；那么在节点B中同一个超帧第2个时隙就应该设置为B接收A的数据，同时在节点B中超帧的第15时隙分配给B发送数据到D；在节点D中同一个超帧相同的时隙设置为D接收B的数据。所以数据从节点A发送数据经过节点B到节点D需要时隙偏移15个时隙，也就是传输延时15个时隙。因此在以时隙偏移为权值的加权图G_t中，节点A到节点B的通信时隙偏移(timeslot offset)的权值为2，节点B到节点D的timeslot offset权值为13。同理，数据从节点A发送经过节点C到节点D需要28个时隙。节点A到节点C的timeslot offset权值为10，节点C到节点D的timeslot offset权值为18。

工业无线通信与传统有线通讯具有不同的特点，易受外界干扰出现链路质量不稳定，从而造成数据包的丢失，在实际应用中恰当地评估出链路质量对整个网络通信的效率与可靠性，对上层协议路由选择具有十分重要的意义。然而，许多现有的路由研究往往忽略了对底层链路的通信质量评估，协议在仿真与设计时大都假设底层通信链路为理想链路，如：假设通信信道是不丢失的，链路传输是对称的等。可是本发明研究的协议旨在真实环境中实现并应用于工业现场，由于无线传感器网络的底层通信链路是无线共享信道，电磁波在传输过程中存在着损耗、其他设备干扰等，丢包现象时有发生。如何选择合适的链路质量量度方法，及时检测链路的连接状况，准确地对通信链路进行评估是实现工业无线通信高效、可靠通信的基础。

在ISA100.11a网络中，设备通过扫描邻居设备收集链路质量(LQI)。设备收到的所有数据帧和确认帧的尾部，都存在接收信号强度指示(receivedsignal strength indicator RSSI)和相关值(correlation value CRC/Corr)，设备解析数据帧时取出尾部相关值corr计算LQI值，如图6。LQI值越高代表越好的信号。区间在1-255之间，1-63指示一个差的信号，64-127是一个中等的信号，128-191是一个好的信号，192-255是一个极好的信号。

这样在网络中，由源节点到目的节点之间所有的节点就可以组成两个加权图，分别是根据调度过程中的传输延时作为权值组成的加权图，以G_t标识；根据LQI值作为权值组成一个加权图，以G_I标识。

在路由选择时调度的传输延时和链路质量两个路由度量都要满足，既要满足调度要求的传输延时又要选取链路质量好的路径进行数据发送。如果先选取网络中符合全网调度传输延时要求的路径，需要在加权图G_t中从源节点到目的节点进行遍历，得到所有从源节点到目的节点的路径之后，选取出所有小于全网调度要求的传输延时阀值t的路径组成一个集合，再计算此集合中各条路径的链路质量，对各条路径的链路质量进行排序，从而选取出符合调度要求下链路质量最优的路径作为通信路径。这种做法的缺点在于算法的时间复杂度较高，达不到最优化的目的。若先在加权图G_I中选取链路质量最优的路径，再将此路径带入加权图G_i，在G_t中计算路径上从源节点经各个节点到目的节点的时隙偏移总和t_p与全网调度要求的传输延时阀值t进行比较，是否符合调度的要求；若符合调度要求就选取此路径作为通信路径，若不符合要求就再从网络中选取出链路质量次优的路径，将此路径与调度的阀值t再经行比较。以此循环选取，直至选取出符合调度要求下链路质量最优的路径作为通信路径。这样就降低了算法的时间复杂度，保证了算法的最优化。

因此我们引入了前k优路径算法(k＞＝1)。在加权图G_I中使用前k优路径算法，算法每循环一次就会得到一条路径，依次得到最优、次优、第三优等路径；每得到一条路径之后就带入加权图G_t，在G_t中计算出前k优路径上的各个节点之间的传输时隙偏移与全网调度传输延时的阀值t进行比较。若小于t，此路径就同时满足了调度要求的传输延时与通信链路质量两个标准，停止前k优路径算法，以第k优路径作为通信路径；若大于t，继续前k优路径算法选取路径直至产生满足两种度量标准的路径。

在A*(A-star)启发式搜索中，对于每个状态x，启发函数f(x)通常是这样的形式：

f(x)＝g(x)+h(x)；

其中f(x)是节点x的估价函数，g(x)是从源节点到x节点的实际代价，h(x)是从节点x到目的节点最优路径的估计代价。相对于h(x)，还有一个概念叫h*(x)，表示从x走到目的节点所需要的实际最小代价。如果在你的启发函数里，能保证h(x)＜＝h*(x)，那就可以说这个搜索是A*算法。设起点为s，终点为t；对于一个路径上的点v，表示从v走到t的最优路径的长度；状态x表示的是从s走到v的一条路径，把这个点v记作x.v，把这条路径的长度记作c_sv；然后可以使用启发函数：

$g\left(x\right)=c_{\mathrm{sv}},h\left(x\right)=c_{\mathrm{vt}}^{\′};$

$f\left(x\right)=g\left(x\right)+h\left(x\right)=c_{\mathrm{sv}}+c_{\mathrm{vt}}^{\′};$

初始状态中x.v＝s，c_sv＝0；每次让优先队列中f(x)值最小的状态x出队，再跟据图中所有从x.v出发的边发展下一层状态让它们进优先队列。优先队列中不存在判断重复的问题，因为每个状态都需要记录下它的前向节点。这是一个A*算法，因为这里的h(x)本身就是h*(x)，满足h(x)＜＝h*(x)。在每次出优先队列的状态x中，第一次遇到x.v＝t时，就找到了从s到t的最优的路径，它的长度就是f(x)；第k次遇到x.v＝t时，就找到了从s到t的第k优路径。

根据A*启发式搜索的思想研发的Yen算法(偏离路径算法)选取加权图中的前k优路径。在Yen算法中，采用了A*算法的启发式搜索，状态x不仅可以代表从s走到x.v的一条路径(记作p_sv)，更代表了一条从s到t的完整的路径，也就是p_sv再连接上从x.v到t的最优路径。这一整条路径(记作p_x)的长度就是我们的启发函数f(x)。具体实施步骤如下：

设(N，A)标识一个给定的网络，N＝{v₁，……，v_n}是有限数量的n个节点，A＝{a₁，……，a_n}是有限数量的m条边；a_k标识(N，A)中一对节点(i，j)之间的边，c(a_k)标识边a_k上的权值；P_ij标识(N，A)中一对节点(i，j)之间所有的路径。设p_ij∈P_ij和p_jl∈P_jl是(N，A)中给定的两条路径，路径p_ij的目的节点同时也是路径p_jl的源节点，将这两条路径相关联起来，用p_ij＜＞p_jl标识，相当于(N，A)中i到l的一条路径p_il。

对于此算法选取的k优路径p_k＝{p₁，……，p_k}(k＞＝1)这样一套路径会形成了一个偏离树T_k。对于任何的k∈{1，……，K}，节点v_k称为p_k的偏离节点，v_k是p_k中第1个(按从s到t的顺序)不在T_k-1上的点(k＞＝1)的pre节点；而p_k中以v_k为尾节点的边称为p_k的偏离边，p_k中从v_k到目的节点的路径

称为偏离路径。对于任意的节点v∈N，A(V)标识一套以v为尾节点的(N，A)中的边；对于任意k＞＝1，

标识一套以v为尾节点的T_k中的边。X是存储候选路径的集合，第k+1次时从X选取最优的路径作为第k+1优路径。

如图7、图8、图9，算法首先初始化k＝1，计算最优路径p₁，用p₁初始化T_k和X，用源节点初始化p₁的偏离节点v₁；每当选取出一条路径p_k时，取出偏离节点v_k，对于偏离路径

上从v_k到目的节点pre节点中每个节点v都可以在的范围内发展出一条最优候选路径，由

组成，比较

的值，取出所有v节点发展出的候选路径中的最优路径

再与

连接得到

将q存入集合X；再将

并入偏离树T_k，作为新的T_k+1；最后在集合X中选取出最优路径作为第k+1优路径p_k+1。也就是说，基于p_k求出的p_k+1是仅次于p_k的路径，所以将此条路径作为k+1优路径。

算法如下：

p₁←最优路径       /*计算出从s到t的最优路径*/

k←1

←计算p₁(最优路径)上从s到t的所有节点的时隙偏移

X←{p_k}

T_k←{p_k}

While

/*t是全网调度要求的节点之间通信的阀值*/

do begin

X←X-{p_k}

v_k←p_k上的偏离节点

for每个节点

do begin

$\mathrm{if\; A}\left(V\right)\_A_{T_k}\left(V\right)!=\mathrm{\φ}$

    then begin

        计算集合

中最优路径

/*

是x到t的最优路径，

*/

$q\&LeftArrow;p_{\mathrm{sv}}^k<>\{v,(v,x),x\}<>p_{\mathrm{xt}}^{\&prime;}$

X←{q}

$q_{v_{k}t}\&LeftArrow;\{v,(v,x),x\}<>p_{\mathrm{xt}}^{\&prime;}$

T_k←T_k∪q_vt

end

end

k←k+1

p_k←X中的最短路径

←计算p_k上从s到t的所有节点的时隙偏移

end

以图8、图9为例，当k＝1时，得到s到t的最优路径

将q₁存入集合X＝{q₁}，从X中选取出q₁作为最优路径p₁＝q₁，偏离树T₁就是路径p₁，在X中删除路径q₁，初始化偏离节点v₁＝1。

当k＝2时，

首先以s＝a作为偏离节点v₁，搜索偏离路径

上所有从偏离节点v₁到目的节点的pre节点，得到a、d两个节点；然后从节点a生成候选路径，以节点a为尾节点的边有(a，b)，(a，c)，(a，d)，但是(a，d)已经是偏离树T₁中以节点v₁为尾节点的边，所以比较

得到最优偏离路径的权值是

所以路径是

再同理以节点d生成候选路径，得到最优偏离路径p_adef＝q₃；最后将路径q₂和路径q₃存入集合X中，因为两条路径权值相等，所以随机选取X中的一条路径q₃作为第2优路径p₂＝{a，(a，d)，d，(d，e)，e，(e，f)，f}，并在X中删除此路径，p_de是偏离边，p_def是偏离路径，v₂＝d是偏离节点，将此偏离路径并入偏离树T₁形成新的偏离树T₂。

同理，当k＝3时，首先从k＝2时的偏离节点v₂＝d搜索路径

上所有从偏离节点v₂到目的节点的pre节点，得到d，e两个点；然后因为从节点d到邻居节点e、f的两条边均属于偏离树T₂，所以只能从节点e生成最优候选路径得到p_adebdf＝q₄，将q₄存入X中；最后从X中选取出一条最优路径，这时X中存有上次选路剩下的路径q₂和此次选取出的q₄，所以选取X中的最优路径q₂作为第3优路径得到p₃＝{a，(a，c)，c，(c，f)f}，即第三优路径是{a，(a，c)，c，(c，f)f}。

如图1、2，在ISA100.11a网络中，系统管理器对通信子网进行集中式管理。如图3，当源节点需要发送数据到目的节点时，需要向系统管理器申请通信路径和通信资源；系统管理器收到路由请求之后通过路由算法计算出最优通信路径，并在源节点和目的节点之间的建立一个合约(contract)，以一个contractID标识，这个contract作用在于标识一对节点之间的通信关系，包括了通信时隙，通信路径等资源。在ISA100.11a网络通信子网中有两种路由方式：源路由和图路由。源路由中，源节点发送数据帧时需要将通信路径上所有的路由节点和目的节点的地址装载进数据帧中进行发送，所以在路径的跳数较多时数据帧长度较长，网络开销较大；在图路由中，通信路径用一个graphID标识，这个graphID的作用是标识一个由通信路径组成的图。源节点在发送数据帧时只需要装载graphID和下一跳地址，而路由节点在转发时只需查询graphID得到下一跳地址，这样数据帧长度较短，转发时效率也较快，网络开销较小。因此我们选取图路由作为ISA100.11a网络通信子网的路由方式，以达到减小网络开销的目的。

因此系统管理器收到路由申请时首先通过路由算法计算出最优通信路径：依次计算LQI值前k优的路径，每次得到第k优路径后计算路径上源节点到目的节点的时隙偏移之和，并与全网调度要求的传输延时t进行比较；若符合要求就选取此条第k优的路径作为传输路径；若不符合要求继续计算第k+1优路径，再与阀值t进行比较；直至选取出一条满足调度要求下链路质量最好的路径。得到路径之后，将源节点到目的节点的这对节点的通信关系建立一个合约contract，以一个contractID标识；同时，选取图路由作为ISA100.11a网络通信子网的路由方式，生成一个graphID标识此路径。将contractID、graphID下发到路径上的源节点、路由节点和目的节点。路径上的节点在接收到系统管理器下发的相关通信信息后，将contractID存储在本设备网络层的contract表中，将graphID、下一跳地址等信息存储在本设备DLL层中的route表、graph表、neighbor表等相关路由表项中。源节点开始发送数据时，通过目的地址在网络层的合约表中查询到对应的contract表得到contractID，并下发到DLL层；通过contractID在DLL层的route表、graph表和neighbor表等路由表项中查询到对应表项得到graphID和下一跳节点的地址，做出路由选择，并将这些信息装载进数据帧中进行数据发送。路由节点在转发数据帧时，通过解析数据帧中得到graphID，通过graphID查询本设备DLL层的graph表和neighbor表，得到下一跳节点的地址进行转发。

这样本发明的路由方法能够在满足调度要求下选取一条链路质量最优的路径进行发送，提高了无线传感器网络通信的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)选取网络中链路质量最优的路径；

b)计算所选取的路径上源节点到目的节点的数据传输延时，将计算结果与全网调度要求的从源节点到目的节点的数据传输时间阀值进行比较，判断是否符合调度的要求；若符合调度要求就选取此路径作为通信路径；若不符合要求则执行步骤c)；

c)从网络中选取出链路质量相比上次选取次优的路径；

d)重复执行步骤b、c)，直至选取出符合调度要求的条件下链路质量最好的路径。

2.如权利要求1所述的基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述数据传输延时为目的节点经各个路由节点到目的节点的时隙偏移总和。

3.如权利要求2所述的基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述无线传感器网络中，由系统管理器对通信子网进行集中式管理，所述基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法包括如下步骤：

1)当源节点需要发送数据到目的节点时，向系统管理器发出路由请求；

2)系统管理器收到路由请求之后通过步骤a-d)选出的符合调度要求的条件下链路质量最好的路径，并在源节点和目的节点之间建立一个合约，以及一个标识该合约的合约ID；

3)选取图路由的路由方式，生成一个图ID标识最优通信路径，将合约ID、图ID下发到路径上的源节点、路由节点和目的节点；

4)路径上的节点在接收到系统管理器下发的相关通信信息后，将合约ID存储在本设备网络层的合约表中，将图ID、下一跳地址信息存储在本设备数据链路层的路由表项中；

5)源节点开始发送数据时，通过目的地址在网络层的合约表中查询到对应的合约表得到合约ID，并下发到数据链路层；通过合约ID在数据链路层的合约ID中查询得到图ID和下一跳节点的地址，做出路由选择，并将这些信息装载进数据帧中进行数据发送；

6)路由节点在转发数据帧时，通过解析数据帧中得到图ID，通过图ID查询本设备数据链路层的路由表项，得到下一跳节点的地址进行转发，直到数据帧到达目的节点。

4.如权利要求3所述的基于调度与链路质量的无线传感器网络路由方法，其特征在于：步骤a)中，设备通过扫描邻居设备，解析数据帧尾部的相关值来计算链路质量。

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