CN103281747B - 一种无线中继路径优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种无线中继路径优选方法，其步骤如下：1、启动网络识别过程；2、链路质量指标计算；3、计算单跳路径消耗指标；4、计算路径消耗指标；5、优选父节点；6、优选路径；7、挑选关键节点。本发明无需子节点参与路径计算过程，仅中心节点通过邻居节点的信息即可计算出动态最优路径。

Description

一种无线中继路径优选方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，特别是公开一种无线中继路径优选方法，适用于无线集抄、无线物联网、智能家居和无线传感器网络。

背景技术

无线自组织网络(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。

由于Adhoc网络具有节点节电、减少带宽消耗、拓扑快速变化、适应单向信道环境等多方面的要求，使得现有的IP路由协议，如RIP（选路信息协议）和OSPF（开放最短路径优先协议）等不能满足要求，Adhoc网络路由协议的设计具有很大难度。IETF的MANET工作组重点研究无线Adhoc中的路由协议。主要有如下几种草案：

1.AODV（AdhoconDemandDistmceVectorRouting）Adhoc网络的距离矢量路由算法。

2.TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）临时顺序路由算法。

3.DSR（DynamicSourceRouting）动态源路由协议。

4.OLSR（OptimizedLinkStateRoutingProtocol）优化的链路状态路由协议。

5.TBRPF（TopologyBroadcastBasedonReversePathForwarding）基于拓扑广播的反向路径转发。

6.FSR（FisheyeStateRoutingProtocol）鱼眼状态路由协议。

7.IERP（theInterzoneRoutingProtocol）区域间路由协议。

8.IARP（theIntrazoneRoutingProtocol）区域内路由协议。

9.DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）目标序列距离路由矢量算法。

这些协议的路径选择是基于路径查找过程，过程需要路径中的的每个节点参与，中心节点（ZigBee中称为全功能节点）并没有新路径生成能力，这样的路径查找过程可以概括地讲是按需广播查找。这种方法缺点：一是只找到了可用的路径，是不是最优路径无法衡量；二是通信前如果没有路径，需要先广播查找路径，然后再通讯，路径失败后再次启动查找，通信延时较大。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种无线中继路径优选方法，中心节点通过邻居节点的信息计算出动态最优路径，无需子节点参与路径计算过程，提高了通讯成功率。

本发明是这样实现的：一种无线中继路径优选方法，是在中心节点收集到相邻节点之间的关系与链路质量（或信号强度）之后，进行的路径计算，其步骤如下：

1、启动网络识别过程，中心发送一个自身信息识别数据包，接收到此包的子节点按照顺序广播自身的信息识别数据包，每个节点广播与接收的过程中，收集到相邻节点信息，信息包含对方的长地址与链路质量数据，信号强度数据也可以替代链路质量数据，中心在广播后启动收集过程，收集过程与路径优化过程交替进行；

2、链路质量指标计算，在网络中，两个节点之间的关系是双向的，与数据通讯过程对应，命令下行和数据上行两个过程会产生两次通信，这两次通信发送方与接收方是不相同的，这就产生了一对链路质量数据，取最差的数据作为单跳链路质量数据；作为优化，使用信号强度替代链路质量数据，因为多数RF芯片只能提供信号强度数据，所以将系统中信号强度转换为链路强度指标或使用信号强度绝对值参与计算，这两种方法不影响计算结果；

3、计算单跳路径消耗指标，用单跳链路质量数据或信号强度数据查表得到单跳链路指标，用此指标计算出单跳链路消耗指标，计算公式：

，

其中a取值为[0，6]，b取值为[1，5]，n为单跳链路质量指标；

4、计算路径消耗指标，有了节点间单跳路径消耗指标和节点之间的关系后，采用倒推法计算出路径，同时将路径中所有的单跳路径消耗指标累加作为完整路径消耗指标；

5、优选父节点，每个节点获取到的相邻节点会有很多，优选1～16个保存使用，优选方案在下述两种方案中选择一种或两者并用：其一、是选择完整路径消耗指标最小的几个父节点，并按照完整路径消耗指标逆序排列；其二、是选择路径跳数最低的几个父节点，并按照跳数逆序排列；两种方案并用时，前几个用第一种方案计算，后面的父节点用第二个方案计算，但两个方案计算出的父节点不重复，两种方案并用时保证在级数限制的情况下，第一种方案无法找到路径时，仍能找到一条可用路径；

6、优选路径，从子节点开始计算路径，最优的路径是每一跳使用第一个父节点，如果跳数超出限制，则再尝试第二个邻居，用递归法穷举路径，到查询到路径时为止；

7、挑选关键节点，全部关系查找过程完成后，统计每个普通子节点的直接下属节点数量，选择下属节点数量最多的部分节点为关键节点，未被选中的普通节点标记为非关键节点。

本发明的有益效果是：本发明由中心节点通过邻居节点的信息计算出动态最优路径，无需子节点参与路径计算过程，在更低的成本上寻找到最优路径，提高了通讯成功率，并支持动态路径的快速切换。

附图说明

图1  是本发明子节点路径查找实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明具体操作步骤如下：

1、启动网络识别过程，中心发送一个自身信息识别数据包，接收到此包的子节点按照顺序广播自身的信息识别数据包，每个节点广播与接收的过程中，收集到相邻节点信息，信息包含对方的长地址与链路质量数据，信号强度数据也可以替代链路质量数据。中心在广播后启动收集过程，收集过程与路径优化过程交替进行。

2、链路质量指标计算，在网络中，两个节点之间的关系是双向的。与数据通讯过程对应，命令下行和数据上行两个过程会产生两次通信，这两次通信发送方与接收方是不相同的，这就产生了一对链路质量数据，取最差的数据作为单跳链路质量数据。

作为优化，使用信号强度可以替代链路质量数据，毕竟多数RF芯片只能提供信号强度数据。系统中信号强度可以转换为链路强度指标或使用信号强度绝对值参与计算，这两种方法不影响计算结果。

3、计算单跳路径消耗指标，用单跳链路质量数据或信号强度数据查表得到单跳链路指标，用此指标计算出单跳链路消耗指标，计算公式：

，

其中a取值为[0，6]，b取值为[1，5]，n为单跳链路质量指标

4、计算路径消耗指标，有了节点间单跳路径消耗指标和节点之间的关系后，采用倒推法计算出路径，同时将路径中所有的所有单跳路径消耗指标累加作为完整路径消耗指标。

5、优选父节点，每个节点获取到的相邻节点会有很多，优选1-16个保存使用即可。优选有两种方案，其一是选择完整路径消耗指标最小的几个父节点，并按照完整路径消耗指标逆序排列；其二是选择路径跳数最低的几个父节点，并按照跳数逆序排列；可以选择一个方案进行操作，也可以两个并用。两种方案并用时，前几个用第一种方案计算，后面的父节点用第二个方案计算，但两个方案计算出的父节点不重复。两种方案混用时可保证在级数限制的情况下，第一种方案无法找到路径时，可以找到一跳可用路径，只是单跳质量无法保证。

6、优选路径，从子节点开始计算路径，最优的路径是每一跳使用第一个父节点，如果跳数超出限制，则再尝试第二个邻居，用递归法穷举路径，到查询到路径时为止。

7、挑选关键节点，全部关系查找过程完成后，统计每个普通子节点的直接下属节点数量，选择下属节点数量最多的部分节点为关键节点，未被选中的普通节点标记为非关键节点。

下表为本发明子节点信息组成表。

根据上表，相邻节点信息用二维表表示，每个节点包含基本属性、状态标志和邻居节点三类信息，其中节点长地址在各个行业会有所不同，常见的是电表地址长度6个字节，水气表地址长度为8个字节，国际标准中常见的地址长度是8个字节。在相邻节点信息收集和下发路径过程中使用长地址通讯，数据通讯则使用短地址，使用短地址可以有效缩小包大小，提高通行效率和提高通行成功率。层次和跳数是逻辑级数计数器，一级节点层次为1，跳数为0,2级节点层次为2，跳数为1，其它层次的节点以此类推。节点信息已收集包数和节点信息总包数用于记录节点信息收集过程。当前邻居序号则表示当前正在使用的邻居序号，缺省是邻居1。路径成功计数器与失败计数器则记录当前邻居节点的成功次数与失败次数，这两个计数器用于动态切换路径。相邻节点中，每个子节点可以有1至16个父节点，第1个父节点是最优父节点，第2个仅次于第1个，后面的以此类推。单跳链路质量也可以使用单跳信号强度表示。

根据附图1，子节点数量为166个，每个子节点只有一个邻居（即父节点），目标是计算1号节点到中心的路径，先从1号节点开始倒推，1号父节点是77号，77号父节点是151号，151号父节点是68号，68号父节点是中心，因此路径是1→77→151→68→中心。路径计算就是这样的原理。如果有多个父节点，且第一个父节点没有找到路径，再找第二个父节点，采用递归算法以此类推即可。在图1中相邻节点信息收集过程中1号节点是第二级，但收集过程结束后，1号节点变成了第4级，这说明系统找到了更优的路径。

下表为链路质量与链路质量指标表。

根据上表，链路质量LQI与信号强度RSSI成阶梯状分布，在此表中用节点间的单跳链路质量查表，可以得出普通子节点和关键节点的单跳链路质量指标，代入下面的公式计算出单跳路径消耗指标：

，

其中a取值为[0，6]，b取值为[1，5]，n为单跳链路质量指标。将路径中所有单跳链路质量指标累加可以获得完整路径质量指标。

路由优化的目的是：一要保证路径通畅，体现在每一跳均能正常通信。在局域网中，对方的发送功率、节点间的距离是未知因素，系统也不予考虑，能考虑的因素是接收方接收到的信号强度与接收方的接收灵敏度是否匹配，信号强度大于接收灵敏度时，可以认为链路传输是可靠的，反之认为是不可靠的。在没有可靠路径的情况下，也只能选择最优的路径进行传输；二是保证路径高效率，在保证可靠性的前提下，中继次数越少，需要花费的时间也就越小，如果考虑到无线通信的失败率，那么跳数越少，成功率就越高，需要重传的次数也降低。整体而言，中继次数越少，效率越高。本发明的目的就是协调这两个因素，达到以下目的：一是在保证可靠性的前提下，尽量选择距离远（信号差）的节点作为父节点；二是在网络级数限制的情况下，保证孤点以及以孤点为中继的小局域网能顺利与中心节点通信。

本发明作为优化方案，在关系查找过程之前，可以随机选择部分节点作为关键节点参与查找过程，查找过程结束后再根据实际直接下属数量更新关键节点。

Claims (1)

1.一种无线中继路径优选方法，其步骤如下：

（1）启动网络识别过程，中心发送一个自身信息识别数据包，接收到此包的子节点按照顺序广播自身的信息识别数据包，每个节点广播与接收的过程中，收集到相邻节点信息，信息包含对方的长地址与链路质量数据，信号强度数据也可以替代链路质量数据，中心在广播后启动收集过程，收集过程与路径优化过程交替进行；

（2）链路质量指标计算，在网络中，两个节点之间的关系是双向的，与数据通讯过程对应，命令下行和数据上行两个过程会产生两次通信，这两次通信发送方与接收方是不相同的，这就产生了一对链路质量数据，取最差的数据作为单跳链路质量数据；作为优化，使用信号强度替代链路质量数据，因为多数RF芯片只能提供信号强度数据，所以将系统中信号强度转换为链路强度指标或使用信号强度绝对值参与计算，这两种方法不影响计算结果；

（3）计算单跳路径消耗指标，用单跳链路质量数据或信号强度数据查表得到单跳链路指标，用此指标计算出单跳链路消耗指标，计算公式：

，

其中a取值为[0，6]，b取值为[1，5]，n为单跳链路质量指标；

（4）计算路径消耗指标，有了节点间单跳路径消耗指标和节点之间的关系后，采用倒推法计算出路径，同时将路径中所有的单跳路径消耗指标累加作为完整路径消耗指标；所述的倒推法具体是：如果每个子节点只有一个邻居，所述的邻居为父节点，先从1号节点开始倒推，得到其父节点，然后继续得出其父节点的父节点，以此类推，直到得到的最后一个父节点为中心节点；如果有多个父节点，且第一个父节点没有找到路径，再找第二个父节点，采用递归算法以此类推；

（5）优选父节点，每个节点获取到的相邻节点会有很多，优选1～16个保存使用，优选方案在下述两种方案中选择一种或两者并用：其一、是选择完整路径消耗指标最小的几个父节点，并按照完整路径消耗指标逆序排列；其二、是选择路径跳数最低的几个父节点，并按照跳数逆序排列；两种方案并用时，前几个用第一种方案计算，后面的父节点用第二个方案计算，但两个方案计算出的父节点不重复，两种方案并用时保证在级数限制的情况下，第一种方案无法找到路径时，仍能找到一条可用路径；

（6）优选路径，从子节点开始计算路径，最优的路径是每一跳使用第一个父节点，如果跳数超出限制，则再尝试第二个邻居，用递归法穷举路径，到查询到路径时为止；

（7）挑选关键节点，全部关系查找过程完成后，统计每个普通子节点的直接下属节点数量，选择下属节点数量最多的部分节点为关键节点，未被选中的普通节点标记为非关键节点。