CN103731880B - 一种适用于wia‑pa网络的负载均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于WIA‑PA网络的负载均衡方法。当网络拓扑发生变化时，所有节点向网络管理器上报其通信范围内所有邻居节点的负载信息，网络管理器对所有无线节点的负载进行比较，如果负载最重的节点与负载最轻的节点之间的负载容量差值大于预定的阈值，则网络管理器启动负载均衡调整进程，即创建均衡对象列表，网络管理器控制网络中的无线节点传递负载，直至满足整个WIA‑PA网络的负载均衡条件。本发明在保证无线节点间可靠通信的前提下，实现了网络中路由发生变动时的负载均衡，避免了无线节点的能源消耗不均匀，控制了网络中节点间的通信阻塞，确保了无线信息的可靠传输。

Description

一种适用于WIA-PA网络的负载均衡方法
技术领域
本发明涉及通信领域中的工业无线传感器网络技术，特别是涉及一种适用于WIA-PA网络的负载均衡方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，工业无线传感器网络技术逐渐被应用到工业现场。工业无线传感器网络技术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。
工业无线网络WIA-PA技术（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation，用于工业过程自动化的无线网络）是基于短程无线IEEE802.15.4标准的高可靠、超低功耗的自组织多跳无线传感器网络技术。使用符合中国无委会规定的自由频带，解决恶劣环境下遍布的各种大型机械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、机械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰，提供能够满足应用需求的高可靠、实时无线通信服务。
但是实际应用中往往因为无线节点均匀消耗能源，而导致网络中节点间的通信阻塞，从而使得无线信息不能准确可靠的传输。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，在保证无线节点间可靠通信的前提下，实现了网络中路由发生变动时的负载均衡，避免了无线节点的能源消耗不均匀，控制了网络中节点间的通信阻塞，确保了无线信息的可靠传输。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，当网络拓扑发生变化时，所有节点向网络管理器上报其通信范围内所有邻居节点的负载信息，网络管理器对所有无线节点的负载进行比较，如果负载最重的节点与负载最轻的节点之间的负载容量差值大于预定的阈值，则网络管理器启动负载均衡调整进程，即创建均衡对象列表，网络管理器控制网络中的无线节点传递负载，直至满足整个WIA-PA网络的负载均衡条件。
所述所有节点向网络管理器上报其通信范围内所有邻居节点的负载信息通过无线节点间的交互过程实现。
所述无线节点之间的交互过程为：WIA-PA网络中的每一个无线节点周期性的向周围广播自己的负载信息，范围内的其他节点在接收到该邻居节点的负载信息后将其记录下来，无线节点在周期性的获取所有邻居节点的负载信息后整理并统一发送给网络管理器
所述负载信息包括代理负载和路由负载；所述代理负载为无线节点作为代理连接的终端节点数量；所述路由负载为无线节点作为路由桥接的路径数目。
所述均衡对象列表为网络管理器根据启动负载均衡调整进程时的各无线节点的负载轻重，创建负载均衡调整对象的列表，该列表保存网络中所有无线节点的标识和当前的负载信息。
所述网络管理器控制网络中的无线节点传递负载的方法为：
网络管理器从均衡对象列表中选择负载最轻的无线节点作为目标，将负载最重的无线节点中超出其负载容量限度的部分代理负载和路由负载回收并传递给负载最轻的无线节点；
网络管理器判断负载最重的无线节点能否成功将代理负载和路由负载传递给负载最轻的无线节点；
如果能，网络管理器控制负载最重的无线节点的代理负载和路由负载切换到负载最轻的无线节点上；否则，网络管理器在均衡对象列表中重新选择负载轻且与负载重的无线节点相关度更高的任一无线节点，将负载最重的无线节点的代理负载和路由负载切换到该无线节点上；
网络管理器检查负载情况以及切换成功的代理负载和路由负载的数量，如果切换后负载最重的无线节点与负载最轻的无线节点的负载容量差值小于预定的阈值，则负载均衡调整结束；否则，网络管理器继续将负载最重的无线节点的代理负载和路由负载切换到该无线节点上。
所述无线节点相关度包括：无线节点之间的共同邻居数目、重叠路径数目的耦合度信息。
发明具有以下有益效果及优点:
1.本发明通过动态获取网络中无线节点的负载信息，确保了负载均衡调整进程的准确性和实时性；
2.本发明通过所述网络管理器的综合分析与分配负载容量，保证了负载均衡调整进程的合理性；
3.本发明通过所述网络管理器对于分配负载容量的过程中采用的容错机制，保证了负载均衡调整进程的容错性；
4.本发明更好的避免了无线节点的能源消耗不均匀，控制了网络中节点间的通信阻塞，确保了无线信息的可靠传输。
附图说明
图1是WIA-PA无线网络的结构示意图；
图2是本发明的操作步骤总体流程图；
图3是本发明的一个具体实施例的详细流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明。
图1是WIA-PA无线网络的结构示意图。本发明所述的WIA-PA无线网络包括一个网络管理器、至少一个网关、以及若干无线节点。网关和无线节点组成WIA-PA的底层无线网络，负责信息的采集与集中传递。网络管理器负责对接收到的来自于网关的WIA-PA底层网络数据进行分析整理，并控制整个底层网络的运行。
网络拓扑发生变化的原由包括在组网过程中无线节点的加入和由于干扰、设备自身运行状况或无线节点的位置变化而引起的负载变化。图2是本发明的操作步骤总体流程图。首先，使无线节点加入网络，即使网络拓扑出现变化，所有节点在检测到网路拓扑变化后开始上报负载信息。网络管理器在接收到负载信息后，启动负载均衡调整进程，如果负载均衡调整达到了预期的目标，则负载均衡调整过程结束，否则继续执行调整过程。
图3是本发明的一个具体实施例的详细流程图。结合图3，本发明的一个具体实例的详细步骤如下：
1.使至少一个无线节点加入WIA-PA无线网络，目的是使整个WIA-PA网络中的无线节点的负载发生变化，破坏现有的网络负载均衡。
2.无线节点在检测到网络负载发生变化后，启动无线节点间的交互过程，获取通信范围内其它节点的负载信息，包括无线节点当前作为代理连接的终端节点数量，无线节点作为路由桥接的路径数目，当前带宽的使用情况，以及当前数据业务的通信质量等信息。在成功获取所有通信范围内的邻居节点的负载信息后，无线节点将负载信息统一上报给网络管理器。
3.网络管理器对于所有节点上报的邻居节点负载信息进行综合分析，并对所有无线节点的负载进行比较，如果当前负载重的节点与负载最轻的节点之间的负载差值大于预定的阈值，则网络管理器启动负载均衡调整进程。否则转回步骤2。
4.网络管理器根据启动负载均衡调整时的各无线节点的负载等级，创建负载均衡调整对象的列表，该列表保存网络中所有无线节点的标识和当时的负载信息。
5.网络管理器从均衡对象列表中选择出负载最轻的无线节点作为初次负载均衡调整的目标。
6.网络管理器将负载重的无线节点的代理负载和路由负载回收并重新传递给负载最轻的无线节点。其中，代理负载是指无线节点作为代理节点为终端节点进行加入网络、资源分配、临时数据传输代理等服务的终端节点的数量；路由负载是指无线节点作为路由节点为其他节点转发数据报文、以及为其他节点之间和其他节点与网络管理器之间进行间接通信提供通信路径的路径数目。
7.网络管理器判断负载最重的无线节点成功将代理负载和路由负载传递给负载最轻的无线节点，则转到步骤8。否则，转到步骤10。
8.网络管理器控制与负载重的无线节点相关的代理负载和路由负载切换到负载最轻的无线节点上。
9.在负载承担总量传递完成后，网络管理器检查负载情况和切换成功的代理负载和路由负载数量，如果切换后所述负载重的无线节点所承担的负载容量与所述负载最轻的的无线节点的负载容量相差小于预定的阈值，则负载均衡调整结束。否则，转到步骤11。
10.网络管理器在均衡对象列表中重新选择负载轻且与所述负载重的无线节点相关度更高的无线节点，启动负载传递过程。无线节点相关度是指无线节点之间的共同邻居数目、重叠路径数目等耦合度信息。之后，转到步骤6。
11.网络管理器继续在均衡对象列表中选择负载轻且与所述负载重的无线节点相关度更高的无线节点，启动负载传递过程。转到步骤6。

Claims (5)

1.一种适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，其特征在于，当网络拓扑发生变化时，所有节点向网络管理器上报其通信范围内所有邻居节点的负载信息，网络管理器对所有无线节点的负载进行比较，如果负载最重的节点与负载最轻的节点之间的负载容量差值大于预定的阈值，则网络管理器启动负载均衡调整进程，即创建均衡对象列表，网络管理器控制网络中的无线节点传递负载，直至满足整个WIA-PA网络的负载均衡条件；
所述均衡对象列表为网络管理器根据启动负载均衡调整进程时的各无线节点的负载轻重，创建负载均衡调整对象的列表，该列表保存网络中所有无线节点的标识和当前的负载信息；
所述网络管理器控制网络中的无线节点传递负载的方法为：
网络管理器从均衡对象列表中选择负载最轻的无线节点作为目标，将负载最重的无线节点中超出其负载容量限度的部分代理负载和路由负载回收并传递给负载最轻的无线节点；
网络管理器判断负载最重的无线节点能否成功将代理负载和路由负载传递给负载最轻的无线节点；
如果能，网络管理器控制负载最重的无线节点的代理负载和路由负载切换到负载最轻的无线节点上；否则，网络管理器在均衡对象列表中重新选择负载轻且与负载重的无线节点相关度更高的任一无线节点，将负载最重的无线节点的代理负载和路由负载切换到该无线节点上；
网络管理器检查负载情况以及切换成功的代理负载和路由负载的数量，如果切换后负载最重的无线节点与负载最轻的无线节点的负载容量差值小于预定的阈值，则负载均衡调整结束；否则，网络管理器继续将负载最重的无线节点的代理负载和路由负载切换到该无线节点上。
2.按权利要求1所述的适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，其特征在于：所述所有节点向网络管理器上报其通信范围内所有邻居节点的负载信息通过无线节点间的交互过程实现。
3.按权利要求1所述的适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，其特征在于，所述无线节点之间的交互过程为：WIA-PA网络中的每一个无线节点周期性的向周围广播自己的负载信息，范围内的其他节点在接收到该邻居节点的负载信息后将其记录下来，无线节点在周期性的获取所有邻居节点的负载信息后整理并统一发送给网络管理器 。
4.按权利要求1所述的适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，其特征在于，所述负载信息包括代理负载和路由负载；所述代理负载为无线节点作为代理连接的终端节点数量；所述路由负载为无线节点作为路由桥接的路径数目。
5.按权利要求1所述的适用于WIA-PA网络的负载均衡方法，其特征在于，所述无线节点相关度包括：无线节点之间的共同邻居数目、重叠路径数目的耦合度信息。
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