CN103781104A - 一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，包括以下步骤：当无线传感器节点发送报文和接收到ACK报文的比率达到预定阈值时，标记该路径段处于损坏状态；无线传感器节点通过共享路径向无线网络管理中枢发送路径修补请求报文；无线网络管理中枢重新分配该无线传感器节点和其共享节点的通信资源；无线传感器节点将路径重新设置到健康状态。本发明可以快速发现路径是否损坏，可以得到快速修复，提高路径健壮性，提高通信成功率；在路径损坏期间，通过冗余路径或共享路径传输报文，提高通信成功率；本发明在无线传感器网络路径维护过程中没有产生额外的时隙、信道等通信资源开销，没有产生额外的路径维护报文，降低能耗开销。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术，具体地说是一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方式。
背景技术
与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，对于工业应用而言这无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，工业网络无线化已成为趋势之一。工业网络无线化带来便利的同时，工业应用对无线网络提出了更为严格的可靠性、实时性和节能性等通信质量要求。在可靠性方面，工业现场环境下，窄带多频噪声、共存网络干扰和多途效应，使得维护路径健壮性、稳定性，以实现可靠通信成为迫切需要解决的难题。
目前常用的路径维护方式多为冗余路径方式，以及冗余路径之间的快速切换。冗余路径的概念是：设备正常通信的路径称之为主路径，同时，设备维护一条备用路径。当设备检测到主路径出现通信故障时，请求无线网络控制中枢分配备用路径通信资源，当设备备用路径得到通信资源后，将备用路径切换成主路径；网络管理控制中枢删除出现故障的主路径，再次分配一条备用路径。
上述方法会占用额外的、宝贵的无线传感器网络中时隙和信道资源、并且会带来额外的通信开销，在大多以电池作为能源的无线传感器网络，额外的通信开销，又会引入能耗问题。对于以Mesh形式组网的无线传感器网络中，仅通过路径上的叶子节点负责监测路径的健康状态，使得发现路径损坏滞后，路径变更后，路径重建开销过大。在冗余路径切换期间，无线传感器节点没有健康的、可用的路径，在此期间的通信报文，可能丢失。
路由是把信息从源穿过网络传递到目的地的行为。在一条路由上，至少包含源节点和目的节点，可以包含1个或多个路由节点，数据信息以跳传的方式从源节点传递到目的节点。任意点到点之间数据的可靠传输，成为路径健壮的关键因素，同时，以路径为单位，通过对点到点通信成功率的统计分析，也是能够及时发现路径是否损坏的有效手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向无线传感器网络基于路径修补的提高单路径健壮性、稳定性的路径维护机制。该方法无需占用无线传感器网络中额外的时隙和信道资源，不会带来额外的通信功耗。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，包括以下步骤：
在本地路径列表的任一路径中，记录每个无线传感器节点在点到点通信中发送报文的数目和接收到ACK报文的数目；
当某一无线传感器节点发送报文和接收到ACK报文的比率达到预定阈值时，标记该无线传感器节点与其在该路径上的目标节点所组成的路径段处于损坏状态；
无线传感器节点通过共享路径向无线网络管理中枢发送路径修补请求报文；
无线网络管理中枢接收到路径修补请求报文后，首先删除目标节点关于损坏路径段的通信资源，然后将该部分通信资源分配给该无线传感器节点和其共享节点；
重新分配到通信资源的无线传感器节点标记该路径段得到修复，并将路径重新设置到健康状态。
如果无线网络管理中枢在规定的时间内没有对路径修补请求报文进行处理，则发送该报文的无线传感器节点通过共享路径定时重传该路径修补请求报文。
在所述删除目标节点关于损坏路径段的通信资源的同时，目标节点在其路径列表中删除损坏的路径段。
所述无线传感器节点在其所在的路径被标记为损坏期间，仍有数据发送任务时，通过共享路径发送该数据。
所述通信资源包括时隙和信道。
如果路径上所有无线传感器节点发送报文和接收到ACK报文的比率未达到预定阈值，则该路径为健康状态，使用该路径发送报文。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.基于链路层ACK的路径维护方式是通过统计分析该链路上的点到点通信过程中ACK报文个数来智能识别通信路径的健康状态；该路径上的所有无线传感器节点全部参与路径的监测与维护，因此可以快速发现路径是否损坏，在此基础上，可以得到快速修复，提高路径健壮性，提高通信成功率；在路径损坏期间，通过冗余路径或共享路径传输报文，提高通信成功率。
2.本发明在无线传感器网络路径维护过程中没有产生额外的时隙、信道等通信资源开销，没有产生额外的路径维护报文，降低能耗开销。
3.在感知路径损坏的情况下，通过某种方式向无线网络管理中枢传递该信息，无线网络管理中枢通过路径修补方式，及时对损坏的路径进行处理，以达到快速路径维护的目的；在发送节点感知路径损坏的情况下，通过冗余路径、共享路径传输实时数据，可以提高数据传输的可靠性。
附图说明
图1是本发明的实施例网络拓扑图；
图2是本发明实施例的路径维护方法流程图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种基于点到点ACK的单路径健康状态维护和修补机制，无需占用额外的信道和时隙资源，无需发送额外的路径维护报文。根据节点自身维护的路径信息，通过对点到点通信的ACK回复情况来智能识别路径的健康状态，依据路径的不同的健康状态来智能选择通信报文的发送路由，在路径处于损坏的情况下，及时向无线网络管理管理中枢请求路径修补。
本发明中涉及到的概念如下：
1)时隙：是节点进行数据传输的基本时间单位。
2)信道：是无线通信的“频段”，是以无线信号作为传输媒体的数据信号的传输通道。
3）ACK报文：是无线通信过程中的确认帧，用以确认目标节点成功接收的数据帧或命令帧。
4）无线传感器节点：由传感器、数据处理和数据通信等功能模块构成，以集成方式设置在被测对象内部或附近，通过某种通信协议进行通信。
5）无线网络管理中枢：负责信道、时隙等通信资源的管理。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于点到点通信ACK的单路径健康状态维护和修补机制，它包括无线传感器节点的路径列表维护系统、路径健康状态评测系统、路径修补请求报文发送系统、无线网络管理中枢的路径修补请求报文处理系统。
本发明所述的无线传感器节点的路径维护系统，提供对路径信息的动态增加、删除、修复机制。
本发明所述的路径健康状态评测系统，通过对单路径报文发送数目及点到点ACK报文回复数目统计，通过设置合理阈值，以达到对单路径健康状态的智能评测目的。
本发明所述的路径修补请求报文发送系统，根据报送已损坏路径和无线传感器节点自身路径的健康状态，分别选择无线传感器路径损坏信息报送节点自身的主路径、冗余路径、共享路径发送路径修补请求报文，为路径修补请求报文提供合理的报文发送路径；通过周期性定时器机制，周期性检测损坏路径的修补情况，提供路径得到修补的最大可能性。
本发明所述的无线网络管理中枢的路径修补请求报文处理系统，提供对无线传感器节点所报送的路径修补报文的处理，其处理方式包括回收路径损坏部分通信资源、重新分配损坏部分资源，以达到路径修补目的。
无线传感器节点在路径维护（路径建立、路径修补、路径删除）过程中，该路径上的所有节点通过维护本地路径列表的方式来实时记录通过该节点的路径变化。路径建立时，在路径列表中增加表项，路径修补时，路径列表不变，并标记该路径重新回到健康状态，路径删除时，在路径列表中删除表项，功能如附图2所示。
如图2左边的流程图（a）所示，数据的源节点产生通信数据时，搜索本地路径列表，记录在该路径上发送数据的数目，点到点通信时，记录接收目标节点回复ACK数目，当该路径上发送报文和接收到ACK回复报文的比率达到预定阈值时，标记该路径处于损坏状态，此时通过冗余路径或共享路径向无线网络管理中枢报告该路径处于损坏状态，并请求路径修补。
关于共享路径，每个无线传感器节点具有专有的共享通信资源；该节点的邻居节点，可以通过此共享通信资源和该节点通信。当无线传感器节点需要使用共享路径通信时，首先需要到该节点维护的邻居表中查找可用的邻居节点，其次，根据邻居表中记录的邻居节点的共享通信资源进行通信。
路由节点需要转发数据时，搜索本地路径列表，记录在该路径上发送数据的数目，当点到点通信时，记录接收节点回复ACK情况，当该路径上发送报文和接收ACK回复报文的比率达到预定阈值时，标记该路径处于损坏状态，通过主路径、冗余路径或共享路径的向无线网络管理中枢报告该路径损坏状态，并请求路径修补。
无论数据源节点，还是路由节点，在路径被标记为损坏的期间内，仍有数据发送任务时，通过共享路径发送该数据。
如图2右边流程图（b）所示，无线网络管理中枢接收到路径修补请求时，首先根据路径损坏部分，删除已有通信资源，根据路径修补请求报文的上报路径重新分配损坏部分通信资源，以达到路径修补的目的。无线传感器节点接收到重新分配的通信资源后，标记该路径得到修复，并将路径重新设置到健康状态。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明所述的路径维护系统、路径健康状态评测系统、路径修补请求报文发送系统、无线网络管理中枢的路径修补请求报文处理系统结构框图见附图2。
以图1为例说明本发明的执行流程：
本无线传感器网络由无线网络管理中枢M1、无线传感器节点N1、N2、N3、N4、N5、N6构成，经智能组网后，形成如图1所示的网络拓扑，并假设所有节点之间互为邻居。
以N6为例，说明N6在其路径R1上执行本发明的流程。
R1为N6至M1的初始主路径且N6没有冗余路径，路径为N6－N3－N1－M1，其中N6为数据源节点，N3、N1为R1所在路径上的路由节点，M1为数据目标地址。当N6建立初始路径R1的过程中，其所在路径上的所有无线传感器节点N1、N3、N6均通过自身路径维护系统，在路径列表中增加路径R1，当N6需要发送报文时，通过N6自身的路径健康状态评测系统，首先根据该路径上已有的报文发送数目和接收ACK报文数目信息，对路径R1健康状态进行智能评测，若评测结果为该路径处于健康状态，则发送报文使用主路径R1发送，同时增加发送数据数目，当N6通过路径R1同N3进行点到点通信时，同样记录N3回复ACK报文数目；若评测结果为该路径损坏，同时将该路径损坏信息通知路径修补请求报文发送系统，此时发送报文使用同N4之间的共享路径发送。
路径修补请求报文发送系统，根据路径健康状态评测系统报送的路径损坏信息得知，该无线传感器节点N6的主路径损坏，在N6没有冗余路径的条件下，通过同N4之间的共享路径向无线网络管理中枢M1发送R1路径修补请求报文，在规定的时间内，若该请求没有得到处理，则通过定时器重传机制，对该路径修补请求报文重传。
无线网络管理中枢的路径修补请求报文处理系统，接收到N6节点报送的路径R1修补请求后，删除N3上关于路径R1的通信资源，同时N3本身的路径维护系统，在路径列表中删除R1，并重新分配N4、N6关于路径R1的通信资源，路径R1得到修补，修补后的路径为N6－N4－N1－M1，将修补后的路径称之为R1’。
以N3为例，说明N3在维护路径R1上执行本发明的流程。
在无线传感器节点N6建立初始主路径R1（N6－N3－N1－M1）的过程中，N3通过自身的路径维护系统，在路径列表中增加路径R1，当N3通过路径R1接收到N6的通信报文，N3在通过路径R1将该通信报文转发给N1时，首先通过N3自身的路径健康状态评测系统，根据该路径上已有的报文发送数目和接收ACK报文数目信息，对R1健康状态进行评测，若评测结果为该路径处于健康状态，则通过路径R1转发该报文给N1；若评测结果为该路径损坏，同时将该路径损坏信息通知路径修补请求报文发送系统，此时该数据报文使用同N2之间的共享路径转发该通信报文。
路径修补请求报文发送系统，根据路径健康状态评测系统报送的路径损坏信息得知路径R1损坏，在N3没有冗余路径的条件下，通过同N2之间的共享路径向无线网络管理中枢M1发送R1路径修补请求报文，若在规定的时间内，若该请求没有得到处理，则通过定时器重传机制，对该路径修补请求报文重传。
无线网络管理中枢的路径修补请求报文处理系统，接收到N3节点报送的路径R1修补请求后，删除N1上关于路径R1的通信资源，同时N1本身的路径维护系统，在路径列表中删除R1，并重新分配N2上关于路径R1的通信资源，路径R1得到修补，修补后的路径为N6－N3－N2－M1，将修补后的路径称之为R1”。
Claims (6)
1.一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，其特征在于：包括以下步骤：
在本地路径列表的任一路径中，记录每个无线传感器节点在点到点通信中发送报文的数目和接收到ACK报文的数目；
当某一无线传感器节点发送报文和接收到ACK报文的比率达到预定阈值时，标记该无线传感器节点与其在该路径上的目标节点所组成的路径段处于损坏状态；
无线传感器节点通过共享路径向无线网络管理中枢发送路径修补请求报文；
无线网络管理中枢接收到路径修补请求报文后，首先删除目标节点关于损坏路径段的通信资源，然后将该部分通信资源分配给该无线传感器节点和其共享节点；
重新分配到通信资源的无线传感器节点标记该路径段得到修复，并将路径重新设置到健康状态。
2.根据权利要求1所述的一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，其特征在于：如果无线网络管理中枢在规定的时间内没有对路径修补请求报文进行处理，则发送该报文的无线传感器节点通过共享路径定时重传该路径修补请求报文。
3.根据权利要求1所述的一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，其特征在于：在所述删除目标节点关于损坏路径段的通信资源的同时，目标节点在其路径列表中删除损坏的路径段。
4.根据权利要求1所述的一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，其特征在于：所述无线传感器节点在其所在的路径被标记为损坏期间，仍有数据发送任务时，通过共享路径发送该数据。
5.根据权利要求1所述的一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，其特征在于：所述通信资源包括时隙和信道。
6.根据权利要求1所述的一种面向无线传感器网络基于路径修补的路径维护方法，其特征在于：如果路径上所有无线传感器节点发送报文和接收到ACK报文的比率未达到预定阈值，则该路径为健康状态，使用该路径发送报文。
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