CN103826281A - 基于场强信息的微功率无线通信路由算法及组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于微功率无线自组网通信领域，公开了一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法。该算法适用于微功率无线网络组建和网络维护阶段的路由计算，该算法主要包括节点等效距离计算、最优多路径搜索、多条路径的选择和试探、路由维护等步骤，是一种高效、可靠、低成本的微功率无线通信路由算法。该算法解决了由于无线通信的特点和环境影响使得保持路由的高效性和稳定性面临的困难。本发明还公开了一种微功率无线通信中心节点组网方法，该方法基于场强信息的微功率无线通信路由算法建立路由表。

Description

基于场强信息的微功率无线通信路由算法及组网方法

技术领域

本发明属于微功率无线自组网通信领域，是一种基于网络各节点邻居场强强度的无线通信路由选择方法，具体是一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法及组网方法。 

背景技术

目前，在电力集抄、水表气表自动抄表、智能家居、物联网、环境监测等领域，微功率无线自组网通信技术因其独具的某些特点，使用范围越来越广泛。 

在低压电力集抄领域，微功率无线自组织网络是实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。一个子网的覆盖范围有限，发射功率受到国家无线电管理的严格限制，子节点位置比较固定，通信链路相对稳定。 

微功率无线自组织网络包括两种通信设备，一种是安装在集中器的中心节点模块，简称中心节点，另一种是安装在电表或者采集器的子节点模块，简称子节点。中心节点负责组建网络、计算路由、维护网络路由等主要工作。 

如图1所示为微功率无线自组织网络的网络拓扑结构示意图，微功率无线自组织网络可组成星型网络、树形网络或者MESH网状网络，网络的具体构架由中心节点确定。 

微功率无线自组织网络的一个主要问题是路由选择。无线通信的 特点和环境的影响使得保持路由的高效性和稳定性面临巨大的挑战。在进行路由选择时要考虑网络拓扑结构、可扩展性、功耗、应用场合等各种因素。现有的WSN（无线传感器网络）路由方法在电力集抄领域的使用具有一定的局限性。而传统互联网采用的动态路由选择算法，由于比较复杂、成本高、灵活性不好等原因不适合在微功率无线自组织网络上使用。 

发明内容

本发明的目的是针对微功率无线自组织网络，在网络组建和网络维护过程中对通信路由选择提出了一个高效、可靠、成本低廉并且具备一定灵活性的方法。该算法基于所有相邻节点间的场强强度，并结合子节点的层次数（与中心节点通信时的跳数）进行最优路径选择。 

本发明还提出了一个基于场强信息的微功率无线通信中心节点组网方法。 

本发明的技术方案是： 

一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，邻居场强信息由接收信号强度指示RSSI表示，该路由算法步骤为： 

1）根据邻居场强信息计算出个域网中相邻节点间的等效距离： 

$R=C+a*10\frac{A-\mathrm{PR}\left(\mathrm{dBm}\right)}{10n}$

其中：R表示等效距离； 

C表示距离常量，与节点层次数等有关。该值通过式子C=100*L计算，其中L表示层次数； 

a是计算系数，代表信号强度在计算等效距离的权值。该值 可根据强调信号强度在计算等效距离里的作用而在[1,1.5]之间调整，该值越大表明越强调信号强度在计算等效距离中的作用； 

PR是无线信号的接收功率，代表信号强度RSSI。该值在子节点场强收集过程中获得； 

A是常量，和无线信号的发射功率等有关； 

n是传播因子，和环境有关。A和n值通过试验测量获得。 

2）基于步骤1）中计算出的等效距离根据最优路径搜索方法，搜索所有可能的最优路径； 

3）按照等效距离为每个子节点选出数条从中心节点到该节点的路径并保存在中心节点的路由表中；中心节点在配置子节点时将数条路径下发至子节点，子节点将这些路径保存在自己的路由表中。 

更优的，中心节点更新网络各子节点的邻居场强信息，中心节点根据更新后的邻居场强信息重新计算从中心节点到各子节点的路径，并据此更新路由表。 

作为一种更新方式，中心节点根据通信状态更新网络各子节点的邻居场强信息，进行网络维护。 

更具体的，中心节点在某一节点通信出现问题时更新网络各子节点的邻居场强信息，进行网络维护。 

作为第二种更新方式，中心节点接收请求后更新网络各子节点的邻居场强信息,进行网络维护。 

更具体的，各子节点设备打开RF模块接收机进行被动扫描，并测量RSSI值；中心节点在组建网络时通过发送网络层场强收集命令帧来收集全网各子节点的RSSI。 

一种基于场强信息的微功率无线通信中心节点组网方法，它包括 以下步骤： 

1）信道能量检测：中心节点在一个指定的信道组的各信道上执行一个能量检测扫描，以确定该工作信道是否存在干扰：如果存在干扰中心节点则终止该程序并通知上层；如果没有干扰则执行下一步； 

2）确定组网信标参数：包括确定个域网ID（PANID）、设备网络地址、网络规模、组网信标标识； 

3）发送组网信标：中心节点NLME启动一个定时器，使用服务原语来发起组网信标的发送，探测和收集网络内节点的邻居节点信息。 

4）子节点场强收集：中心节点NLME检查邻居场强表，筛选出属于本网络的邻居节点，依次对各个节点执行场强收集。 

5）建立路由表：根据本发明提出的基于场强信息的微功率无线通信路由算法来建立路由表。 

6）配置子节点参数，完成组网。 

本发明的有益效果是： 

该算法包括节点等效距离计算、最优多路径搜索、多条路径的选择和试探、路由维护等步骤，具有高效、可靠、低成本的优点，解决了由于无线通信的特点和环境影响使得保持路由的高效性和稳定性面临的困难。 

附图说明

图1是微功率无线自组织网络的网络拓扑结构示意图 

图2是路由表建立流程图 

图3是最优路径搜索过程 

图4是中心节点路径算法总流程 

图5是计算完全不相同的路径流程图 

图6是计算相同节点较少的路径流程图 

图7是中心节点组网流程图 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。 

微功率无线通信网络是自组织网络，由中心节点组建网络。中心节点在组建网络时，通过发送网络层场强收集命令帧来收集到全网各子节点的邻居场强信息。子节点的邻居场强信息是该子节点与其所有相邻节点之间通信的场强强度记录，表示其与邻居节点之间通信信号的质量，由信号强度指示RSSI表示，各子节点设备打开RF模块接收机进行被动扫描，并测量RSSI值。 

如图2所示，本发明路由算法步骤为： 

1）根据邻居场强信息计算出个域网中相邻节点间的等效距离： 

$R=C+a*10\frac{A-\mathrm{PR}\left(\mathrm{dBm}\right)}{10n}$

其中：R表示等效距离； 

C表示距离常量，与节点层次数等有关； 

a是计算系数，代表信号强度在计算等效距离的权值； 

PR是无线信号的接收功率，代表信号强度RSSI； 

A是常量，和无线信号的发射功率等有关； 

n是传播因子，和环境有关； 

2）根据最优路径搜索方法，搜索所有可能的最优路径；并对所有路径按照等效距离的大小进行排序； 

3）按照等效距离大小为每个子节点选出数条从中心节点到该节点的路径并保存在中心节点的路由表中，若中心节点与该节点的可能路径小于设定的最小路径数，则保存所有可能的路径；中心节点在配置子节点时将数条路径下发至子节点，子节点将这些路径保存在自己的路由表中。 

路由表的刷新： 

中心节点更新网络各子节点的邻居场强信息（可以是中心节点根据通信状态自行更新通信状态主要是指到某一个节点是否通信出现问题，例如连续多次不成功，以及子节点发回路由错误信息，则要更新节点的邻居场强信息，进行网络维护；也可以是中心节点接收请求后进行邻居场强信息更新及网络维护），中心节点根据更新后的邻居场强信息重新计算从中心节点到各子节点的路径，并据此更新路由表。 

等效距离计算原理： 

中心节点在组网过程中，会收集到所有子节点的邻居场强信息，并由信号强度指示RSSI表示。无线通信信号强度与以下因素有关：无线传输距离、发射功率、工作环境以及频率。在一个PAN网络（个域网）中，发送功率和工作频率固定，无线信号强度和传输距离、工作环境有关。 

PR(dBm)=A-10*n*log r    （1） 

根据式（1），计算节点之间的等效距离如下： 

$R=C+a*10\frac{A-\mathrm{PR}\left(\mathrm{dBm}\right)}{10n}---\left(2\right)$

式（2）即为本发明的路由算法中等效距离的计算公式。观察该 公式，可知节点的等效距离包含C、a、A、PR（dBm）、n五个参数。 

其中PR（dBm）是无线信号的接收功率，代表信号强度RSSI，该值在子节点场强收集过程中获得； 

n是传播因子，和环境有关；A是常量，和无线信号的发射功率等有关；二者均为经验值，和具体使用的硬件节点和无线信号传播的环境密切相关，《传感技术学报》2007年第11期的《基于RSSI测距分析》一文中给出了具体的测量方法； 

C表示距离常量，与节点层次数等有关，优选的实施方式中，该值通过式子C=100*L计算，其中L表示层次数； 

a是计算系数，代表信号强度在计算等效距离的权值，该值a一般情况下取1，如果要强调信号强度在计算等效距离的作用，可以加大，如1.5。 

最优路径计算： 

最优路径计算是基于图的最优路径搜索算法。一般情况下，一个PAN网络的拓扑结构为图的形状。通过等效计算，相邻节点之间的等效距离计算完成后，我们需要找到从中心节点到每个子节点的数条最优路径（最短路径）。 

图3（a）表示了一个PAN网络的拓扑结构，节点A表示中心节点，节点D表示目标子节点。相邻节点之间的数字表示通过场强等信息计算出的等效距离。下面描述从中心节点A到子节点D的最优路径计算的主要步骤。 

用标注的方法记录当前搜索状态。每个节点采用标注“距离，中 继节点”的方法来表示从源节点A到本节点的距离以及相邻的路径。节点的距离刚开始标注为无穷大。首先从节点A的所有相邻节点进行标记，路径最短的节点首先被关注。用实心节点表示搜索过的节点。箭头指向当前正在执行搜索的工作节点。图3（b）表示节点B被标注为当前工作节点。 

每个工作节点的工作流程：1）首先找到所有相邻节点；2）然后计算源节点A到相邻的节点的距离；3）对未标注的节点进行标注，已标注的节点进行距离比较，如果当前计算值小则替换掉原有标注。 

当前工作节点完成后，将已经标注的值最小的节点确定为下一个工作节点，直到最终目标节点。 

多条路径的搜索： 

微功率无线自组网的节点位置并不是固定不变，而且在某些情况下，部分节点受到环境干扰等影响会失去工作能力，这样通过该节点中继的路由就无法完成。 

为了增强PAN网络通信的健壮性和灵活性，在寻找子节点的路径时一般会搜索最优的多条路径，其中一些是作为备份使用。找出最优数条路径主要有以下两种方法： 

1）尽量避免多条路径中包含重复节点。在找到一条路径后，需要将找到路径的节点之间连接“断开”，网络结构重组。然后再搜索下一条最优路径。适合于网络规模比较大，到达某子节点的路径非常多的情况； 

2）在进行最优路径搜索时，同时关注最优的数条路径，记录并 保存搜索到的这些路径信息。适用于网络规模不大，到达某子节点的路径中存在唯一中继节点的情况。 

路由选择和维护： 

中心节点计算出多条路径以后，需要经过试探才进行分配。当出现通信异常，需要进行网络维护时也需要试探路径。试探路径是为了判断已经分配路径是否存在通信失败的情况。图4描述了中心节点路径算法总流程。 

中心节点在必要时进行网络维护，并重新进行路由选择。因为存在路由错误等通信异常的情况，一旦出现路由错误就要对当前的路径进行标记，后面择机进行路径试探。路径选择存在以下两种情况： 

1）路由表中保存有未试用过的路径； 

对于这种情况，从没有试探过的路径中找出权值最高的路径进行试探。 

2）路由表中没有未试用过的路径； 

对于这种情况，需要如图5所示计算和试探完全不相同的路径，计算完全不相同的路径时，中心节点需要重新搜索最优路径，在这些路径中选择出一条与路由表中已保存的路径完全不同的路径；若不存在完全不相同的路径，则如图6所示计算和试探相同节点较少的不完全相同路径，计算相同节点较少的路径的过程与计算完全不相同的路径的流程类似，差别主要是采用的最优路径搜索方法不同，网络结构不需要重组。对于搜索到的路径，需要与路由表比较相同节点数目，保存相同节点数目最少的路径。 

如图7所示一种基于场强信息的微功率无线通信中心节点组网方法，它包括以下步骤： 

1）信道能量检测：中心节点在一个指定的信道组的各信道上执行一个能量检测扫描，以确定该工作信道是否存在干扰：如果存在干扰中心节点则终止该程序并通知上层；如果没有干扰则执行下一步； 

2）确定组网信标参数：包括确定个域网ID（PANID）、设备网络地址、网络规模、组网信标标识； 

3）发送组网信标：中心节点NLME启动一个定时器，使用服务原语来发起组网信标的发送，探测和收集网络内节点的邻居节点信息。 

4）子节点场强收集：中心节点NLME检查邻居场强表，筛选出属于本网络的邻居节点，依次对各个节点执行场强收集。 

5）建立路由表：基于本发明提出的基于场强信息的微功率无线通信路由算法建立路由表。 

6）配置子节点参数，完成组网。 

Claims (7)

1.一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，其特征在于邻居场强信息由接收信号强度指示RSSI表示，该路由算法步骤为：

1）根据邻居场强信息计算出个域网中相邻节点间的等效距离：

$R=C+a*10\frac{A-\mathrm{PR}\left(\mathrm{dBm}\right)}{10n}$

其中：R表示等效距离；

C表示距离常量；

a是计算系数；

PR是无线信号的接收功率，代表信号强度RSSI；

A是常量；

n是传播因子；

2）基于步骤1）中计算出的等效距离根据最优路径搜索方法，搜索所有可能的最优路径；

3）按照等效距离为每个子节点选出数条从中心节点到该节点的路径并保存在中心节点的路由表中；中心节点在配置子节点时将数条路径下发至子节点，子节点将这些路径保存在自己的路由表中。

2.根据权利要求1所述的一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，其特征在于中心节点更新网络各子节点的邻居场强信息，中心节点根据更新后的邻居场强信息重新计算从中心节点到各子节点的路径，并据此更新路由表。

3.根据权利要求2所述的一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，其特征在于中心节点根据通信状态更新网络各子节点的邻居场强信息，进行网络维护。

4.根据权利要求3所述的一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，其特征在于中心节点在某一节点通信出现问题时更新网络各子节点的邻居场强信息，进行网络维护。

5.根据要求要求3所述的一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，其特征在于中心节点接收请求后更新网络各子节点的邻居场强信息,进行网络维护。

6.根据权利要求1所述的一种基于场强信息的微功率无线通信路由算法，其特征在于各子节点设备打开RF模块接收机进行被动扫描，并测量RSSI值；中心节点在组建网络时通过发送网络层场强收集命令帧来收集全网各子节点的RSSI。

7.一种基于场强信息的微功率无线通信中心节点组网方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）信道能量检测：中心节点在一个指定的信道组的各信道上执行一个能量检测扫描，以确定该工作信道是否存在干扰：如果存在干扰中心节点则终止该程序并通知上层；如果没有干扰则执行下一步；

2）确定组网信标参数：包括确定个域网ID（PANID）、设备网络地址、网络规模、组网信标标识；

3）发送组网信标：中心节点NLME启动一个定时器，使用服务原语来发起组网信标的发送，探测和收集网络内节点的邻居节点信息；

4）子节点场强收集：中心节点NLME检查邻居场强表，筛选出属于本网络的邻居节点，依次对各个节点执行场强收集；

5）建立路由表：基于权利要求1所述方法建立路由表；

6）配置子节点参数，完成组网。

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