CN104333590B - 一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，结合感知节点大规模分布、无线通信距离有限、能量受限等特征，考虑大规模无线传感网无法直接采用平面网络拓扑结构，采用一种以无线Mesh路由器为簇头的大规模分布节点分簇网络拓扑结构，在分簇时需综合考虑负载均衡以及能量有效两方面因素，合理优化并划分出各个无线Mesh路由器的簇范围，在保障各个无线Mesh路由器负载均衡的前提下，构建以无线Mesh路由器为根节点的最小能耗数据转发树。
Description
技术领域
本发明涉及制造物联网领域，更具体地，涉及一种制造物联网中负载均衡与能量有效的大规模传感网拓扑优化方法。
背景技术
制造物联网络中通过配置覆盖制造全流程的各种类型高性能感知节点，承担生产制造全流程中“人、物料、设备、生产工艺过程、产品、服务”等多种对象、多源数据的感知任务。可见，制造物联环境中大规模分布着各类无线感知节点，而如何对大规模分布式无线感知节点进行有效组织管理，构建高性能的制作物联网络拓扑结构，直接关系到整个网络性能，是实现稳定、快捷、低能耗的感知数据获取的重要基础。
制造物联网络拓扑结构设计需要考虑部署、能耗、扩展性、灵活性及容错性等方面，其中基于分簇的多层次网络拓扑结构较适合制造物联网络分布式环境。目前关于大规模无线传感网拓扑优化方面：“黄河清,姚道远,沈杰,马奎,刘海.一种基于多权值优化的无线传感网分簇算法的研究，电子与信息学报，2008，30(6).”该论文提出基于多权值的分簇算法MWBC(Multi-Weight Based Clustering)，在初期通过节点间的信息交互，获得较多的局部网络信息，在此基础上根据不同的网络应用背景做出不同的分簇决策，并预设簇的最大规模以利于接入协议的资源管理与分配，但该方法在节约传感器网络能量消耗方面的考虑不足。“洪榛，俞立，张贵军，陈友荣.基于最小连通支配集的无线传感网拓扑构建研究,电子与信息学报,2012,(8).”该论文将全连通网络环境下寻找最优虚拟主干网问题抽象转化成最小连通支配集求解问题(MCDS)，并建立了基于混合整数规划的数学模型(NMIP-MCDS)，该数学模型在传感网分簇时对负载均衡方面有一定考虑，但对节约能量消耗却缺乏考虑。
在分簇时，如果簇规模过大将导致通信延迟过高与无线Mesh路由器负载过重，簇规模过小也将导致整体网络管理成本与通信负载过高。
发明内容
为了克服上述现有技术的步骤，本发明提出一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，该方法对无线网络进行分簇时综合衡量负载均衡以及能量有效两方面因素，合理优化并划分出各个无线Mesh路由器的簇范围。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，包括以下步骤：
Step1：制造物联网中所有节点周期性发送Hello数据包，无线Mesh路由器以及各节点建立其邻居表；
Step2：计算与无线Mesh路由器相邻的节点所属簇。定义无线Mesh路由器Dk所管理的簇为：Cluster_Dk；若节点si与多个无线Mesh路由器Dk相邻，那么选择通信能耗最小的无线Mesh路由器加入。
计算节点si到其相邻无线Mesh路由器Dk的通信能耗
其中，Eelec表示在发送端/接收端分别发送/接收单个bit数据所需的能量(该能量是距离无关的，只表示发送/接收电路的能耗)，表示在源节点si到目的节点Dk间(距离为dsiDk)传送单个bit数据所需的射频能量，其中α为能量路径损耗指数，在多径通信环境下α取值为4；β是一个常数，其值一般取0.0013pJ/(bit·m4)；
节点si将该通信能耗转发给其所有其它邻居节点，并标记到簇头Mesh路由器的跳数为HopNum_si＝1；
Step3：其他各节点sj接收到多个上游节点si发送过来的通信能耗，计算节点sj到Mesh路由器的通信能耗Ej：并选择连接Mesh路由器的上游节点；将节点sj所属簇标记为与其上游节点相同，并将节点sj到簇头Mesh路由器的通信能耗发往其他下游邻居节点；各下游邻居节点收到多个由上游邻居节点发送的通信能耗后，重复执行Step3，选定其连接簇头Mesh路由器的上游节点；
Step4：迭代执行Step3，直到制造物联网无线传感器网络所有节点都选择完其上游节点并标记其所属簇号；至此，所有节点按能量有效原则确定了其所属簇号并构建了能量消耗最小的数据转发树。
本发明结合感知节点大规模分布、无线通信距离有限、能量受限等特征，考虑大规模无线传感网无法直接采用平面网络拓扑结构，提出一种以无线Mesh路由器为簇头的大规模分布节点分簇网络拓扑结构，无线Mesh路由器组成上层网状多跳骨干网络，负责每个簇内节点数据的转发；同时，在分簇时需综合衡量负载均衡以及能量有效两方面因素，合理优化并划分出各个无线Mesh路由器的簇范围，进而构建以无线Mesh路由器为根节点的最小能耗数据转发树。
在一种优选的方案中，在构建了能量消耗最小的数据转发树后还包括Step5；具体为：
Step5：按负载均衡原则对能量有效的分簇结果进行修正，各节点标记其所属簇号后，将其节点ID，上游节点ID以及到簇头的跳数上报到各簇头Mesh路由器；各Mesh路由器将其簇内节点数量、簇内节点信息以及数据转发树发送到制造物联网网关，由制造物联网网关按下式的分簇优化数学模型，计算最优的分簇策略；
Given:eij,cij,D
Find out:
Minimize:λ·CTOT+μ·V(Nk)
Here,
其中，D表示无线Mesh路由器集合，D＝{Dk,k＝1,2,...,K}，Dk表示第k个路由器。传感器节点集合为S＝{si,i＝1,2,...,m}。NE表示制造物联网中各类传感节点的连接集合，i表示第i个节点si，j表示第j个节点sj，eij∈NE表示节点si与sj的连接关系，若节点si与sj在彼此通信范围之内，则eij＝1，否则，eij＝0；当节点si与sj在彼此通信范围之内时，即eij＝1时，定义cij表示节点si与sj间的通信能耗,即发送单个bit所需的通信能耗，表示节点si与sj彼此相邻并同时划分在无线Mesh路由器Dk负责的簇内，但如果si与sj彼此不相邻或不同时划分在Dk的簇内，那么CTOT表示整体网络通信能耗，V(Nk)表示整体负载均衡评价指标，λ,μ为权重系数，表示在负载均衡与能量有效之间的权衡，Nk表示无线Mesh路由器Dk簇内所包含的链路数量，用于度量路由器Dk的负载情况，表示路由器Dk能承受的最大负载。
在一种优选的方案中，所述Step2中，当节点与两无线Mesh路由器相邻，则选择距离更近的Mesh路由器作为簇头。
在一种优选的方案中，所述Step3中节点sj选择连接Mesh路由器的上游节点的方式为：初始化最小值mincost为无穷大∞；遍历节点sj所有的相邻节点；比较节点sj到Mesh路由器的通信能耗Ej与最小值mincost，当Ej<mincost，则最小值mincost＝Ej；该最小值对应的上游节点为si，则节点sj到到簇头Mesh路由器的跳数HopNum_sj＝HopNum_si+1。
附图说明
图1是本发明的具备分层拓扑结构的制造物联大规模传感网络示意图。
图2是本发明的基于无线Mesh路由器的大规模传感网络分簇示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
考虑传统的有线网络解决方案和基于无线AP(Access Point)的网络解决方案由于受到诸如车间场地限制、制造资源移动性强和通讯盲点等问题，并不适用于复杂车间环境中动态制造信息的传输，本实施例方式构建了如附图1所示的具备分层拓扑结构的制造物联传输网络来解决上述问题。
骨干传输网络是由高性能无线Mesh路由器构建的高速多跳传输网状网络构成，支持各类传感器、控制器/执行器、RFID读写器、工业仪表、视频监测设备的无线泛在接入，并具有数据融合功能与视频压缩功能；同时支持移动节点的无缝切换，工业现场总线可通过接入网关与无线Mesh多跳骨干传输网络实现互联。为满足大流量数据的传输需求，Mesh路由器之间采用Wifi通信，并向下兼容Zigbee、Wifi等多种通信模式，支持不同类型无线节点的接入；同时，负责本地簇cluster范围内无线节点的管理以及上下行数据的转发。下层为cluster层，为节点接入层，节点包括固定/手持RFID读写器、各类传感器、控制器/执行器、无线仪表、视频监测设备等。各接入节点支持多跳通信，可为部分断裂通信链路提供多跳冗余链路；同时，考虑到节点本身资源受限，为保障数据传输实时性与可靠性，各个cluster的范围与规模不宜过大，即网络最大跳数受限。
以无线Mesh路由器为各个cluster的簇头，对大规模分布的各类传感器、执行器/控制器节点进行分簇管理，基于无线Mesh路由器的大规模传感网络分簇如附图2所示。在分簇时，如果簇规模过大将导致通信延迟过高与无线Mesh路由器负载过重，簇规模过小也将导致整体网络管理成本与通信负载过高。因此，本实施方式结合感知节点能量受限的前提条件，在分簇时需综合衡量负载均衡以及能量有效两方面因素，合理划分出各个无线Mesh路由器的簇范围，进而构建以无线Mesh路由器为根节点的最小能耗数据转发树。
一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，具体实施方式包括以下步骤：
Step1：制造物联网中所有传感器节点周期性发送Hello数据包，无线Mesh路由器以及各传感器节点建立其邻居表。
Step2：与无线Mesh路由器Dk相邻的传感器节点首先标记其所属为：Cluster_Dk。若某传感器节点与两无线Mesh路由器相邻，则选择距离更近的Mesh路由器作为簇头。这些传感器节点si计算到其所属无线Mesh路由器Dk的通信能耗
其中，Eelec表示在发送端/接收端分别发送/接收单个bit数据所需的能量(该能量是距离无关的，只表示发送/接收电路的能耗)，表示在源节点si到目的节点Dk间(距离为dsiDk)传送单个bit数据所需的射频能量，其中α为能量路径损耗指数，在多径通信环境下α取值为4；β是一个常数，其值一般取0.0013pJ/(bit·m4)；节点si将该通信能耗转发给其所有其它邻居节点，并标记到簇头Mesh路由器的跳数为HopNum_si＝1；
Step3：其他各传感器节点sj接收到多个上游传感器节点si发送过来的通信能耗(到Mesh路由器)，计算其到Mesh路由器的通信能耗：
按以下方式选择传感器节点sj连接Mesh路由器的上游节点：初始化最小值mincost为无穷大∞；遍历节点sj所有的相邻节点；比较节点sj到Mesh路由器的通信能耗Ej与最小值mincost，当Ej<mincost，则最小值mincost＝Ej；该最小值对应的节点为si；节点sj到到簇头Mesh路由器的跳数HopNum_sj＝HopNum_si+1。其伪代码如下：
传感器节点sj选择上游(往Mesh路由器)节点后，就将其所属簇标记为与其上游节点相同。同时，将其到簇头Mesh路由器的通信能耗发往其他下游邻居节点。各下游邻居节点收到多个由上游邻居节点发送的通信能耗后，重复执行Step3，选定其连接簇头Mesh路由器的上游节点。
Step4：迭代执行Step3，直到制造物联网无线传感器网络所有传感器节点都选择完其上游节点并标记其所属簇号(即所属的Mesh路由器)。至此，所有传感器节点按能量有效原则确定了其所属簇号并构建了能量消耗最小的数据转发树。
Step5：按负载均衡原则对能量有效的分簇结果进行修正，若某Mesh路由器簇内节点过多、负载过重，则适当调整部分节点到相邻的负载较轻的簇。在调整时，受限于节点间的连接关系，被调整的节点及其下游节点将被整体划分到负载较轻的簇。各传感器节点标记其所属簇号后，将其传感器节点ID，上游传感器节点ID以及到簇头的跳数上报到各簇头Mesh路由器。各Mesh路由器将其簇内节点数量、簇内节点信息以及数据转发树发送到制造物联网网关，由网关按照公式(1)的分簇优化数学模型，采用遗传算法等智能寻优算法计算最优的分簇策略。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种制造物联网中的传感网拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：制造物联网中所有节点周期性发送Hello数据包，无线Mesh路由器以及各节点建立其邻居表；
Step2：计算与无线Mesh路由器相邻的节点所属簇；定义无线Mesh路由器Dk所管理的簇为：Cluster_Dk；若节点si与多个无线Mesh路由器Dk相邻，那么选择通信能耗最小的无线Mesh路由器加入；
计算节点si到其相邻无线Mesh路由器Dk的通信能耗
其中，Eelec表示在发送端/接收端分别发送/接收单个bit数据所需的能量，表示在源节点si到目的节点Dk间传送单个bit数据所需的射频能量，表示节点si到Dk的距离；α为能量路径损耗指数；β是一个常数，单位是pJ/(bit·m4)；
节点si将该通信能耗转发给其所有其它邻居节点，并标记到簇头Mesh路由器的跳数为HopNum_si＝1；
Step3：其他各节点sj接收到多个上游节点si发送过来的通信能耗，计算节点sj到Mesh路由器的通信能耗Ej：并选择连接Mesh路由器的上游节点；将节点sj所属簇标记为与其上游节点相同，并将节点sj到簇头Mesh路由器的通信能耗发往其他下游邻居节点；各下游邻居节点收到多个由上游邻居节点发送的通信能耗后，重复执行Step3，选定其连接簇头Mesh路由器的上游节点；
Step4：迭代执行Step3，直到制造物联网无线传感器网络所有节点都选择完其上游节点并标记其所属簇号；至此，所有节点按能量有效原则确定了其所属簇号并构建了能量消耗最小的数据转发树；所述Step3中节点sj选择连接Mesh路由器的上游节点的方式为：初始化最小值mincost为无穷大∞；遍历节点sj所有的相邻节点；比较节点sj到Mesh路由器的通信能耗Ej与最小值mincost，当Ej<mincost，则最小值mincost＝Ej；该最小值对应的上游节点为si，那么节点sj到到簇头Mesh路由器的跳数HopNum_sj＝HopNum_si+1；
在构建了能量消耗最小的数据转发树后还包括Step5；具体为：
Step5：按负载均衡原则对能量有效的分簇结果进行修正，各节点标记其所属簇号后，将其节点ID，上游节点ID以及到簇头的跳数上报到各簇头Mesh路由器；各Mesh路由器将其簇内节点数量、簇内节点信息以及数据转发树发送到制造物联网网关，由制造物联网网关按下式的分簇优化数学模型，计算最优的分簇策略；
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其中，D表示无线Mesh路由器集合，D＝{Dk,k＝1,2,...,K}，Dk表示第k个路由器；传感器节点集合为S＝{si,i＝1,2,...,m}；NE表示制造物联网中各类传感节点的连接集合，第i个节点表示为si，第j个节点表示为sj，eij∈NE表示节点si与节点sj的连接关系，若节点si与节点sj在彼此通信范围之内，则eij＝1，否则eij＝0；当节点si与节点sj在彼此通信范围之内时，即eij＝1时，定义cij表示节点si与节点sj间的通信能耗，即发送单个bit所需的通信能耗，sj∈S,eij＝1；表示节点si与节点sj彼此相邻并同时划分在无线Mesh路由器Dk负责的簇内，如果节点si与节点sj彼此不相邻或不同时划分在Dk的簇内，那么CTOT表示整体网络通信能耗，V(Nk)表示整体负载均衡评价指标，λ,μ为权重系数，表示在负载均衡与能量有效之间的权衡，Nk表示无线Mesh路由器Dk簇内所包含的链路数量，用于度量路由器Dk的负载情况，表示路由器Dk能承受的最大负载。
2.根据权利要求1所述的制造物联网中的传感网拓扑优化方法，其特征在于，所述Step2中，当节点与两无线Mesh路由器相邻，则选择距离更近的Mesh路由器作为簇头。
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