CN106658640A - 一种用于三表无线集抄的分簇式自组网路由建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三表无线集抄的分簇式自组网路由建立方法，建立电力供电的采集器与电池供电的中继器为簇头的类簇模型实现楼内燃气表的组网。本方法包括路由建立和路由维护两个过程。路由建立过程针对采集器距离限制需加装电池供电的中继器辅助采集的实际情况，并为了保证有效的利用资源，根据小区的分布和考虑到采集器与中继器的可靠采集距离，在“桶型”楼内设计并实现一种类簇的模型，通过考虑节点能量以及链路能量来实现能量均衡分类。路由维护过程中当链路中簇头或辅助簇头出现问题时，发出节点错误信息，针对失效节点，从新用最节能的方式与周围簇头进行组网保证数据可靠高效传输。

Description

一种用于三表无线集抄的分簇式自组网路由建立方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种用于三表（电表、水表、燃气表）无线集抄的分簇式自组网路由建立方法。

背景技术

无线自组网络是由一组具有路由功能的节点所组成的分布式无线多跳网络。由于它节点传输范围有限，所以在源节点向目的节点发送数据时，通常需要其它节点提供寻径和中继的功能。网络中所有节点和节点间的无线信道就构成了网络的通信拓扑结构。节点的增加、删除所带来的拓扑结构变化，会造成通信转发的路径发生变化。所以无线自组网需要用动态路由算法来适应拓扑结构的变化，调整路由。

自组网路由设计需要考虑用户需求、网络能力、自组网特点和运行环境等多种因素，针对不同的实际应用需设计采用相适应的协议。

在三表（水表、电表、燃气表）的无线集中抄表应用中，网络的主要功能是做单向的数据汇集，所以通信周期的间隔比较长。网络拓扑结构变化频率较低，一般只在节点增加、删除时，才会发生网络拓扑结构的变化。于此同时，除电表外，节点一般由电池供电，其能量有限；其更换周期同表具的更换周期一般为5-8年。传统的路由协议因过多的协议开销和频繁的路由维护，会造成过多的无用能量损耗，缩短网络的使用寿命。随着数据量和用户的增加，此前的最优链路承担起了越来越大的负担，从而导致传输质量下降，包括延迟增加，丢包率增大或超额负载导致链路崩溃等，最终使链路失去了此前的优越性，造成个别节点的能耗加速。

根据路由建立的不同方式，自组网路由可以分为主动式路由、按需路由和混合路由。但是根据需求，传统的三种路由方式都不适用于三表无线集抄的场合。由于种种限制，现有的一种较好的解决办法就是利用现有的成熟资源。在目前的各项抄表行业中，电力抄表无疑是最成熟的一个集中抄表系统。针对某些小区的复杂楼型无法满足单采集器对表信息的采集而加装电池供电的辅助中继器的问题，需在拓扑结构变化频率低、以单项数据汇聚为主的网络环境下，设计出满足整体能耗均衡的设计需求的路由建立方法，实现采集器和中继器对楼内表具的横纵向的数据采集。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种用于三表无线集抄的分簇式自组网路由建立方法，本方法是一种基于类簇模型的自组网方式，在采用电池供电的中继器辅助采集数据时，可以更好的保证网络的能耗均衡性，数据传输的可靠性，从而实现对楼内横纵向数据的稳定采集。

为达到上述目的，本发明的构思是：针对采集器距离限制需加装电池供电的中继器辅助采集的实际情况，并为了保证有效的利用资源，根据小区的分布和考虑到采集器与中继器的可靠采集距离，在“桶型”楼内设计并实现一种类簇的模型，通过考虑节点能量以及链路能量来实现能量均衡分类。

根据上述发明的构思，本发明采用如下技术方案：

一种用于三表无线集抄的分簇式自组网路由建立方法，包含路由建立和路由维护两个过程，具体步骤如下：

1）路由建立：

S1-1 初始化：首先对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立的节点地址和侦听限制时间，节点编码通过手动指定或自动选择；根节点编码独立设置，并需额外设定路由发起间隔周期和侦听限制时间；

S1-2 路由发起间隔周期期满后，根节点生成路由特征码并发起路由建立，特征码表预先存储或者自动生成；

S1-3 路由建立发起时，由路由发起节点根据自身路由信息发起路由请求RREQ，其中最初的路由发起节点为根节点；发送功率为无线通信模块最大功率的一半；

S1-4 建立类簇模型，以采集器为簇头，中继器为辅助簇头，标示对应簇号；

S1-5 在节点路由表和路由请求报文中加入两个条目，分别为采集器与中继器的状态信息和发送节点所在簇号信息；

S1-6 路由发起节点发起路由请求后，开始侦听信道，直到超过侦听限制时间；

S1-7 接收到RREQ的节点，检测RREQ报文的有效性；

S1-8 读取RREQ中的路由特征码、跳数及地址以及簇号，如果不匹配对应的簇号则忽略该RREQ信息；

S1-9 通过了有效性的检测后，节点根据报文中的信息来更新路由表项，并选择最佳的传输路径；

S1-10 在完成路由表的建立和更新后，节点会设置并生成新的RREQ报文，并向其邻居节点进行转发，同时节点会启动路由应答；

S1-11 重复S1-7到S1-10过程，直到RREQ报文在本簇内所有节点上遍历；

S1-12 簇内组网完成后进行采集器簇头与中继器辅助簇头的组网；

S1-13 在RREQ中加入簇头/类簇头标志，同时同层的簇头不优先进行信息传输，辅助簇头由于电池供电，接收信息的优先级低于簇头；

S1-14 组网方式同S1-7到S1-10，完成全部的网络部署。

本路由的建立方法为按需路由方式。在实际的应用中，通过根节点来发起路由建立的请求，建立单向路由，通过簇内组网与簇间组网实现小区横纵向的合理组网，节约能量，避免了路由环路。单向路由建立后，网络开始将三表数据以簇内到簇间的方式传输，通过链路以及节点能量控制机制，在路由算法开销小的情况下来实现能量均衡分配。

2）路由维护：

S2-1 节点在S1-14结束后，持续侦听，期间簇头与类簇头之间根据路由表周期的发送类似Hello包的检测包以检测链路完整性；

S2-2 若在检测过程中发现其中的簇头或类簇头出现问题，即没有来自上一节点的反馈信息时，发送错误消息推送，由另一个存活的节点通知其对应的簇内节点，将对应的簇头状态标志位进行改变；

S2-3 簇内节点收到信息后，重新开始组网，此时由之前链路中包含失效节点的链路开始选择目前的最佳链路进行组网；

S2-4 此时能够选择的节点链路不受簇内限制，但是优先考虑不受能量限制的簇头节点进行组网；

S2-5 向系统及时发送问题节点信息，以便及时检修。

在三表无线集抄的应用中，所有节点的物理结构相同、无线收发模块规格统一。在相同功率下，不同节点的通信覆盖范围基本相同。那么合理的分簇模式就可以很好的解决能耗均衡问题，保证能耗压力大的部分有簇头承担。在三表无线集抄的应用中，节点在数据通信时基本不移动。这样，通过上述机制，可以保证数据的可靠传输。

节点在做数据包的转发时，通过考虑节点的能量和链路的能量两个成分，保证链路传输过程在一个能量整体平衡的环境下进行，均衡了网络的整体能耗。

本方法是一种按需路由，适合用于网络负载较轻的三表无线集抄网络。它能以简单的路由算法快速建立适于数据汇集的路由，又能够适应一定条件下网络拓扑的变化。此外，它的路由开销少，网络能耗均衡。

本发明方法与现有技术相比具有以下优点：

1）是一种分布式路由算法。每个联网节点只知道到自己上级节点的路由，到根节点的路由则由上级节点解决。

2）具有一定的自适应能力。能够适应网络拓扑结构变化频率较低的一些场合，可以通过快速的按需路由的建立来适应网络变化。

3）可避免路由环路。网络按照节点的跳数信息分批建立拓扑。通过路由特征码区分联网节点和孤立节点。在单次路由建立中，已经联网的节点不再参与拓扑的建立，避免了路由环路。

4）路由算法开销较少。在网络建立时，只需广播RREQ数据包。无需在握手上做额外开销，也无需广播交换路由表等无用信息。

5）网络能量消耗均衡。在路由建立后的数据传输中，考虑节点能量和链路能量两个信息综合选择组网链路。这样，就在整个网络中平坦了数据转发的能耗。

6）适用于三表无线集抄系统。可适应三表增加、删除所造成的网络拓扑变化情况。同时，网络的能耗低、整体能耗均衡，可适应三表更换周期长的应用需求。

综上所述，本发明在三表无线集抄的应用中，本方法效率高、能耗、易于实现。在低路由开销的情况下，能快速建立路由，在数据传输过程中，均衡了整体网络的能耗。在网络负载较轻、拓扑结构变化频率较低的情况下，能快速且节能地完成路由建立和数据传输，适用于三表无线集抄系统。

附图说明

图1为无线自组网的结构示意图。

图2为根节点的路由建立发起的流程图。

图3为簇内普通节点的路由建立发起的流程图。

图4为簇头节点的邻域检测的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，将要数据采集的区域设置每三层楼安装一组采集器和中继器，各个节点通过无线方式组网，接入后台监控主机。在实际应用中，一般将采集器中继器加装在电表的采集器中放置在社区楼房的门禁处，普通节点按表具位置放置在楼道、居民家中。

如图2和图3所示，路由建立的具体步骤为：

对各个节点进行地址编码和初始的路由特征码，对根节点设定路由发起间隔的周期和侦听限制时间。节点的地址码包含两部分：小区码和节点编号。小区码用于区分不同小区的节点，同一小区中的节点应该使用相同的小区码。节点编号用以区分同一小区内不同的节点。同一小区中的任意两个个节点不能有相同的节点编号。同一小区节点的初始路由特征码应相同。根节点的路由发起间隔周期应和三表数据采集周期相同。

路由建立发起时，由路由发起节点根据自身路由信息发起路由请求RREQ（RouteRequest，路由请求信息，最初的路由发起节点为根节点），发送功率为无线通信模块最大功率的一半。

由采集器和中继器的搭建建立类簇模型，以采集器为簇头，中继器为辅助簇头，标示对应簇号。同时对应的在节点路由表和路由请求报文中加入两个条目，分别为采集器与中继器的状态信息和发送节点所在簇号信息。当路由发起节点发起路由请求后，开始侦听信道，直到超过侦听限制时间。接收到RREQ的节点，检测RREQ报文的有效性。之后读取RREQ中的路由特征码、跳数及地址以及簇号，如果不匹配对应的簇号则忽略该RREQ信息。

所述RREQ信息如下表所示：

RREQ：

当通过了有效性的检测后，节点根据报文中的信息来更新路由表项，并选择最佳的传输路径。在完成路由表的建立和更新后，节点会设置并生成新的RREQ报文，并向其邻居节点来进行转发，同时节点会启动路由应答。重复组网过程，直到RREQ报文在本簇内所有节点上遍历。之后进行采集器簇头与中继器辅助簇头的组网。在RREQ中加入簇头/类簇头标志，同时同层的簇头并不优先进行信息传输，辅助簇头由于电池供电，接收信息的优先级低于簇头。最后完成全部的网络部署。

如图4所示，路由维护的具体步骤为：

节点在组网结束后，持续侦听，期间簇头与类簇头之间根据路由表周期的发送类似Hello包的检测包以检测链路完整性；若在检测过程中发现其中的簇头或类簇头出现问题，即没有来自上一节点的反馈信息时，发送错误消息推送，由另一个存活的节点通知其对应的簇内节点，将对应的簇头状态标志位进行改变；簇内节点收到信息后，重新开始组网，此时由之前链路中包含失效节点的链路开始选择目前的最佳链路进行组网；此时能够选择的节点链路不受簇内限制，但是优先考虑不受能量限制的簇头节点进行组网；向系统及时发送问题节点信息，以便及时检修。

Claims (1)

1.一种用于三表无线集抄的分簇式自组网路由建立方法，包含路由建立和路由维护两个过程，其特征在于，具体步骤如下：

1）路由建立：

S1-1 初始化：首先对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立的节点地址和侦听限制时间，节点编码通过手动指定或自动选择；根节点编码独立设置，并需额外设定路由发起间隔周期和侦听限制时间；

S1-2 路由发起间隔周期期满后，根节点生成路由特征码并发起路由建立，特征码表预先存储或者自动生成；

S1-3 路由建立发起时，由路由发起节点根据自身路由信息发起路由请求RREQ，其中最初的路由发起节点为根节点；发送功率为无线通信模块最大功率的一半；

S1-4 建立类簇模型，以采集器为簇头，中继器为辅助簇头，标示对应簇号；

S1-5 在节点路由表和路由请求报文中加入两个条目，分别为采集器与中继器的状态信息和发送节点所在簇号信息；

S1-6 路由发起节点发起路由请求后，开始侦听信道，直到超过侦听限制时间；

S1-7 接收到RREQ的节点，检测RREQ报文的有效性；

S1-8 读取RREQ中的路由特征码、跳数及地址以及簇号，如果不匹配对应的簇号则忽略该RREQ信息；

S1-9 通过了有效性的检测后，节点根据报文中的信息来更新路由表项，并选择最佳的传输路径；

S1-10 在完成路由表的建立和更新后，节点会设置并生成新的RREQ报文，并向其邻居节点进行转发，同时节点会启动路由应答；

S1-11 重复S1-7到S1-10过程，直到RREQ报文在本簇内所有节点上遍历；

S1-12 簇内组网完成后进行采集器簇头与中继器辅助簇头的组网；

S1-13 在RREQ中加入簇头/类簇头标志，同时同层的簇头不优先进行信息传输，辅助簇头由于电池供电，接收信息的优先级低于簇头；

S1-14 组网方式同S1-7到S1-10，完成全部的网络部署；

2）路由维护：

S2-1 节点在S1-14结束后，持续侦听，期间簇头与类簇头之间根据路由表周期的发送类似Hello包的检测包以检测链路完整性；

S2-2 若在检测过程中发现其中的簇头或类簇头出现问题，即没有来自上一节点的反馈信息时，发送错误消息推送，由另一个存活的节点通知其对应的簇内节点，将对应的簇头状态标志位进行改变；

S2-3 簇内节点收到信息后，重新开始组网，此时由之前链路中包含失效节点的链路开始选择目前的最佳链路进行组网；

S2-4 此时能够选择的节点链路不受簇内限制，但是优先考虑不受能量限制的簇头节点进行组网；

S2-5 向系统及时发送问题节点信息，以便及时检修。