CN110198544B - 工业无线网络拓扑管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业无线网络拓扑管理方法，用于解决现有工业无线网络管理方法实用性差的技术问题。技术方案是将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信。采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络。计算每个小型网络的网络负载：当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，而选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。根据被选节点到该小型网络sink节点的距离、采集频率等更新当前小型网络的负载，然后小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成，实用性好。

Description

工业无线网络拓扑管理方法

技术领域

本发明属于无线网络管理领域，特别涉及一种工业无线网络拓扑管理方法。

背景技术

工业无线网络技术是面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低耗能、实时通信等技术特征。目前工业无线网络领域已经形成了三大国际标准，分别是WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA。

文献“An energy-balancing graph-routing algorithm for WirelessHARTnetworks[C]//Wireless&Mobile.IEEE,2015.”为了最大化WirelessHART的网络生存时间，提出了能量均衡的图路由算法。该算法中采用分层的拓扑结构管理，首先采用广度优先搜索算法将节点分层，然后通过计算各层节点的通信负载来均衡分配任务，从而实现能量均衡，能够在保证端到端延迟的情况下提高网络的生存时间。

在工业无线网络中，传感器的功能大都只是数据的收集和命令的执行，网络中大部分的数据都是在传感器节点与网关设备之间进行传输，网络数据流具有一定的方向性。文献所述的网络拓扑结构中只有一个sink节点，sink节点是网络与网关设备之间的唯一通信桥梁，所有的网络数据流都会通过该sink节点，这不仅加剧了sink节点周边节点的负载通信量，导致网络生存时间减少，而且在sink节点处造成了数据流的拥堵，降低了数据传输的可靠性，增加了传输延迟。

现有技术缺点：传统的无线传感器网络通常应用于如森林防火检测等场景，然而在工业应用中，不能很好的满足工业数据对传输实时性、可靠性以及确定性等的要求。而工业无线网络尚属于较新的领域，研究和应用尚不广泛，在单sink网络下，所有数据流都会经过sink节点，虽然sink节点采用固定电源供电，但是sink节点周围采用电池供电的传感器节点传输任务重，能耗快，且传输冲突较多，增加了网络时延。采用多sink结构的网络能很好的解决这一问题，而现有的多sink研究多集中于sink节点的部署、提高网络数据传输率以及QoS保证等，并且大多采用传统的无线传感器网络。工业无线网络和传统无线网有所不同，运行环境更为苛刻，并且对数据的可靠性、实时性等要求更高，无论是在多sink网络拓扑的管理，还是在资源的调度上都有不同，因此不能直接将传统无线传感器网络的多sink拓扑管理方法直接应用于工业无线网络上。

此外，现有的工业无线网络研究多以数据为中心，重点在于提高数据传输的可靠性、降低网络时延以及增加网络生存时间等，往往忽略了sink节点周围负载较大这一网络生命期的瓶颈因素。

发明内容

为了克服现有工业无线网络管理方法实用性差的不足，本发明提供一种工业无线网络拓扑管理方法。该方法将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信，也就是说数据只能通过更接近目的节点的中间节点进行转发。采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络。计算每个小型网络的网络负载：当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，而选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。当选择完成后，则根据被选节点到该小型网络sink节点的距离、采集频率等更新当前小型网络的负载，然后小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种工业无线网络拓扑管理方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、网络分层。

将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，降低系统管理器资源分配的复杂度，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信。

步骤二、计算网络负载。

采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络。采用以下公式计算每个小型网络的网络负载：

sink_i∈Φ_i

式中，Load_i是第i个小型网络当前负载；k是小型网络当前节点的个数；d_j是小型网络中第j个节点与sink_i节点的距离；Pt是传感器节点的发送功率；Pr是传感器节点的接收功率；f_j是小型网络中第j个节点的数据采集频率；sink_i是第i个小型网络的sink节点；Φ_i是第i个小型网络对应的节点集合。

以传感器节点与sink节点的距离、采集频率、发送功率和接收功率作为依据，考虑节点距离能够减小数据传输延迟，并且减小数据包转发次数；为了达到均衡负载以及减小延迟的效果，在划分子网时同时考虑传感器节点与sink节点之间的距离以及传感器节点的采集频率，以传感器节点与sink节点的距离、采集频率、发送功率和接收功率的运算作为度量计算小型网络的负载。当节点到sink节点距离为d时，从源节点延此路径到sink节点则会带来d次数据的发送与d次数据的接收，而考虑最后一次接收数据的sink节点是有固定电源供电，则实际电池电量消耗为d次数据发送与d-1次数据接收。

步骤三、贪心法划分网络。

当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。

步骤四、重复步骤二和三。

当选择完成后，根据被选节点到小型网络sink节点的距离、采集频率更新当前小型网络的负载，小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成。

本发明的有益效果是：该方法将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信，也就是说数据只能通过更接近目的节点的中间节点进行转发。采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络。计算每个小型网络的网络负载：当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，而选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。当选择完成后，则根据被选节点到该小型网络sink节点的距离、采集频率等更新当前小型网络的负载，然后小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成，实用性好。

本发明将多sink结构应用于工业无线网络中，以传感器节点到sink节点跳数、传感器数据采集频率等作为依据，根据sink节点的数量将多sink子网划分为多个小型网络，这样不仅减小了网络管理的复杂度，同时也能兼顾网络延时及各小型网络负载量，为最大化网络生存时间提供了条件。

为了验证本发明的效果，采用ISA100.11a网络测试投递率，单sink时只有sink1节点工作，多sink时，sink1与sink2同时工作。实验结果表明，距离sink节点两跳以上的节点由于距离远并且冲突多，单sink情况下投递率在40％至50％之间，但在多sink网络下投递率都高于70％甚至在80％以上。不难发现，如果多sink节点分开放置得当，能够有效的将网络分割成多个部分，显著的增加在单sink网络中距离较远节点的数据包投递率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明工业无线网络拓扑管理方法的流程图。

图2是基于ISA100.11a双sink网状子网结构的示意图。

图3是本发明方法实施例中双sink子网的分层结果示意图。

图4是本发明方法实施例子网划分最终结果示意图。

具体实施方式

参照图1-4。本发明工业无线网络拓扑管理方法具体步骤如下：

步骤一、网络分层。

首先将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，可以降低系统管理器资源分配的复杂度，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信，也就是说数据只能通过更接近目的节点的中间节点进行转发，与同层节点通信是为了提供冗余路径，增加传输可靠性。

对一个具有9个传感器节点的子网进行分层，为方便计算设这9个传感器节点的采样频率分别为(1,2,3,4,5,6,7,8,9)，传感器节点接收功率和发送功率都取为单位1。

步骤二、计算网络负载。

本发明采用贪心法进行网络划分。划分之后，有多少个sink节点就有多少个小型网络。计算每个小型网络的网络负载：

sink_i∈Φ_i

式中各符号含义如下：

Load_i——第i个小型网络当前负载；

k——该小型网络当前具有k个节点。

d_j——该小型网络中第j个节点与sink_i节点的距离

Pt——传感器节点的发送功率；

Pr——传感器节点的接收功率；

f_j——该小型网络中第j个节点的数据采集频率；

sink_i——第i个小型网络的sink节点；

Φ_i——第i个小型网络对应的节点集合；

以传感器节点与sink节点的距离、采集频率、发送功率和接收功率等作为依据，考虑节点距离能够减小数据传输延迟，并且减小数据包转发次数；同时在实际应用中，通常每个节点的数据采集频率是不同的，这意味着节点对网络增加的负担大小不同，为了达到均衡负载以及减小延迟的效果，在划分子网时同时考虑传感器节点与sink节点之间的距离以及传感器节点的采集频率，以传感器节点与sink节点的距离、采集频率、发送功率和接收功率等的运算作为度量计算小型网络的负载。当节点到sink节点距离为d时，从源节点延此路径到sink节点则会带来d次数据的发送与d次数据的接收，而考虑最后一次接收数据的sink节点是有固定电源供电，则实际电池电量消耗为d次数据发送与d-1次数据接收。

初始时两个小型网络Φ₁和Φ₂负载都为0，可以表示为一维数组(0,0)，则从Φ₁开始先选择节点；

步骤三、贪心法划分网络。

当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，而选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。

Φ₁按照上述第一种情况中根据距离和采样频率选择节点N3，节点N3到sink₁跳数为1，采样频率为3。

步骤四、重复步骤二和三。

当选择完成后，则根据被选节点到该小型网络sink节点的距离、采集频率等更新当前小型网络的负载，也就是步骤二。然后小型网络选择新的节点。重复步骤二和步骤三，直到所有节点都划分完成。

重复步骤二，此时更新网络负载为(3,0)；

重复步骤三，Φ₂的网络负载小，同样的选择方法，Φ₂选择节点N9，节点N9距sink₂跳数为1，采样频率为9，重复步骤二，更新网络负载为(3,9)；

重复步骤三，此时Φ₁的网络负载小，继续根据上述方法选择节点N2，更新网络负载为(5,9)；

重复步骤二和三，直至所有的节点都划分完成。

最后将网络划分为两个小型网络Φ₁＝(Sink1,N1,N2,N3,N5,N6)；Φ₂＝(Sink2,N4,N7,N8,N9)。

Claims (1)

1.一种工业无线网络拓扑管理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、网络分层；

将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，降低系统管理器资源分配的复杂度，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信；

步骤二、计算网络负载；

采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络；采用以下公式计算每个小型网络的网络负载：

sink_i∈Φ_i

式中，Load_i是第i个小型网络当前负载；k是小型网络当前节点的个数；d_j是小型网络中第j个节点与sink_i节点的距离；Pt是传感器节点的发送功率；Pr是传感器节点的接收功率；f_j是小型网络中第j个节点的数据采集频率；sink_i是第i个小型网络的sink节点；Φ_i是第i个小型网络对应的节点集合；

以传感器节点与sink节点的距离、采集频率、发送功率和接收功率作为依据，考虑节点距离能够减小数据传输延迟，并且减小数据包转发次数；为了达到均衡负载以及减小延迟的效果，在划分子网时同时考虑传感器节点与sink节点之间的距离以及传感器节点的采集频率，以传感器节点与sink节点的距离、采集频率、发送功率和接收功率的运算作为度量计算小型网络的负载；当节点到sink节点距离为d时，从源节点延此路径到sink节点则会带来d次数据的发送与d次数据的接收，而考虑最后一次接收数据的sink节点是有固定电源供电，则实际电池电量消耗为d次数据发送与d-1次数据接收；

步骤三、贪心法划分网络；

当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点；

步骤四、重复步骤二和三；

当选择完成后，根据被选节点到小型网络sink节点的距离、采集频率更新当前小型网络的负载，小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成。

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