CN111866986B - 一种无线mesh物联网络的路由自适应形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线MESH物联网络的路由自适应形成方法。主要包括：确定中心节点和目标子节点直接通信对应的路径的初始路径场强值，如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值小于稳定区界限值，则将中心节点和目标子节点之间直接通信以及间接通信的各个路径上，小于稳定区界限值且大于RSSI门限值的相应段的场强值乘以一个系数β，β大于1，再计算各个路径的最终路径场强累加值，接着按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序。本发明的上述方法，使用了稳定区界限值以及系数β，使得路径的选择更灵活，更贴近于实际，有利于克服因RSSI门限值取值过大或过小造成的通信问题。

Description

一种无线MESH物联网络的路由自适应形成方法

技术领域

本发明涉及物联网数据采集控制领域，特别是涉及无线MESH物联网络的路由自适应形成方法。

背景技术

传统的无线MESH组网时，路由选择主要原则是层次优先兼顾场强。也就是层次相同的情况下，比较各个路径的路径场强累加值。路径上每一段(即每两个相邻节点之间)的场强值要大于RSSI门限值。路径场强累加值是指该路径每一段的场强值的累加和。RSSI门限值很难找到一个准确的平衡点。RSSI门限值设置偏大会导致层次增加传输效率下降，RSSI门限值设置偏小会导致信号较弱时丢包严重通讯不稳定。

发明内容

基于此，提供一种无线MESH物联网络的路由自适应形成方法。通过该方法确定的路径更加符合实际需求，有利于克服因RSSI门限值取值过大或过小造成的通信问题。

一种无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，包括：

确定中心节点和目标子节点直接通信对应的路径的初始路径场强值，

如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值小于稳定区界限值，

则将中心节点和目标子节点之间直接通信以及间接通信的各个路径上，小于稳定区界限值且大于RSSI门限值的相应段的场强值乘以一个系数β，β大于 1，再计算各个路径的最终路径场强累加值，

接着按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序。

本发明的上述方法，使用了稳定区界限值以及系数β，使得路径的选择更灵活，更贴近于实际，有利于克服因RSSI门限值取值过大或过小造成的通信问题。

在其中一个实施例中，所述按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，为按照最终路径场强累加值由大到小进行排序。

在其中一个实施例中，所述稳定区界限值为Rw，所述Rw＝Rt+α，10db≤α≤20db,Rt为RSSI门限值。

在其中一个实施例中，所述α为15db。

在其中一个实施例中，如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值大于等于稳定区界限值，则中心节点和目标子节点之间直接通信的路径为最优路径。

在其中一个实施例中，所述按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，如果有多个路径的最终路径场强累加值相同，则按照层次优先原则对最终路径场强累加值相同的各个路径进行排序。

在其中一个实施例中，

所述β按照以下方法获得：

根据第一公式和第二公式分别计算β的取值范围，然后将获得的两个取值范围取交集，从而得到β的最终取值范围，

第一公式：(Rw+1)*(N+1)>Rw*β>Rmax*(N+2)，

第二公式：(Rw+1)*(N+1)>Rt*β>Rmax*(N+2)，

其中，Rw为稳定区界限值，Rt为RSSI门限值，Rmax为信号最强值，N为中心节点和目标子节点之间的各个路径上，场强小于稳定区界限值的两个相邻节点间允许增加的最大层级级数。

在其中一个实施例中，所述β为大于1的整数。

在其中一个实施例中，如果中心节点和目标子节点之间，直接通信以及间接通信形成的路径的各段的场强值都大于等于稳定区界限值，则按照层次优先兼顾场强的原则对各个路径进行排序。

附图说明

图1为本发明的第一个实施例的示意图。

图2为本发明的第二个实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明的实施例提供了一种无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，包括：

确定中心节点和目标子节点直接通信对应的路径的初始路径场强值，如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值小于稳定区界限值，则将中心节点和目标子节点之间直接通信以及间接通信的各个路径上，小于稳定区界限值且大于RSSI门限值的相应段的场强值乘以一个系数β，β大于1，再计算各个路径的最终路径场强累加值，接着按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，最后按照对各个路径的排序结果对路径进行选择。

具体的，子节点通过监听空中数据包来收集周围节点的场强信息保存在子节点中并不断更新。

中心节点组网时会通过命令获取各个子节点的场强信息并保存在中心节点中。

中心节点根据获取到的子节点场强信息计算出到达目标子节点的可能路径并按照本发明的上述方法进行排序，与该目标子节点通讯时会按照该路径排列顺序尝试通信。

具体的，上述中心节点和目标子节点直接通信对应的路径的初始路径场强值一般就是这两个节点之间的场强值，也就是初始路径场强值就等于这两个节点之间的场强值。

本实施例中，上述稳定区界限值Rw大于RSSI门限值Rt。上述当中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值小于稳定区界限值时，包括初始路径场强值小于稳定区界限值且大于RSSI门限值Rt的情况，还包括初始路径场强值小于等于RSSI门限值Rt的情况。这两种情况下，都可以应用本发明的上述方法。

需要说明的是，上述中心节点和目标子节点进行间接通信的各个路径，是指中心节点和目标子节点可以进行间接通信的各个路径，也就是中心节点可以通过与其它子节点依次通信，最终实现与目标子节点通信的路径。

需要说明的是，本发明的上述方法中，如果直接通信的路径或间接通信的路劲中，有某段的场强值小于稳定区界限值且大于RSSI门限值，则先将该段的场强值乘以一个系数β，然后将乘以系数β后的值在后续计算最终路径场强累加值时使用，也就是，此处不再使用该段的原始值，而是使用乘以系数β后的值。

例如，某路径包括多段场强值：R1、R2、R3。其中，R1符合Rw>R1>Rt，则在计算该路径的最终路径场强累加值时，则Sr＝R1*β+R2+R3。

本实施例中，所述按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，如果有多个路径的最终路径场强累加值相同，则按照层次优先原则对最终路径场强累加值相同的各个路径进行排序。上述层次优先原则就是路径包含的层级级数越少，越优先考虑，也就是路径包含的节点数越少，越优先考虑。

本实施例中，所述按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，为按照最终路径场强累加值由大到小进行排序，这样在进行路径选择时，可按照此顺序进行选择，也就是优先选择最终路径场强累加值较大的路径。

本实施例中，如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值大于等于稳定区界限值，则可以选择中心节点和目标子节点之间直接通信的路径作为最终的通信路径。

本实施例中，所述稳定区界限值为Rw，所述Rw＝Rt+α，10db≤α≤20db,Rt 为RSSI门限值。

具体的，所述α可以为10db、12db、20db等。优选为15db，因为，外部干扰使的信号强度跳变幅度一般会超过10db，稳定区界限Rw取Rt+15db比较合适。

其中，RSSI门限值的取值方法为现有技术，可以根据实际产品进行取值。其中，RSSI门限值偏大一些或偏小一些，对本发明的方法影响不大。

本实施例中，所述β按照以下方法获得：

根据第一公式和第二公式分别计算β的取值范围，然后将获得的两个取值范围取交集，从而得到β的最终取值范围。

第一公式：(Rw+1)*(N+1)>Rw*β>Rmax*(N+2)。

第二公式：(Rw+1)*(N+1)>Rt*β>Rmax*(N+2)。

其中，Rw为稳定区界限值，Rt为RSSI门限值，Rmax为信号最强值，N为允许增加的层级级数。

需要说明的是，Rmax一般取信号最强值，当场强值R>-65db时，取Rmax＝-65db。Rmax可根据实际情况调整。

N为中心节点和目标子节点之间的各个路径上，场强小于稳定区界限值的两个相邻节点间允许增加的最大层级级数。也就是，场强小于稳定区界限值的相邻两个节点间，允许增加的层级级数小于等于该设定值N。上述设定值N也就是允许增加的中继节点的最大数目。

例如，N＝2，就是允许增加层级级数为1或2。也就是，两个节点之间允许增加1个或2个中继子节点。

增加N级实际增加N+1段路径，不能超过N+2段路径。例如，两个节点间本来是直接通信，则路径为1段，如果N＝1，相当于中间插入一个中继节点，路径就被分成两段，也就是N+1＝2。

以下举例说明β的计算方法。

例如，Rw＝-81db，Rt＝-96db，N＝1，则，

通过第一公式：(-81+1)*(1+1)>-81*β>-65*(1+2)，

得到1.98<β<2.41，

通过第二公式：(-81+1)*(1+1)>-96*β>-65*(1+2)，

得到1.67<β<2.03，

将上述两个结果取交集，得到：1.97<β<2.03，β取二者中间值2即可。有上述分析可知，本实施例中，所述β可以是大于1的整数。

需要说明的是，由于在不稳定区间允许增加的层级数可以调整，上面公式可能存在不成立的情况，这时需要根据实际情况调整Rmax，Rw，Rt等参数进行估算。也可在不稳定区间内再继续分段细化，允许增加不同的层级数。

可以理解，如果中心节点和目标子节点之间，直接通信以及间接通信形成的路径的各段的场强值都大于等于稳定区界限值，则按照层次优先兼顾场强的原则对各个路径进行排序。上述层次优先兼顾场强的原则就是现有的通信原则，也就是先考虑层次的关系，中心节点和目标子节点之间的层级数越少，则该路径越优先考虑。层次关系相同的情况下，再考虑场强的关系，也就是，如果存在多条路径，这些路径上，中心节点和目标子节点之间的层级数相同，这时，就通过比较路径场强累加值的大小来对各个路径进行排序，路径场强累加值越大，越优先考虑。

以下举例说明本发明的方法。

实施例一：

如图1所示，使用本发明的方法。中心节点为M，目标子节点为S2。R1、 R2、R3、R4、R5为各段的场强值。且R1、R2、R3、R4、R5指示的信号强度都在稳定区域，排列顺序是R1>R2>R3>R4>R5>Rw。

1、当R6>Rw时，分别计算各条路径的路径场强累加值Sr。

M-S2:Sr1＝R6。

M-S1-S2:Sr2＝R1+R2。

M-S3-S2：Sr3＝R4+R5。

M-S1-S3-S2：Sr4＝R1+R3+R4。

M-S3-S1-S2：Sr5＝R2+R3+R5。

这里，假定R6>R1*2。

通过比较Sr值后得到的路径排列顺序是：Sr1>Sr2>Sr3>Sr4>Sr5。

2、当R6<Rw时，指示的信号强度在不稳定区时，使用本发明的方法，也就是层级场强平衡原则计算得到的路由路径排序可能是下面多种，具体的，

N-S2:Sr1＝R6*β。

M-S1-S2:Sr2＝R1+R2。

M-S3-S2:Sr3＝R4+R5。

M-S1-S3-S2:Sr4＝R1+R3+R4。

M-S3-S1-S2:Sr5＝R2+R3+R5。

这里，取β＝2。

最佳路径排序可能是：

Sr2>Sr3>Sr1>Sr4>Sr5或Sr2>Sr3>Sr4>Sr5>Sr1等。最终的排序结果取决于R1-R6具体值的大小。

通过以上对比可以看出，使用本发明的方法，路径的选择更灵活，更贴近于实际。

对比实验：

如图1所示，中心节点为M，目标子节点为S2。使用现有技术的路径排序方法为：

1、当R6>Rt时，最优路径选择顺序：

①M-S2

②M-S1-S2

③M-S3-S2

④M-S1-S3-S2

⑤M-S3-S1-S2

此场景下如果Rt偏小，路径①信号R6较弱通讯处于相对不稳定状态。路径②和路径③每段上信号强度较强，稳定性更好，是更优的选择。

2、当R5>Rt>R6时，最优路径选择顺序：

①M-S1-S2

②M-S3-S2

③M-S1-S3-S2

④M-S3-S1-S2

由于Rt>R6导致路径M-S2不会被取到。此场景下如果Rt设置偏大R6信号依然较强，M-S2这条路径的通讯成功率也会非常高，此路径应该被排在比较靠前的位置。

可以看出，现有技术中的排序方法会导致很多问题。

实施例二：

如图2所示，以一个住宅楼为例，假定中心节点在5楼，1-4楼各有一个子节点，每两个相邻节点之间的场强约为-70db，中间隔着一个节点的两个节点之间的场强约为-85db，中间隔着两个节点的两个节点之间的场强约为-96db。稳定区界限值Rw为-86db，RSSI门限值Rt确定为-96db。

例如，中心节点为M，目标子节点为S2。这时，M-S2之间场强大约是-96db, 按照现有技术的层次优先的原则。最优路径就是M-S2之间直接通信。但是这时信号相对较弱，受外界干扰较大，会造成丢包严重，经常会发现重传现象，严重时会通信超时。

改用本发明的方法后，M-S2之间的最优路径会选择S3或S4作为中继进行中转一次，这样路径中通讯的两个节点间信号比较强，受外界影响较小，丢包率相对较低，提高了通讯成功率。

再如，中心节点为M，目标子节点为S1。这时，M-S1之间相互收不到对方信号，无法直接通信。如果按照现有技术的排序方法，最优路径M-S4-S1和 M-S2-S1，这两个路径中都存在一段信号为-96db的不稳定路径，会导致传输失败。

使用本发明的方法后，不稳定段场强乘以β后排序，最优路径为M-S3-S1。这样可避免现有技术的缺陷。

由以上分析可知，本发明的方法可以解决信号相对较弱的两节点间最佳路径的选择问题，可以使网络整体通讯成功率及性能达到最优。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，包括：

确定中心节点和目标子节点直接通信对应的路径的初始路径场强值，

如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值小于稳定区界限值，

则将中心节点和目标子节点之间直接通信以及间接通信的各个路径上，小于稳定区界限值且大于RSSI门限值的相应段的场强值乘以一个系数β，β大于1，再计算各个路径的最终路径场强累加值，

接着按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序；

所述β按照以下方法获得：

根据第一公式和第二公式分别计算β的取值范围，然后将获得的两个取值范围取交集，从而得到β的最终取值范围，

第一公式：(Rw+1)*(N+1)>Rw*β>Rmax*(N+2)，

第二公式：(Rw+1)*(N+1)>Rt*β>Rmax*(N+2)，

其中，Rw为稳定区界限值，Rt为RSSI门限值，Rmax为信号最强值，N为中心节点和目标子节点之间的各个路径上，场强小于稳定区界限值的两个相邻节点间允许增加的最大层级级数。

2.根据权利要求1所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，所述按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，为按照最终路径场强累加值由大到小进行排序。

3.根据权利要求1所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，所述稳定区界限值为Rw，所述Rw＝Rt+α，10db≤α≤20db,Rt为RSSI门限值。

4.根据权利要求3所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，所述α为15db。

5.根据权利要求1所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，如果中心节点和目标子节点之间直接通信形成的路径的初始路径场强值大于等于稳定区界限值，则中心节点和目标子节点之间直接通信的路径为最优路径。

6.根据权利要求1所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，所述按照各个最终路径场强累加值对各个路径进行排序，如果有多个路径的最终路径场强累加值相同，则按照层次优先原则对最终路径场强累加值相同的各个路径进行排序。

7.根据权利要求1所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，所述β为大于1的整数。

8.根据权利要求1所述的无线MESH物联网络的路由自适应形成方法，其特征在于，如果中心节点和目标子节点之间，直接通信以及间接通信形成的路径的各段的场强值都大于等于稳定区界限值，则按照层次优先兼顾场强的原则对各个路径进行排序。

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