CN111935797B - 一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，包括：S1、为网络中所有节点分配ID号；S2、所有节点获取自身所有子节点的路由性能信息；S3、设置起始节点

和目标节点

；S4、起始节点

判断目标节点

是否是自己的子节点：若是，直接进行数据转发；若不是，执行下一步；S5、起始节点

获取自身子节点实时路由性能信息；S6、起始节点

获得目标函数值最小的子节点a作为中继节点；S7、判断节点a是否为目标节点

：若是，保存最优路由路径；若不是，将节点a作为下一次路由转发的起始节点，并返回步骤S4；S8、判断每个节点是否保存了自身与其余所有节点之间通信的最优路由路径：若是，保存最优路径的路由矩阵；若否，返回步骤S4。

Description

一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，具体涉及一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法。

背景技术

在一些经济落后地区，由于台区范围广且各用户位置分布较为散乱，集中器并不一定能保证时刻跟台区内所有的低压开关柜进行通信，影响了台区用电数据的采集和电力企业对区域用电量的分析。现阶段有两种方法提高低压开关柜之间的通信效率和通信可靠性，一种是从物理层入手，通过对硬件技术的改进增大通信模块发出信号的功率以此来提高信号传输的距离，但高频信号会带来高次谐波分量对电能供应的质量有不利影响，同时对周围的电子设备和用户的通信设备造成强烈干扰，影响居民日常生活。另一种是对信号采取中继的方法，即选择通信网络中与起始节点通信良好的节点作为中继节点，将数据转发出去，以此来延长通信距离，从而建立起节点与距离较远的集中器的通信路径。

自动中继主要包括两种类型的算法，第一种是无穷搜索，即集中器对其下管理的载波电表进行一一轮询，然后将得到的路径穷举全部排列出来，最后通过测试并从所有路径中选取最佳中继路径。这种方法运算量较大对芯片要求高，且耗时长，难以符合现实路由要求。第二种是半自动搜索，即通过人工分析实际抄收数据，然后依据实际抄收数据选择合适的中继路径，这种方法选择的中继节点可靠性高，提高了中继效率，但面积庞大、用户众多的低压配电台区拥有大量的低压开关柜通信节点，其通信网络结构十分复杂，采用半自动搜索的方法组网不仅耗时，而且当节点故障导致部分通信链路失效时，不便于维护，严重影响网络通信效率，此外，由于低压配电网高噪声，强时变的特性，网络中节点的通信能力也随之变化，使得低压配电台区通信网络拓扑结构处于动态变化中。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，采用动态路由方法既能保证适应通信网络的动态变化，又能大大提高通信网络的通信可靠性和通信效率。

在网络初始化阶段，本发明中所述“网络”是低压开关柜无线通信网络的简称，每个节点只拥有自身的邻居节点的路由性能信息(至少包括延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗)，且每个节点定时向每个邻居节点发送自身的路由性能信息，当某节点要向另外一通信范围之外的节点传输数据时，该节点首先计算自身的每个邻居节点的路由性能评价模型函数值，并比较每个邻居节点的路由性能评价模型函数值，选择其中路由性能评价模型函数值最小的邻居节点作为“下一个节点”，即中继节点，进行数据转发，并将该邻居节点的路由性能信息加入自己的路由表。

经过一段时间后，网络中所有节点将会获得到达网络中除自身以外任意一个节点的最佳路由表。当某个节点故障时，每个将该故障节点作为某条路径的中继节点的节点会将该故障节点的路由信息舍弃，再重新创建新的路由表信息。

此外，当网络中加入新的节点时，新节点只需获取其子节点与其余节点通信的最优路由表，并通过比较每条路径的性能评价函数值，找到新节点与网络中其他节点通信的最优路由表。

一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，包括如下步骤：

S1、低压开关柜无线通信网络初始化，为低压开关柜无线通信网络中所有节点分配ID 号；

S2、低压开关柜无线通信网络中所有节点获取自身所有子节点的路由性能信息，其中，路由性能信息至少包括延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗；

S3、设置起始节点S和目标节点d；

S4、起始节点S判断目标节点d是否是自己的子节点：若是，直接进行数据转发，并记录本次设置的起始节点与目标节点之间的最优路由路径；若不是，则执行下一步；

S5、起始节点S获取自身子节点实时的延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗数据，并根据待转发数据的类型设置相应的权重因子；

S6、起始节点S计算每个子节点的目标函数值并进行比较，获得目标函数值最小的子节点 a作为中继节点转发数据；

S7、判断节点a是否为目标节点d：若是，则将由起始节点S、中继节点a及目标节点d构成的路由路径保存在起始节点S的数据栈中；若不是，则将节点a作为下一次路由转发的起始节点，并返回执行步骤S4；

S8、判断低压开关柜无线通信网络中每个节点是否保存了自身与其余所有节点之间通信的最优路由路径：若是，则保存所有节点间通信的最优路径的路由矩阵；若否，则返回执行步骤S4。

进一步地，步骤S1具体包括如下：

S1.1、由源节点向自身的邻居节点进行第一次广播，所述邻居节点向源节点发送确认信号，源节点接收自身的邻居节点返回的确认信号，然后进行预设时间的延时后判断如果再无返回的确认信号，则源节点为返回确认信号的邻居节点分配节点ID号，并将被分配完ID号的源节点的邻居节点记为第1层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；

S1.2、第1层节点继续向下进行广播，寻找自身的邻居节点，将第1层节点的所有邻居节点的数量返回给源节点，源节点分配相应数量的ID号给第1层节点，然后第1层节点将这些ID号分配给自身的邻居节点，并将被分配完ID号的第1层节点的邻居节点记为第2层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；

按照步骤S1.2所述的方法，继续依次往下进行广播，为整个低压开关柜无线通信网络中的节点分配节点ID号，最终将所有节点ID号保存在源节点的数据栈中。

进一步地，步骤S1.1中，所述预设时间为低压开关柜无线通信网络中任意两个节点间通信一次的最大时间。

进一步地，步骤S2具体包括如下：

S2.1、源节点进行第二次广播，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，分别计算出源节点与自身每个邻居节点之间的距离、源节点及其邻居节点感知范围的体积以及每个邻居节点被源节点感知到的概率，并将所述概率大于等于0.5的节点设为源节点的子节点，并将源节点的子节点的路由性能信息保存在源节点的数据栈中；

S2.2、源节点的子节点继续进行广播，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，计算源节点的子节点与自身邻居节点之间的距离、源节点的子节点及其邻居节点感知范围的体积以及每个源节点的子节点的邻居节点被源节点的子节点感知到的概率，并将所述概率大于等于0.5的节点设为源节点的子节点的子节点，从而获取到源节点的子节点的子节点的路由性能信息并将其保存在源节点的数据栈中；

按照步骤S2.2所述的方法，继续依次往下进行广播，直至整个低压开关柜无线通信网络中的所有节点都获取到自身所有子节点的路由性能信息。

进一步地，步骤S2中，当子节点的路由性能信息发生改变时，会自动向所属的上层节点发送变化之后新的路由性能信息。

进一步地，步骤S2中，设节点的感知范围是半径为R的球体，当节点j的位置位于节点i的感知范围内，认为节点i可以与节点j进行双向通信，那么节点j被节点i感知到的概率P_ij如下：

其中，V_i表示节点i的感知范围的体积，V_j表示节点j的感知范围的体积，R_i表示节点i的感知范围半径，d(i，j)表示节点i与j节点之间的距离；

V_i和d(i，j)的表达式分别如下：

进一步地，步骤S6中，目标函数值的计算公式如下：

其中，γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅为权重因子且γ₁+γ₂+γ₃+γ₄+γ₅＝1；T_delay(i) 表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的延时；f_{pack_loss}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的丢包率；f_{wrong_code}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的误码率；T_{adj_time}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的调整时间；f_power(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的能耗。

进一步地，节点的延时包括发送延时、传播延时、处理延时和排队延时，设节点i的发送延时、传播延时、处理延时、排队延时依次为T_send(i)、T_spread(i)、T_process(i)、 T_Quen(i)，其中，T_send(i)＝L_data*W_channel，L_data表示节点所要发送的数据帧长度，W_channel则表示节点通信的信道带宽，T_spread(i)＝L_channel*V_elec，L_channel表示节点通信的信道长度，V_elec表示电磁波在节点通信信道中的传播速度，节点的总延时 T_delay(i)由下式计算：

公式(7)中，D_loss表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中丢失的数据包数量，D_sum表示节点i向下一个节点发送的数据包总量；

误码率的计算公式如下：

公式(8)中，C_wrong表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中出现的误码数量；C_sum表示节点i向下一个节点发送的数据总码数；

调整时间为低压开关柜无线通信网络中的节点在接收到上一个节点发送的完整数据包开始到该节点将接收到的数据包完整发送至下一个节点所需的最大时间，记为T_{adj_time}(i)；节点i的节点能耗用公式表示如下：

f_power(i)＝k[P_send*t₁+P_receive*t₂] (9)

公式(9)中，f_power(i)表示节点i接收kbit数据到将其完整发送出去的整个过程所消耗的总能量；P_send表示节点i的发射功率，t₁表示节点i完整发送1bit数据所需的时间；P_receive表示节点i的接收功率，t₂表示节点i完整接收1bit数据所需时间。

进一步地，步骤S8中，最优路由路径由路径性能评价模型计算得到，所述路径性能评价模型的计算公式如下：

其中，S表示起始节点，d表示目标节点，Path(s，d)表示起始节点S到目标节点d的通信路径，f(i)表示通信路径Path(s，d)上节点i的路由性能评价函数值。

进一步地，当低压开关柜无线通信网络中出现新增节点m时，步骤S8之后，还包括如下步骤：

S9、新增节点m与源节点进行通信获取ID；

S10、新增节点m与自身的邻居节点进行通信，找出新增节点m的子节点，并获取新增节点的子节点的路由表；

S11、新增节点获得子节点的路由表，通过路径性能评价函数计算得到与低压开关柜无线通信网络中其余节点通信的最优路径，并将其加入新增节点自身的路由表中；

S12、将整个低压开关柜无线通信网络中所有节点进行通信的最优路由矩阵保存至源节点的数据栈中。

采用本发明的动态路由方法既能保证适应通信网络的动态变化，又能大大提高通信网络的通信可靠性和通信效率。

附图说明

图1为本发明实施例所述的低压开关柜无线通信网络的拓扑结构示意图。

图2为本发明实施例所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

在描述本发明的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法之前，首先设定以下前提条件：

1、所有低压开关柜无线通信网络节点的逻辑地址都存储在源节点中。

2、对所有低压开关柜无线通信网络节点进行分组，总共有N个节点，其拓扑结构如图1所示。

3、将所有低压开关柜无线通信网络中传输的数据分为普通数据(无实时性和可靠性要求)、实时数据(实时性要求高)、可靠性数据(可靠性要求高)三种，针对三种数据不同的传输需求，为其设置不同的参数权重值，即不同的数值，求解节点i的目标函数f(i) 时，权重因子γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅值不相同。

4、本发明的目的是寻找到每个分组中路由性能最佳的一个节点作为中继节点进行数据转发。

5、在低压开关柜无线通信网络中，所有的节点均具有与在其通信范围内的节点进行通信的功能，并具有路由转发功能，能转发包括自身及与其进行通信的节点位置、节点间传输距离和节点状态信息。

6、低压开关柜无线通信网络在进行路由组网时，能保持一定的稳定时间，足够节点之间完成路由组网。

7、邻居节点：设节点i的坐标为(x_i，y_i，z_i)，将处于节点i通信范围为球心，半径为R_i的球体以内的其它节点定义为节点i的邻居节点，计算节点i与节点j之间的距离 d(i，j)，若d(i，j)≤R_i，则称节点j为节点i的邻居节点。

8、子节点：设定节点感知概率阈值为0.5，计算除节点j被节点i监测到的概率P_ij，定义P_ij大于等于0.5时节点j为节点i的子节点。

基于以上前提，以下是对本发明的技术方案进行详细描述。

如图2所示，本实施例所述的一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，包括如下步骤：

步骤S1、低压开关柜无线通信网络初始化，为低压开关柜无线通信网络中所有节点分配ID 号。

在建立低压开关柜无线通信网络之前，设定以下前提条件：假设低压开关柜无线通信网络节点所分布的有限三维待监测区域具有以下特点：1)区域内无线通信网络节点位置是固定的；2)区域内的地形、地貌保持不变；3)区域内各无线通信网络节点是同构的，即具有相同的发射、接收和处理能力；4)网络通信链路是双向的，即节点i与节点j能双向通信。假设在具备上述特点的低压开关柜无线通信网络所在有限三维待监测区域中随机部署N 个无线通信网络节点，第i个节点的坐标为(x_i，y_i，z_i)，根节点放置于监测区域的中心位置，将其作为整个三维待监测区域的坐标系原点，每个无线通信网络节点以单跳或者多跳的方式将采集的数据传输至根节点，根节点将汇聚的数据通过互联网或光纤通信的方式传递至终端管理节点。

本实施例中，所述步骤S1具体包括如下：

S1.1、由源节点向自身的邻居节点进行第一次广播，所述邻居节点向源节点发送确认信号，源节点接收自身的邻居节点返回的确认信号，然后进行预设时间的延时后判断如果再无返回的确认信号，则源节点为返回确认信号的邻居节点分配节点ID号，并将被分配完ID号的源节点的邻居节点记为第1层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；其中，所述预设时间为低压开关柜无线通信网络中任意两个节点间通信一次的最大时间。

S1.2、第1层节点继续向下进行广播，寻找自身的邻居节点，将第1层节点的所有邻居节点的数量返回给源节点，源节点分配相应数量的ID号给第1层节点，然后第1层节点将这些ID号分配给自身的邻居节点，并将被分配完ID号的第1层节点的邻居节点记为第2 层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中。

按照步骤S1.2所述的方法，继续依次往下进行广播，为整个低压开关柜无线通信网络中的节点分配节点ID号，最终将所有节点ID号保存在源节点的数据栈中，如图1所示。

步骤S2、低压开关柜无线通信网络中所有节点获取自身所有子节点的路由性能信息，其中，路由性能信息至少包括延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗。

步骤S2具体包括如下：

S2.1、源节点进行第二次广播，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，分别计算出源节点与自身每个邻居节点之间的距离、源节点及其邻居节点感知范围的体积以及每个邻居节点被源节点感知到的概率，并将所述概率大于等于0.5的节点设为源节点的子节点，并将源节点的子节点的路由性能信息保存在源节点的数据栈中；

S2.2、源节点的子节点继续进行广播，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，计算源节点的子节点与自身邻居节点之间的距离、源节点的子节点及其邻居节点感知范围的体积以及每个源节点的子节点的邻居节点被源节点的子节点感知到的概率，并将所述概率大于等于0.5的节点设为源节点的子节点的子节点，从而获取到源节点的子节点的子节点的路由性能信息并将其保存在源节点的数据栈中；

按照步骤S2.2所述的方法，继续依次往下进行广播，直至整个低压开关柜无线通信网络中的所有节点都获取到自身所有子节点的路由性能信息。当子节点的路由性能信息发生改变时，会自动向所属的上层节点发送变化之后新的路由性能信息。

进一步地，步骤S2中，设节点的感知范围是半径为R的球体，当节点j的位置位于节点i的感知范围内，认为节点i可以与节点j进行双向通信，那么节点j被节点i感知到的概率P_ij如下，即低压开关柜无线通信网络节点感知概率模型如下：

其中，V_i表示节点i的感知范围的体积，V_j表示节点j的感知范围的体积，R_i表示节点i的感知范围半径，d(i，j)表示节点i与j节点之间的距离；

V_i和d(i，j)的表达式分别如下：

步骤S3、对于ID存储在源节点数据栈中的节点，设置起始节点S和目标节点d。

步骤S4、起始节点S判断目标节点d是否是自己的子节点：若是，直接进行数据转发，并记录本次设置的起始节点与目标节点之间的最优路由路径；若不是，则执行下一步。

步骤S5、起始节点S获取自身子节点实时的延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗数据，并根据待转发数据的类型设置相应的权重因子。

步骤S6、起始节点S计算每个子节点的目标函数值并进行比较，获得目标函数值最小的子节点a作为中继节点转发数据。

整个网络中的节点进行通信时，若起始节点S与目标节点d之间，互相监测到的概率为0，即起始节点S与目标节点d之间无法直接通信，所以需要选择中继节点进行数据转发，而在需要发送数据的节点的感知范围内可能存在多个可以进行转发的中继节点，所以需要从满足条件的中继节点中选择性能最优的节点进行转发，常见算法以节点间的距离作为性能评价指标，选择路径最短的节点作为中继节点，但是在电力物联网分布的区域中存在各种干扰，尤其是在网络节点高密度分布的环境中，各个网络节点的工作性能还与节点的传输时延、传输丢包率、传输误码率、传输调整时间及传输能耗有关，考虑单一指标无法选择出性能最优的中继节点，所以需要结合多个指标来评价节点的路由性能。

在低压开关柜无线通信网络中，节点交互过程中的通信数据信息受噪声、负载等因素的干扰可能会丢失，从而严重影响低压开关柜无线通信网络的节点路由性能。通常将延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗作为评价低压开关柜无线通信网络路由性能优劣的指标，因此本实施例使用以下数学模型进行节点路由性能的评价。

其中，γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅为权重因子且γ₁+γ₂+γ₃+γ₄+γ₅＝1；可以根据不同通信网络拓扑结构的特性改变其大小来调整延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗所占的比重；i表示当前节点的邻居节点；T_delay(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i 进行数据转发的延时；f_{pack_loss}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的丢包率；f_{wrong_code}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的误码率； T_{adj_time}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的调整时间；f_power(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的能耗。

下面分别对延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗进行详细介绍。

1)延时：

由于低压开关柜无线通信网络受噪声、负载等因素的干扰，会造成路由延时的变化。此外路由延时还受到信号传输速度、物理距离、路由拥塞程度等因素的影响，因此延时是一个衡量路由节点实时性的有效指标。

节点的延时包括发送延时、传播延时、处理延时和排队延时，设节点i的发送延时、传播延时、处理延时、排队延时依次为T_send(i)、T_spread(i)、T_process(i)、T_Quen(i)，其中，T_send(i)＝L_data*W_channel，L_data表示节点所要发送的数据帧长度，W_channel则表示节点通信的信道带宽，T_spread(i)＝L_channel*V_elec，L_channel表示节点通信的信道长度，V_elec表示电磁波在节点通信信道中的传播速度，节点的总延时T_delay(i)由下式计算：

2)丢包率：

丢包率也是一个衡量路由节点可靠性的重要指标。丢包率是指数据传输过程中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率。网络中节点i的丢包率f_{pack_loss}(i)可由下式计算：

公式(7)中，D_loss表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中丢失的数据包数量， D_sum表示节点i向下一个节点发送的数据包总量。

3)误码率：

误码率是指数据传输过程中出现的误码占所传输的总码数的比率。误码率的计算公式如下：

公式(8)中，C_wrong表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中出现的误码数量；C_sum表示节点i向下一个节点发送的数据总码数。

4)调整时间：

调整时间定义为低压开关柜无线通信网络中的节点在接收到上一个节点发送的完整数据包开始到该节点将接收到的数据包完整发送至下一个节点所需的最大时间，记为T_{adj_time}(i)。

5)节点能耗：

节点的不同状态的功率与相应状态持续时间乘积之和为该节点的能耗。其中单个节点的功率包括发射功率、接收功率以及休眠状态的功率。由于节点在休眠状态下消耗的能量相对于发射与接收状态消耗的能量可以忽略不计，因此节点i的能耗用公式表示如下：

f_power(i)＝k[P_send*t₁+P_receive*t₂] (9)

公式(9)中，f_power(i)表示节点i接收kbit数据到将其完整发送出去的整个过程所消耗的总能量；P_send表示节点i的发射功率，t₁表示节点i完整发送1bit数据所需的时间；P_receive表示节点i的接收功率，t₂表示节点i完整接收1bit数据所需时间。

步骤S7、判断节点a是否为目标节点d：若是，则将由起始节点S、中继节点a及目标节点d构成的路由路径保存在起始节点S的数据栈中；若不是，则将节点a作为下一次路由转发的起始节点，并将节点a位置记录在路由表Route(s，d)中，并返回执行步骤S4。

步骤S8、判断低压开关柜无线通信网络中每个节点是否保存了自身与其余所有节点之间通信的最优路由路径：若是，则保存所有节点间通信的最优路径的路由矩阵；若否，则返回执行步骤S4。

本实施例中，最优路由路径由路径性能评价模型计算得到，所述低压开关柜无线通信网络中任意两个节点之间的路径性能评价模型的计算公式如下：

其中，S表示起始节点，d表示目标节点，Path(s，d)表示起始节点S到目标节点d的通信路径，f(i)表示通信路径Path(s，d)上节点i的路由性能评价函数值。

作为本实施例优选的一种技术方案，当低压开关柜无线通信网络中出现新增节点m 时，步骤S8之后，还包括如下步骤：

步骤S9、新增节点m与源节点进行通信获取ID。

步骤S10、新增节点m与自身的邻居节点进行通信，找出新增节点m的子节点，并获取新增节点的子节点的路由表。

步骤S10具体包括如下：

新增节点m与自身的邻居节点进行通信，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，通过公式(3)计算出新增节点m与每个邻居节点之间的距离，通过公式(2)新增节点m及其邻居节点感知范围的体积，然后通过公式(1)计算每个邻居节点被新增节点m感知到的概率，将所述概率大于等于0.5的节点设置为新增节点m的子节点，并获取这些子节点的路由表。

步骤S11、新增节点获得子节点的路由表，通过路径性能评价函数计算得到与低压开关柜无线通信网络中其余节点通信的最优路径，并将其加入新增节点自身的路由表中。

步骤S11具体包括如下：

将新增节点m设置为起始节点，目标节点设置为除节点m子节点外的任意一个节点n，通过公式(10)计算出新增节点m的每个子节点到节点n之间的路径性能评价函数值。然后，将节点m作为起始节点加入路径性能评价函数值最小的路径路由表中，从而获得节点 m到节点n的最优路由表，并将该路由表保存至新增节点m的数据栈中，依此类推，直至节点m拥有与网络中其余所有节点进行通信的最优路由表。

步骤S12、将整个低压开关柜无线通信网络中所有节点进行通信的最优路由矩阵保存至源节点的数据栈中。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、低压开关柜无线通信网络初始化，为低压开关柜无线通信网络中所有节点分配ID号；

S2、低压开关柜无线通信网络中所有节点获取自身所有子节点的路由性能信息，其中，路由性能信息至少包括延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗；

S3、设置起始节点S和目标节点d；

S4、起始节点S判断目标节点d是否是自己的子节点：若是，直接进行数据转发，并记录本次设置的起始节点与目标节点之间的最优路由路径；若不是，则执行下一步；

S5、起始节点S获取自身子节点实时的延时、丢包率、误码率、调整时间和节点能耗数据，并根据待转发数据的类型设置相应的权重因子；

S6、起始节点S计算每个子节点的目标函数值并进行比较，获得目标函数值最小的子节点a作为中继节点转发数据；目标函数值的计算公式如下：

f(i)＝min[γ₁*T_delay(i)+γ₂*f_{pack_loss}(i)+γ₃*f_{wrong_code}(i)+γ₄*T_{adj_time}(i)+γ₅*f_power(i)] (4)

其中，γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅为权重因子且γ₁+γ₂+γ₃+γ₄+γ₅＝1；T_delay(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的延时；f_{pack_loss}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的丢包率；f_{wrong_code}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的误码率；T_{adj_time}(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的调整时间，调整时间为低压开关柜无线通信网络中的节点在接收到上一个节点发送的完整数据包开始到该节点将接收到的数据包完整发送至下一个节点所需的最大时间；f_power(i)表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的能耗；T_max表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的最大延时时间；t_max表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的最大调整时间；P_max表示低压开关柜无线通信网络中节点i进行数据转发的最大发射功率；

S7、判断节点a是否为目标节点d：若是，则将由起始节点S、中继节点a及目标节点d构成的路由路径保存在起始节点S的数据栈中；若不是，则将节点a作为下一次路由转发的起始节点，并返回执行步骤S4；

S8、判断低压开关柜无线通信网络中每个节点是否保存了自身与其余所有节点之间通信的最优路由路径：若是，则保存所有节点间通信的最优路径的路由矩阵；若否，则返回执行步骤S4；最优路由路径由路径性能评价模型计算得到，所述路径性能评价模型的计算公式如下：

其中，S表示起始节点，d表示目标节点，Path(s，d)表示起始节点S到目标节点d的通信路径，f(i)表示通信路径Path(s，d)上节点i的路由性能评价函数值。

2.根据权利要求1所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下：

S1.1、由源节点向自身的邻居节点进行第一次广播，所述邻居节点向源节点发送确认信号，源节点接收自身的邻居节点返回的确认信号，然后进行预设时间的延时后判断如果再无返回的确认信号，则源节点为返回确认信号的邻居节点分配节点ID号，并将被分配完ID号的源节点的邻居节点记为第1层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；

S1.2、第1层节点继续向下进行广播，寻找自身的邻居节点，将第1层节点的所有邻居节点的数量返回给源节点，源节点分配相应数量的ID号给第1层节点，然后第1层节点将这些ID号分配给自身的邻居节点，并将被分配完ID号的第1层节点的邻居节点记为第2层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；

按照步骤S1.2所述的方法，继续依次往下进行广播，为整个低压开关柜无线通信网络中的节点分配节点ID号，最终将所有节点ID号保存在源节点的数据栈中。

3.根据权利要求2所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，步骤S1.1中，所述预设时间为低压开关柜无线通信网络中任意两个节点间通信一次的最大时间。

4.根据权利要求1所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下：

S2.1、源节点进行第二次广播，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，分别计算出源节点与自身每个邻居节点之间的距离、源节点及其邻居节点感知范围的体积以及每个邻居节点被源节点感知到的概率，并将所述概率大于等于0.5的节点设为源节点的子节点，并将源节点的子节点的路由性能信息保存在源节点的数据栈中；

S2.2、源节点的子节点继续进行广播，获取自身的邻居节点的位置坐标和通信半径信息，计算源节点的子节点与自身邻居节点之间的距离、源节点的子节点及其邻居节点感知范围的体积以及每个源节点的子节点的邻居节点被源节点的子节点感知到的概率，并将所述概率大于等于0.5的节点设为源节点的子节点的子节点，从而获取到源节点的子节点的子节点的路由性能信息并将其保存在源节点的数据栈中；

按照步骤S2.2所述的方法，继续依次往下进行广播，直至整个低压开关柜无线通信网络中的所有节点都获取到自身所有子节点的路由性能信息。

5.根据权利要求4所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，步骤S2中，当子节点的路由性能信息发生改变时，会自动向所属的上层节点发送变化之后新的路由性能信息。

6.根据权利要求4所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，步骤S2中，设节点的感知范围是半径为R的球体，当节点j的位置位于节点i的感知范围内，认为节点i可以与节点j进行双向通信，那么节点j被节点i感知到的概率P_ij如下：

其中，V_i表示节点i的感知范围的体积，V_j表示节点j的感知范围的体积，R_i表示节点i的感知范围半径，d(i，j)表示节点i与j节点之间的距离；

V_i和d(i，j)的表达式分别如下：

节点i的坐标为(x_i，y_i，z_i)，节点j的坐标为(x_j，y_j，z_j)。

7.根据权利要求1所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，节点的延时包括发送延时、传播延时、处理延时和排队延时，设节点i的发送延时、传播延时、处理延时、排队延时依次为T_send(i)、T_spread(i)、T_process(i)、T_Quen(i)，其中，T_send(i)＝L_data*W_channel，L_data表示节点所要发送的数据帧长度，W_channel则表示节点通信的信道带宽，T_spread(i)＝L_channel*V_elec，L_channel表示节点通信的信道长度，V_elec表示电磁波在节点通信信道中的传播速度，节点的总延时T_delay(i)由下式计算：

T_delay(i)＝T_send(i)+T_spread(i)+T_process(i)+T_Quen(i)

＝L_data*W_channel+L_channel*V_elec+T_process(i)+T_Quen(i) (6)

公式(7)中，D_loss表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中丢失的数据包数量，D_sum表示节点i向下一个节点发送的数据包总量；

误码率的计算公式如下：

公式(8)中，C_wrong表示节点在将数据发送至下一个节点的过程中出现的误码数量；C_sum表示节点i向下一个节点发送的数据总码数；

节点i的节点能耗用公式表示如下：

f_power(i)＝k[P_send*t₁+P_receive*t₂] (9)

公式(9)中，f_power(i)表示节点i接收kbit数据到将其完整发送出去的整个过程所消耗的总能量；P_send表示节点i的发射功率，t₁表示节点i完整发送1bit数据所需的时间；P_receive表示节点i的接收功率，t₂表示节点i完整接收1bit数据所需时间。

8.根据权利要求1-7任一项所述的用于低压开关柜无线通信网络的动态路由方法，其特征在于，当低压开关柜无线通信网络中出现新增节点m时，步骤S8之后，还包括如下步骤：

S9、新增节点m与源节点进行通信获取ID；

S10、新增节点m与自身的邻居节点进行通信，找出新增节点m的子节点，并获取新增节点的子节点的路由表；

S11、新增节点获得子节点的路由表，通过路径性能评价函数计算得到与低压开关柜无线通信网络中其余节点通信的最优路径，并将其加入新增节点自身的路由表中；

S12、将整个低压开关柜无线通信网络中所有节点进行通信的最优路由矩阵保存至源节点的数据栈中。

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