CN114743367B - 一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法 - Google Patents

一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法 Download PDF

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Abstract

一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，属于通讯技术领域，基于低压抄表系统来实现，本方法包括组网步骤和通信步骤。通信步骤包括：1）设定集中器为起始点；2）计算所有未组网的用户电表与起始点的关联度和平均关联度；3）将关联度大于平均关联度的用户电表组建成一个以起始点为汇总节点的局域网；4）选定已组建的局域网中不是汇总节点的用户电表作为起始点；5）重复步骤2)‑4)，直至未组网用户电的数量小于总量的P%；6）将剩余未组网用户电表并入最后一次组建的局域网。本方法快速准确的实现自组网，降低报文的丢失率、等待时延，提高微功率传输效率，保证数据传输的稳定可靠性。

Description

一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法
技术领域
本发明属于通讯技术领域，具体涉及基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法。
背景技术
微功率无线网络通信技术具有功率小、组建成本低的优势，在信息通信技术领域中发展最快、应用最广。目前，传统无线蜂窝通信网络，需要固定网络设备（如基地站）的支持，进行数据的转发和用户服务控制；在实际使用中，传统无线蜂窝通信网络由于固定网络设备的地理局限性，容易受到外界干扰，存在组网效率慢、报文丢失和时延现象，通信稳定可靠性不高的特点。
针对上述问题，急需一种组网效率和抗压性高、本地通信网数据传输的稳定可靠性的通信方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，通过改进算法可以快速准确的自组网，且提高了抗压性，降低了报文的丢失率和等待时延，大大提高了微功率传输效率，进一步保证了本地通信网数据传输的稳定可靠性。
本发明的算法原理是：集中器获取主站服务器的组网命令，再向用户电表组下发组网指令，其组网思路为：首先定义组网起始点即集中器，然后计算各个用户电表相对于起始点的关联度，再选取大于平均关联度的用户电表组成局域网；再选择已组建的局域网中不是汇总节点的用户电表分别作为预选起始点，然后计算未组网的用户电表相对于预选起始点的关联度，选择与未组网用户电表平均关联度最大的预选起始点作为下级局域网的汇总节点，将与该起始点的关联度大于平均关联度的未组网用户电表，组建成以该起始点作为汇总节点的局域网；直至未组网的用户电表小于总用户电表数量的P%，将未组网的用户电表与最近组建的局域网合并并结束算法；将所有组网起始点依次逐级连接管理，形成多个局域网逐级管理的网络架构。
本发明采用的技术方案是：一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，基于低压抄表系统来实现，所所述低压抄表系统包括主站服务器、集中器、用户电表组，集中器借助串口通信模块与主站服务器进行数据交互，集中器和用户电表之间借助微功率无线通讯模块进行数据交互，所述无线网络通信方法包括以下步骤：
1）组网步骤；
2）通信步骤；
所述组网步骤包括：
1.1）所有用户电表设定为未组网状态；设定集中器为起始点，
1.2）计算所有未组网的用户电表与起始点的关联度和平均关联度，
1.3）将关联度大于平均关联度的用户电表组建成一个以起始点为汇总节点的局域网，
1.4）选定已组建的局域网中不是汇总节点的用户电表作为起始点；
1.5）重复步骤1.2)-1.4)，直至未组网用户电的数量小于总量的P%；
1.6）将剩余未组网用户电表并入最近组建的局域网；
所述通信步骤包括：
2.1）信息下发：集中器下发信息，用户电表接收信息；如果用户电表为汇总节点，继续下发收到的信息；
2.2）信息上传：用户电表上传信息至其所在局域网的汇总节点；如果汇总节点为用户电表，汇总节点收到信息后上传至其上级汇总节点，直至集中器。
采用本发明产生的有益效果：本发明的算法可以快速准确的自组网且选出通信良好的汇总节点即各个局域网的组网起始点，构成多个局域网管理的网络架构；每个局域网内的用户电表与汇总节点的通信质量好，报文的丢失率和等待时延很低；逐级连接的汇总节点按照连接顺序相互之间通信质量好，使得局域网之间的报文的丢失率和等待时延也很低，进而提高了全网数据传输效率、稳定可靠性和抗压性。
附图说明
图1是低压抄表系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的用户电表分布图；
图3是本发明实施例一形成的网络架构图；
图4是本发明实施例二形成的网络架构图；
图5是本发明的算法与传统泛洪算法丢包率对比示意图。
具体实施方式
参看附图1-2，本发明低压电力抄表系统主要有集中器、用户电表、主站服务器组成,集中器用于用户电表组和主站服务器之间数据交互。集中器和用户电表设有微功率无线通讯模块，集中器通过串口模块与主站服务器进行交互。
所述无线网络通信方法包括以下步骤：
1）组网步骤；
2）通信步骤；
所述组网步骤包括：
1.1）所有用户电表设定为未组网状态；设定集中器为起始点，
1.2）计算所有未组网的用户电表与起始点的关联度和平均关联度，
1.3）将关联度大于平均关联度的用户电表组建成一个以起始点为汇总节点的局域网，
1.4）选定已组建的局域网中不是汇总节点的用户作为起始点；
1.5）重复步骤1.2)-1.4)，直至未组网的电表数量小于总量的P%；
1.6）将剩余未组网的用户电表并入最近组建的局域网；
所述通信步骤包括：
2.1）信息下发：集中器下发信息，用户电表接收信息；如果用户电表为汇总节点，继续下发收到的信息；
2.2）信息上传：用户电表上传信息至其所在局域网的汇总节点；如果汇总节点为用户电表，汇总节点收到信息后上传至其上级汇总节点，直至集中器。
所述P%的取值范围在4-6%内。
在作为汇总节点的用户电表位置增设集中器，增设的集中器替代用户电表作为局域网的汇总节点，所述用户电表从局域网中剔除。
在实际应用中，用户电表的通信能力有可能受限，完成不了汇总节点的功能。为解决这个问题，本发明在已选定作为汇总节点的用户电表位置增设集中器，增设的集中器替代用户电表作为局域网的汇总节点，网络中其它的节点不变，作为原汇总节点的用户电表从该网络中剔除。由于位置基本相同，原网络中的通信质量可以保持不变。
增设的集中器通过串口与主站服务器通信，通信方式可以为有线（如光纤、HPLC）或无线（如4G、5G），这样就形成了多个并列的网络，各网络的集中器（汇总节点）直接与主站服务器通信，减少逐级通信的延时。
将上述微功率无线网络通信方法中组网步骤具体化，其方法步骤为：
步骤A、 将所有用户电表设定为未组网状态，计算:
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为第t个用户电表的位置值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为第t个用户电表的相对位置值，t=0时，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
是集中器的相对位置值；
a和b取值范围在0-10内；M表示用户电表的最大数目；
设置集中器为起始点；
步骤B、 计算未组网的用户电表与起始点的关联度和平均关联度；
其中，关联度公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
，
平均关联度公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
；
其中：m和n分别表示权重，m和n的取值在0-1之间且满足m+n=1；ε取值范围为0＜ε≤10；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
取值范围为0＜
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
≤1；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
表示起始点和用户电表j之间的丢包率；s是未组网的用户电表数量；
步骤C、将关联度大于平均关联度的未组网的用户电表，以起始点作为汇总节点组建局域网；
步骤D、将最近组建的局域网中不是汇总节点的用户电表作为预选起始点，对预选起始点和未组网的用户电表重新赋位置值、计算相对位置值，然后按照步骤B的方法计算预选起始点与未组网用户电表的关联度和平均关联度；
步骤E、根据步骤D的结果，选择与未组网用户电表之间平均关联度最大的预选起始点作为汇总节点；
步骤F、选择与步骤E中选择的汇总节点的关联度大于未组网的用户电表与该汇总节点平均关联度的未组网用户电表，与该汇总节点组建成局域网；
步骤G、重复步骤D、E和F，直至未组网用户电表的数量小于总量的P%，将剩余未组网用户电表并入最近组建的局域网；
步骤H、如果将用户电表作为汇总节点，则将各个汇总节点逐级连接管理，形成多个局域网逐级管理的网络架构。
所述步骤D中重新赋位置值的公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
，
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
代表第r个用户电表新的位置值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
代表上一个起始点的位置值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
代表第r个用户电表计算上一个汇总节点时的位置值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
表示上一个汇总节点和用户电表r之间计算上一个汇总节点时的关联度；β取值范围在0-1内；w取值范围为0<w<1。
在实际使用时，从集中器发出对各用户电表的命令，通过本发明的算法一步一步确定局域网，直至选出所有汇总节点即组网起始点，将各个组网起始点依次逐级连接管理，形成多个局域网逐级管理的网络架构。
针对实际情况给出模拟实例一；实例中有50台用户电表，通过算法实现用户电表自动组网技术，并给出最优管理节点和规划路径，效果图如图2和3以及具体步骤为：
第一步：选定0号集中器作为第一个起始点，按用户电表的编号1-50进行物理位置的编码赋位置值，然后采用表达函数
Figure 854611DEST_PATH_IMAGE008
来定义用户电表位置的相对位置值。
编码赋位置值的原则:以相对于起始点物理距离的远近，由小到大进行赋值。
第二步：计算各个用户电表与组网起始点的关联度和平均关联度，计算结果如下：
1-19号用户电表、25号用户电表的关联度大于平均关联度，将上述用户电表组成局域网，集中器作为该网的管理节点。
第三步：选择1-19号用户电表、25号用户电表分别作为起始点，对未组网的用户电表进行重新编码赋值，然后计算未组网的用户电表与起始点之间的关联度和平均关联度；
第四步：第三步中25号用户电表所组建的局域网的平均关联度最大，形成25号用户电表作为起始点，管理20-24号用户电表、26-28号用户电表、30-34号用户电表、42号用户电表的局域网；
第五步：参照步骤三和四，形成42号用户电表作为起始点，管理35-41号用户电表、43-48号用户电表的局域网；
第六步：由于未组网的用户电表占总用户电表的数量4%，在算法结束条件的判定阈值内，将49和50号用户电表，合并到35-41号用户电表和43-48号用户电表组成的局域网中；
第八步：将0号集中器、25号用户电表和42号用户电表一次逐级连接，作为多个局域网架构的逐级管理节点。
汇总节点在实施例一中分属两个局域网，即是汇总节点的两个功能分属两个局域网；一个功能是原有的用户电表的数据上传功能，属于上一级局域网；另一个功能是数据中继汇总功能，属于下级局域网。
将上述实施例做进一步改进，形成实施例二，具体措施为：在0号集中器、25号用户电表和42号用户电表位置旁边设置集中器，由集中器对网内用户电表进行管理，集中器直接与主站服务器通信，网络架构图如图4所示。
汇总节点在实施例二中属于单一的局域网，只有数据中继汇总功能；实施例二的网络架构可以降低用户电表功能配置，用户电表只具有数据上传功能，这种设置降低了网络建设成本。
附图5是传统泛洪算法和本发明算法的丢包率对比，通过对比图中的曲线，可以得出本发明算法具有更低的丢包率。
经过多方面对比可以得出本发明算法比传统泛洪算法收敛速度更快，提高传输数据效率、质量，进一步保证通信技术的稳定可靠性。

Claims (4)

1.一种基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，基于低压抄表系统来实现，所述低压抄表系统包括主站服务器、集中器、用户电表组，集中器借助串口通信模块与主站服务器进行数据交互，集中器和用户电表之间借助微功率无线通讯模块进行数据交互，其特征在于所述无线网络通信方法包括以下步骤：
1）组网步骤；
2）通信步骤；
所述组网步骤包括：
1.1）所有用户电表设定为未组网状态，设定集中器为起始点；
1.2）计算所有未组网的用户电表与起始点的关联度和平均关联度；
1.3）将关联度大于平均关联度的用户电表组建成一个以起始点为汇总节点的局域网；
1.4）选定已组建的局域网中不是汇总节点的用户电表作为起始点；
1.5）重复步骤1.2)-1.4)，直至未组网用户电的数量小于总量的P%；
1.6）将剩余未组网用户电表并入最后一次组建的局域网；
所述通信步骤包括：
2.1）信息下发：集中器下发信息，用户电表接收信息；如果用户电表为汇总节点，继续下发收到的信息；
2.2）信息上传：用户电表上传信息至其所在局域网的汇总节点；如果汇总节点为用户电表，汇总节点收到信息后上传至其上级汇总节点，直至集中器；
所述组网步骤使用生物裂变算法，包括：
步骤A、 将所有用户电表设定为未组网状态，计算:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为第t个用户电表的位置值；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为第t个用户电表的相对位置值，t=0时，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是集中器的相对位置值；
a和b取值范围在0-10内；M表示用户电表的最大数目；
设置集中器为起始点；
步骤B、 计算未组网的用户电表与起始点的关联度和平均关联度；
其中，关联度公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
平均关联度公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
其中：m和n分别表示权重，m和n的取值在0-1之间且满足m+n=1；ε取值范围为0＜ε≤10；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
取值范围为0＜
Figure DEST_PATH_IMAGE020
≤1；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示起始点和用户电表j之间的丢包率；s是未组网的用户电表数量；
步骤C、将关联度大于平均关联度的未组网的用户电表，以起始点作为汇总节点组建局域网；
步骤D、将最近组建的局域网中不是汇总节点的用户电表作为预选起始点，对预选起始点和未组网的用户电表重新赋位置值、计算相对位置值，然后按照步骤B的方法计算预选起始点与未组网用户电表的关联度和平均关联度；
步骤E、根据步骤D的结果，选择与未组网用户电表之间平均关联度最大的预选起始点作为汇总节点；
步骤F、选择与步骤E中选择的汇总节点的关联度大于未组网的用户电表与该汇总节点平均关联度的未组网用户电表，与该汇总节点组建成局域网；
步骤G、重复步骤D、E和F，直至未组网用户电表的数量小于总量的P%，将剩余未组网用户电表并入最近组建的局域网；
步骤H、如果将用户电表作为汇总节点，则将各个汇总节点逐级连接管理，形成多个局域网逐级管理的网络架构；
所述步骤D中重新赋位置值的公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
代表第r个用户电表新的位置值，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
代表上一个起始点的位置值，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
代表第r个用户电表计算上一个汇总节点时的位置值，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示上一个汇总节点和用户电表r之间计算上一个汇总节点时的关联度；β取值范围在0-1内；w取值范围为0<w<1。
2.根据权利要求1所述基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，其特征在于所述P%的取值范围在4-6%内。
3.根据权利要求1所述基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，其特征在于在作为汇总节点的用户电表位置增设集中器，增设的集中器替代用户电表作为局域网的汇总节点，所述用户电表从局域网中剔除。
4.根据权利要求1所述基于生物裂变算法的微功率无线网络通信方法，其特征在于用户电表的位置值以用户电表相对于起始点物理距离的远近，由小到大进行赋值。
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