CN115529647A - 一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法。本发明涉及的负载均衡路由选择算法通过路径中节点之间的接收信号强度，来计算不同通信路径的通信质量，选择通信质量最高的消息传播线路为通信路径，并留有后备路径。同时在建立路径时考虑了节点的使用状况，避免单个节点被过度利用。本发明针对医院病房区的工作环境设计了B(balanced)‑AOMDV智能路由算法，在保证数据的稳定性和包抵达率的前提下，建立多条传输路径，确保数据包尽可能地抵达目标节点。本发明综合考虑了节点面对的传输压力和所处的网络位置，在保障各个终端节点正常通信的前提下，优化冗余的链路,分摊处于核心位置的节点的传输压力与能量消耗，延长网络寿命。

Description

一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法。
背景技术
部分长时间运转的医疗设备出于安全因素的考量，需要持续监测其工作期间的状况。为了满足解放人力的需求，此类医疗设备需要搭配一种短距离无线传输装置实现自动上传数据，而蓝牙通信技术因为有着极低的工作功耗，延长了电池供电设备的使用寿命，十分符合此类端到端短距离无线通信的需求。低功耗蓝BLE(Bluetooth Low Energy)MESH技术的出现进一步弥补了传统蓝牙设备传输距离短、只能点对点通信的缺陷，为智能监控领域提供了一种低功耗、低成本的解决方案。但现有的传统路由选择算法在环境的通信质量较差时表现较差，需要根据运用场景进行具体的优化与改良。
常用的传统MESH路由协议包含有泛洪(Flooding)算法和基于最短路径跳数的AOMDV(Adhoc On-demand Multipath Distance Vector)选择算法。在泛洪算法中，数据包被源节点广播后会无条件的在网络中被其他节点转发，此种传输方式会快速消耗整个网络的能量，降低系统的使用寿命，同时产生数据拥塞，增加数据的时延，无法保证数据包的抵达率。而基于最短路径跳数的AOMDV(Adhoc On-demandMultipath Distance Vector)选择算法会在组网后将源节点抵达目标节点的跳数最短的路径作为传输路径，此类算法虽然可以保证整个网络的总能耗最低，但会快速消耗处于网络核心位置的部分节点的能量，当这些节点停止工作后网络也会瘫痪。同时此算法选择方法过于单一，当网络的中间节点出现变动导致链路断开后，无法第一时间形成新的路径，增大了丢包率和传输时延。
发明内容
针对上述技术所存在的问题，本发明提出了一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，包括以下步骤：
步骤1、处于网络中的各个节点依照洪泛算法自由广播消息，发现邻近设备；
步骤2、目标节点接收链路信息，根据一定时间后是否有新增链路，计算各节点链路质量；
步骤3、分析计算源自同一节点的链路数量是否大于2；当链路数量小于2时，无视链路质量，将该链路信息录入路由表；当链路数量大于2时，继续下一步且在保证每个源节点有两条链路的前提下，删除链路质量过低的信道；
步骤4、分析源自同一节点的链路数量是否大于或等于2；当链路数量等于2时，将链路信息录入路由表；当链路数量大于2时，统计各个节点在链路中充当中继节点的频次，删除充当中继节点频次最多的节点所涉及的链路，直至链路数为2条，将保留的链路信息组成路由表。
步骤5、目标节点将编成的路由表广播到整个网络，完成组网；
步骤6、网络中的节点将按照路由表信息有选择性地转发消息。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述步骤3中，分析计算的具体步骤包括：
步骤3.1、设NQI在数值上等于RSSI值，NQI的最大值与最小值分别为NQImax＝-50dBm与NQImin＝-70dBm，节点间的路径质量值LQIij为：
Figure BDA0003869509230000021
步骤3.2、若NQIij＜NQImin则该条路径不会被选作Mesh网中的路径；
步骤3.3、从源节点0经由1、2、3、……、i-1中间节点到目标节点j之间整条路径总路径质量LQI0，j为路径中两两节点间路径质量值相加：
Figure BDA0003869509230000022
步骤3.4、Ej为第j个节点的电池剩余电量百分比：
Figure BDA0003869509230000023
N为此条链路上节点的数量路径综合性能指标TLQI为
Figure BDA0003869509230000024
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述步骤3中，删除链路质量过低的信道，但同时保证每个源节点至少有对应的5条链路的路径信息作为备选路径。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述步骤4中，当链路质量大于2时，目标节点统计剩余的各条路径中，中间节点的出现次数，保留两条发自同一源节点的路径信息，删除出现频次最高的节点所在链路的路径信息，直到所有路径均被删除优化或编入路由表。
本发明所述的一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明涉及的负载均衡路由选择算法通过路径中节点之间的接收信号强度，来计算不同通信路径的通信质量，选择通信质量最高的消息传播线路为通信路径，同时在建立路径时考虑了节点的使用状况，避免单个节点被过度利用。
(2)本发明针对医院病房区的工作环境设计了B(balanced)-AOMDV智能路由算法，为保证数据的稳定性和包抵达率的前提下，建立多条传输路径，确保数据包尽可能地抵达目标节点。
(3)本发明综合考虑了节点面对的传输压力和所处的网络位置，在保障各个终端节点正常通信的前提下，优化冗余的链路，分摊处于核心位置的节点的传输压力与能量消耗，延长网络寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法示意图；
图2是本发明实施例的洪泛算法、多径路由选择算法和负载均衡路由选择算法丢包率比较示意图；
图3是本发明实施例的洪泛算法、多径路由选择算法和负载均衡路由选择算法时延比较示意图；
图4是本发明实施例的洪泛算法、多径路由选择算法和负载均衡路由选择算法能量消耗比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1所示，一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，包括以下步骤：
步骤1、处于网络中的各个节点依照洪泛算法自由广播消息，发现邻近设备；
步骤2、目标节点接收链路信息，根据一定时间后是否有新增链路，计算各节点链路质量；
步骤3、分析计算源自同一节点的链路数量是否大于2；当链路数量小于2时，无视链路质量，将该链路信息录入路由表；当链路数量大于2时，继续下一步且在保证每个源节点有两条链路的前提下，删除链路质量过低的信道；
步骤4、分析源自同一节点的链路数量是否大于或等于2；当链路数量等于2时，将链路信息录入路由表；当链路数量大于2时，统计各个节点在链路中充当中继节点的频次，删除充当中继节点频次最多的节点所涉及的链路，直至链路数为2条，将保留的链路信息组成路由表。
步骤5、目标节点将编成的路由表广播到整个网络，完成组网；
步骤6、网络中的节点将按照路由表信息有选择性地转发消息。
步骤3中，分析计算的具体步骤包括：
步骤3.1、设NQI在数值上等于RSSI值，NQI的最大值与最小值分别为NQImax＝-50dBm与NQImin＝-70dBm，节点间的路径质量值LQIij为：
Figure BDA0003869509230000031
步骤3.2、若NQIij＜NQImin则该条路径不会被选作Mesh网中的路径；
步骤3.3、从源节点0经由1、2、3、……、i-1中间节点到目标节点j之间整条路径总路径质量LQI0，j为路径中两两节点间路径质量值相加：
Figure BDA0003869509230000032
步骤3.4、Ej为第j个节点的电池剩余电量百分比：
Figure BDA0003869509230000033
N为此条链路上节点的数量路径综合性能指标TLQI为
Figure BDA0003869509230000034
步骤3中，删除链路质量过低的信道，但同时保证每个源节点至少有对应的5条链路的路径信息作为备选路径。
步骤4中，当链路质量大于2时，目标节点统计剩余的各条路径中，中间节点的出现次数，保留两条发自同一源节点的路径信息，删除出现频次最高的节点所在链路的路径信息，直到所有路径均被删除优化或编入路由表。
以Matlab进行模拟仿真，在两间40m×30m的楼层中布置50个初始电量均为100J的终端发送模拟数据组成无线网络。
丢包率：如附图2，在发包间隔大于0.35s的情况下，洪泛算法、多径路由选择算法和负载均衡路由选择算法之间的丢包率均没有超过10％。当发包速率的增长，洪泛算法的丢包率会显著提升，在发包间隔大于0.2s的情况下，B-AOMDV算法与AOMDV算法的丢包率相近。当发包速率在0.05s至0.2s的区间内，负载均衡路由选择算法的丢包率低于多径路由选择算法。
传输时延：如附图3，在发包间隔大于0.2s的时，三种算法的传输时延相似，保持在0.3s以下。当发包间隔小于0.2s时三种算法的传输时延陡增，负载均衡路由选择算法存在备选路径，相比于多径路由选择算法，数据包可以借助排队状况不严重的备选路径发送，相对传输时延较低。运用洪泛算法的网络同样复数的传输链路，但由此算法产生的过多数据包导致传输时延最高。
能量消耗：如附图4，洪泛算法在三种算法中的能量消耗最高。负载均衡路由选择算法会平衡途径节点的路径数量，分摊网络中心位置节点的压力。相比于多径路由选择算法，负载均衡路由选择算法下的路径避免过度占用同一节点，故核心节点能量消耗速度更慢，在平均能量消耗速度相近的前提下，整个网络的寿命有所提升。
本发明提出的一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，可利用在基于低功耗蓝牙通信的ESP32开发板上，以通过电池供电的ESP32开发板作为通信终端，依照算法的组网原则组建无线网络。网络中的终端会依照算法原则，有条件地对消息进行转发。在网络中存在一个中继节点，中继节点负责用于接收其他全部终端设备的消息，并根据接收到的路径信息组建路由表，中继节点将接收到的消息统一上传至服务器，完成对消息的收集与整理。由于低功耗蓝牙设备的通信距离一般小于10米，所以此类短距离无线通信网络适合用于在建筑物内传递消息，消息借助中间节点的转发，可以回避墙壁对信号的阻挡。比如部分长时间运转的医疗设备出于安全因素的考量，需要持续监测其工作期间的状况。为了解放人力，此类医疗设备需要能够自动上传数据，而使用了负载均衡路由选择协议的低功耗蓝牙通信设备，相比于洪泛算法与多径路由选择算法，有着更低的能量功耗和丢包率。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、处于网络中的各个节点依照洪泛算法自由广播消息，发现邻近设备；
步骤2、目标节点接收链路信息，根据一定时间后是否有新增链路，计算各节点链路质量；
步骤3、分析计算源自同一节点的链路数量是否大于2；当链路数量小于2时，无视链路数量，将该链路信息录入路由表；当链路数量大于2时，继续下一步且在保证每个源节点有两条链路的前提下，删除链路质量过低的信道；
步骤4、分析源自同一节点的链路数量是否大于或等于2；当链路数量等于2时，将链路信息录入路由表；当链路数量大于2时，统计各个节点在链路中充当中继节点的频次，删除充当中继节点频次最多的节点所涉及的链路，直至链路数为2条，将保留的链路信息组成路由表。
步骤5、目标节点将编成的路由表广播到整个网络，完成组网；
步骤6、网络中的节点将按照路由表信息有选择性地转发消息。
2.根据权利要求1所述的一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，其特征在于，所述步骤3中，分析计算的具体步骤包括：
步骤3.1、设节点通信质量NQI在数值上等于RSSI值，NQI的最大值与最小值分别为NQImax＝-50dBm与NQImin＝-70dBm，节点间的路径质量值LQIij为：
Figure FDA0003869509220000011
步骤3.2、若NQIij<NQImin则该条路径不会被选作Mesh网中的路径；
步骤3.3、从源节点0经由1、2、3、……、i-1中间节点到目标节点j之间整条路径总路径质量LQI0,j为路径中两两节点间路径质量值相加：
Figure FDA0003869509220000012
步骤3.4、Ej为第j个节点的电池剩余电量百分比，N为此条链路上节点的数量：
Figure FDA0003869509220000013
路径综合性能指标TLQI为
Figure FDA0003869509220000014
3.根据权利要求1所述的一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，其特征在于，所述步骤3中，删除链路质量过低的信道，但同时保证每个源节点至少有对应的5条链路的路径信息作为备选路径。
4.根据权利要求1所述的一种基于路径质量的负载均衡路由选择算法，其特征在于，所述步骤4中，当链路数量大于2时，目标节点统计剩余的各条路径中，中间节点的出现次数，保留两条发自同一源节点的路径信息，删除出现频次最高的节点所在链路的路径信息，直到所有路径均被删除优化或编入路由表。
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