一种用于三表无线集抄的阶梯式自组网路由建立方法

摘要

本发明涉及一种用于三表无线集抄的阶梯式自组网路由建立方法，包括建立发起和响应传输两个过程。建立发起时，通过根节点发起建立请求。通过功率控制和监测机制选出上级节点，迅速建立单向路由。通过逐跳同步的阶梯式路由建立过程和特征码的方法，使联网节点不再参与建立，避免路由环路。单向路由建立后，进入响应传输阶段。通过功率控制机制使下级节点的通信覆盖范围远大于上级节点，保证了在没有握手的情况下，通畅的双向链路。数据传输过程中，通过上级节点轮换的方式，均衡整体网络的能耗。本发明在网络负载较轻、拓扑结构变化频率较低的情况下，能快速、节能地完成路由建立和数据传输，适用于三表无线集抄系统。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种用于三表（电表、水表、燃气表）无线集抄的阶梯式自组网路由建立方法。 

背景技术

无线自组网是由一组具有路由功能的节点组成的分布式无线多跳网络。它的节点传输范围有限，源节点在向目的节点发送数据时，通常需要其它节点提供寻径和中继功能。网络中所有节点和节点间的无线信道构成了网络的通信拓扑结构。节点的增加、删除所带来的拓扑结构变化，会造成通信转发的路径发生变化。所以无线自组网需要用动态路由算法来适应拓扑结构的变化，调整路由。

根据路由建立的方式不同，自组网路由可以分为主动式路由、按需路由和混合路由。

主动式路由又称为表驱动路由，网络中的每个节点都周期性地进行路由分组广播，以维护一张包含到达其他所有节点的路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，以实时准确地反映网络的拓扑结构。主动式路由的优势在于目的节点的路由信息存在时，数据分组传输过程就可以立即开始，延时很小；劣势在于需要大量的路由控制报文，协议开销较大。常用的表驱动路由如下：DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector Routing，目的距离矢量路由)、FSR(Fisheye Routing，鱼眼状态路由)、OLSR(Optimized Link State Routing,优化链路状态路由)等。 

按需路由中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当有数据分组传输需求时才查找路由信息。与主动驱动路由相比，按需路由的开销小。但是数据报文传送时延较大，不适合于网络规模较大的应用。常用的按需路由如下：AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，按需距离矢量路由)、DSR(Dynamic Source Routing，动态源路由)、TORA(Temporally Ordered Routing，临时按序路由)等。

混合型路由是对主动式路由和按需路由的综合。这种路由在小范围局部区域内采用主动式路由，而在区域外节点的路由查找则采用按需路由。这样就避免了主动式路由中控制开销过大问题和按需路由中的长时延问题，常见的层次路由协议包括：ZRP(Zone Routing，区域路由)、CEDAR(Core Extraction Distributed Ad Hoc Routing，核心提取的分布自组织路由)等。

自组网路由设计需要考虑用户需求、网络能力、自组网特点和运行环境等多种因素，针对不同的实际应用需设计采用相适应的协议。

在三表（水表、电表、燃气表）无线集抄的应用中，网络的主要功能是做单向的数据汇集，通信周期间隔较长。其网络拓扑结构变化频率低，一般只有在节点增加、删除时，才会发生网络拓扑结构变化。同时，其节点一般由电池供电，能量有限；节点的更换周期同表具的更换周期，一般为5-8年。传统路由过多的协议开销和频繁的路由维护，会造成过多的无用能量损耗，缩短网络的使用寿命。对固定中继节点的依赖会造成个别节点的能耗加速。传统的主动式路由、按需路由和混合路由都不适用于三表无线集抄的场合。所以，需在拓扑结构变化频率低、以单向数据汇聚为主的网络环境下，针对三表无线集抄网络能耗低、整体能耗均衡的需求设计相适应的路由建立方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是针对应用于三表无线集抄的自组织网络，设计一种用于三表无线集抄的阶梯式自组网路由建立方法。采用本发明的方法，可以在拓扑结构变化频率低、以单向数据汇聚为主的无线多跳网络环境中提供快速的路由建立，并且路由算法开销少、整体网络能耗均衡，能使网络寿命持久。

为方便描述本发明方案，首先相关术语定义如下：

根节点：单个树形路由的最高级节点，只有下级节点，没有上级节点，根节点的物理结构与其他节点一样；

联网节点：已经加入到树形路由的节点；

孤立节点：未加入到树形路由的节点；

路由发起节点：在单次路由建立过程中，发起路由建立请求的节点；

路由特征码：用以区分不同路由建立过程的特征码；

第一上级节点：优先级最高的上级节点，每个联网节点在同一时刻只有一个第一上级节点；

第二上级节点：优先级第二的上级节点，每个联网节点在同一时刻只有一个第二上级节点；

跳数：数据包到达根节点所需要转发的次数；

上行路径：由下级节点指向上级节点的链路；

下行路径：由上级节点指向下级节点的链路。

阶梯式路由建立过程：在同一路由建立过程中，同一跳数的节点在同一时间排程中建立路由。下一跳节点紧接着上一跳节点路由建立的时间排程后开始路由建立。由此，在时间排程和拓扑结构上形成阶梯排布式的路由建立过程。

根据上述构思，本发明采用以下技术方案：

一种用于三表无线集抄的阶梯式自组网路由建立方法，节点通过功率控制机制建立网络路由，它包含了路由建立发起和路由响应传输两个过程。

路由建立发起的步骤：

S1-1 初始化：对所有节点进行编码，要求每个节点拥有一个独立节点地址和侦听限制时间，节点编码可手动指定或自动选择；根节点编码独立设置，并需额外设定路由发起间隔周期和侦听限制时间；

S1-2 路由发起间隔周期满后，根节点生成路由特征码并发起路由建立。特征码表可以预先存储或者自动生成；

S1-3 路由建立发起时，由路由发起节点发起路由请求RREQ（Route Request，路由请求信息，最初的路由发起节点为根节点），发送功率为无线通信模块最大功率的一半；

S1-4 路由发起节点发起路由请求后，开始侦听信道，直到超过侦听限制时间；

S1-5 接收到RREQ的节点，读取RREQ中的路由特征码、跳数及地址；

S1-6 如果路由特征码和本节点存储的路由特征码相同，节点继续侦听，并记录下侦听到的RREQ包中跳数比本节点跳数小1的节点地址和对应的接收功率；

S1-7 如果路由特征码和本节点中存储的路由特征码不同，节点将RREQ中的路由特征码作为本节点新的路由特征码，并将节点的跳数置为N+1（N为接收到的RREQ中的节点跳数）；

S1-8 更新路由特征码的节点，将持续侦听RREQ包，并记录下RREQ中的跳数比本节点跳数小1节点地址和对应的接收功率；

S1-9 超过侦听限制时间后，如果记录中有一个以上节点记录，选取接收功率最大的两个节点，将接收功率最大的作为第一上级节点，其次的为第二上级节点；如果记录中只有一个节点记录，将其作为第一上级节点和第二上级节点；

S1-10 如果选取的第一上级节点地址和路由表中原来的第一上级节点相同，那么将选取的第二上级节点作为第一上级节点放在路由表中；

S1-11 如果路由表中没有上级节点或者和第一上级节点地址不同，那么直接更新路由表；

S1-12 上级节点选取后的节点，开始路由响应传输过程；

S1-13 节点在路由响应传输过程结束后，重复S1-2~ S1-11将所有的孤立节点阶梯排布式地加入到网络中。

本路由建立方法为按需路由。在实际应用中，通过根节点发起路由建立请求。通过功率控制和功率监测的方法选出上级节点，迅速建立单向路由。通过逐跳同步的阶梯式路由建立和路由特征码的方法，使联网节点不再参与路由建立，避免了路由环路。

单向路由建立后，网络开始将三表数据汇聚传输。通过功率控制机制，在路由算法开销小的情况下来避免单向链路问题。

路由响应传输的具体步骤如下：

S2-1 节点在S1-11结束后，持续侦听，期间如接收到Data-Ack（Data Acknowledgement，数据确认信息）数据包，或者在S1-4后接收到Data-Ack包，并且其中的路由特征码和本节点的路由特征码相同，则将Data-Ack数据包中的下跳节点地址刷新为本节点的第一上级节点，以最大发送功率转发给本节点的第一上级节点；

S2-2 节点在做单次数据包转发后，将路由表中的第一上级几点和第二上级节点互换，并继续侦听；

S2-3 节点如没有侦听到Data-Ack数据包，则继续侦听；

S2-4 超过侦听限制时间后，节点将自己的采集数据打包成Data-Ack数据包，并以最大发送功率向第一上级节点发送。

在单向路由的基础上，通过功率控制机制来避免单向链路的发生。因为节点收发模块的发送功率和通信覆盖范围的指数倍成正比，发送功率越大，通信的有效覆盖范围越大。而在三表无线集抄的应用中，所有节点的物理结构相同、无线收发模块规格统一。在相同功率下，不同节点的通信覆盖范围基本相同。在单向路由建立时，RREQ数据包沿下行路径以收发模块最大发送功率的一半发送，而路由响应传输数据时，Data-Ack数据包沿上行路径以收发模块的最大功率传输。这样，下级节点的可靠通信范围远大于上级节点的通信范围。在三表无线集抄的应用中，节点在数据通信时基本不移动。这样，通过上述机制，就保证了链路双向通信的畅通。

节点在做数据包的转发时，通过上级节点的轮换机制，平均分摊了在一次路由数据传输过程中，对个别节点的集中能量消耗。在下一次的路由建立中，节点通过功率选择机制重新选取上级节点，避免了对个别节点通信转发的依赖，均衡了网络的整体能耗。

本发明的路由方法具有以下特点：

1）一种分布式路由算法。每个联网节点只知道到自己上级节点的路由，到根节点的路由则由上级节点解决。

2）具有一定自适应能力。能够适应网络拓扑结构变化频率较低的场合，通过快速的按需路由建立来适应网络的变化。

3）可避免路由环路。网络按照节点跳数分批建立树型拓扑。通过路由特征码区分联网节点和孤立节点。在单次路由建立中，已经联网的节点不再参与拓扑的建立，避免了路由环路。

4）可避免单向链路。通过功率控制机制使下级节点的通信覆盖范围远大于上级通信节点，保证了在没有握手的情况下，双向链路通信的通畅。

5）路由算法开销较少。在网络建立时，只需广播RREQ数据包。无需在握手上做额外开销，也无需广播交换路由表等无用信息。

6）网络能量消耗均衡。在单次路由建立后的数据传输中，交替轮换使用上级节点。在新一轮的路由建立中，根据接收功率重新选择上级节点。这样，就在整个网络中平坦了数据转发的能耗。

7）适用于三表无线集抄系统。可适应三表增加、删除所造成的网络拓扑变化情况。同时，网络的能耗低、整体能耗均衡，可适应三表更换周期长的应用需求。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

在三表无线集抄的应用中，本方法效率高、能耗低、易于实现。在低路由开销的情况下，能快速建立路由，同时避免路由环路和单向链。在数据传输过程中，通过上级节点轮换更新的方式，路由开销少，均衡了整体网络的能耗。在网络负载较轻、拓扑结构变化频率较低的情况下，能快速、节能地完成路由建立和数据传输，适用于三表无线集抄系统。

附图说明

图1为无线自组网节点间形成的一种树形逻辑拓扑结构；

图2为根节点的路由建立发起的流程图；

图3为普通节点的路由建立发起的流程图；

图4为普通节点的路由响应传输的流程图；

图5为用于路由建立的各种数据包结构。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

如图1到图5所示，在三表无线集抄系统中，自组网可采用本发明的路由方法。

首先，将要数据采集的区域按面积或位置划分成若干个小区，每个小区放置1个根节点，根节点间通过有线或无线方式组网，接入后台监控主机，或者通过手工采集后出给后台监控主机。在实际应用中，一般将根节点放置在社区楼房的门禁处，普通节点按表具位置放置在楼道、居民家中。

其次，对各个节点进行地址编码和初始路由特征码，对根节点设定路由发起间隔周期和侦听限制时间。节点的地址码包含两部分：小区码和节点编号。小区码用于区分不同小区的节点，同一小区中的节点应该使用相同的小区码。节点编号用以区分同一小区内不同的节点。同一小区中的任意连个节点不能有相同的节点编号。同一小区节点的初始路由特征码应相同。根节点的路由发起间隔周期应和三表数据采集周期相同。在实际应用中，根节点的路由发起间隔周期一般为24小时。根节点的侦听超时时间根据网络规模来定，如果节点数为M，那么侦听超时时间为3xM秒。

在路由建立发起时，根节点通过预置或者自动产生的方式生成一个异于前次路由建立时的路由特征码。如：初始路由特征码为0xFF，新的路由特征码比原来的路由特征码小0x05。当路由特征码自减到0x00时，恢复到0xFF。然后依次循环。

通过本路由方法，网络沿下行路径根据功率控制机制逐跳形成以根节点为中心的单向树形路由。三表数据通过节点采集后，通过Data-Ack包，以无线模块的最大传输功率逐跳上传到根节点。根节点通过手抄机或者网络传输的方式将数据传到监控主机。整个过程没有传统网络中额外的RREP（Route Reply，路由响应信息）、HELLO（路由确认信息）等路由开销，但一样能达到快速建立路由，避免路由环路和单向链路等问题的效果，并且整个网络的能量消耗更加均衡。

与现有无线自组网相比，该方式对硬件要求低，易于实现，网络生存周期长，更适合三表无线集抄的应用环境。