面向無線抄表應(yīng)用的路由算法的研究與仿真

王 欣，周 侗，何健浩

（1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽1100161；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引 言

伴隨著城市化進程的不斷發(fā)展，人們對自動抄表應(yīng)用的呼聲越來越高［1］。目前中國的自動抄表技術(shù)主要為IC卡抄表、電力載波抄表、RS485總線抄表等，但是這些措施各自都有很大的弊端［2］。IC卡抄表因表具直接與用戶接觸，極易造成人為破壞，不能實現(xiàn)在線實時監(jiān)控；電力載波抄表易受電磁干擾，嚴重影響了通信質(zhì)量，線路阻抗特性及衰減問題也制約了信號傳輸距離；RS485總線抄表數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高，但是前期布線困難，后期維護復(fù)雜、成本高。無線抄表技術(shù)具有易于實現(xiàn)、傳輸速率高、成本造價低、易于普及等優(yōu)點，是未來中國公共事業(yè)發(fā)展的必然趨勢［3］。本文在無線抄表系統(tǒng)的框架下，提出了可靠的路由建立和維護算法，有助于實現(xiàn)能源企業(yè)對用戶三表的自動監(jiān)測、計量、管理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照小區(qū)規(guī)模，在多棟樓之間設(shè)置中心節(jié)點，中心節(jié)點的設(shè)計類似于普通節(jié)點，但其計算量、存儲量比普通節(jié)點大，它主要負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)無線節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)和服務(wù)器下達的命令。用戶計量表為單個節(jié)點，采用無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至中心節(jié)點，最后由中心節(jié)點通過GSM、GPRS、3G等無線技術(shù)發(fā)送到管理部門的服務(wù)器，實現(xiàn)能源公司對用戶數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、管理和統(tǒng)計報表等［4］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由3部分組成：

（1）安裝在用戶家中具有感知采集、計算存儲、無線傳輸功能的智能計量表 （無線節(jié)點）；

（2）安裝于多棟樓之間的中心節(jié)點；

（3）服務(wù)器管理系統(tǒng)，一般安裝在能源管理公司。

圖1 無線抄表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用被動抄表方式，中心節(jié)點接收到服務(wù)器管理中心發(fā)來抄表命令后，通知所管轄的節(jié)點將數(shù)據(jù)打包上傳，節(jié)點通過查詢路由表將數(shù)據(jù)沿最優(yōu)路徑上傳至中心節(jié)點，最后轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器管理中心［5］。數(shù)據(jù)通信的可靠性是衡量無線抄表系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)［6］，論文對無線抄表系統(tǒng)中心節(jié)點至用戶計量表節(jié)點之間的下行通信網(wǎng)絡(luò)進行研究，設(shè)計了一種面向無線抄表應(yīng)用的路由算法，通過一定的路由建立和維護機制來保證通信鏈路的可靠性，并對該路由算法進行了建模仿真。

2 路由算法

2.1 路由建立算法

網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點都擁有一張鄰居表［7］，登記一跳范圍內(nèi)的節(jié)點信息，用以路由維護，鄰居表結(jié)構(gòu)如表1所示［8］。

表1 鄰居表結(jié)構(gòu)

（1）路由建立時，中心節(jié)點構(gòu)造路由建立請求報文，報文中包含當(dāng)前節(jié)點距中心節(jié)點的跳數(shù)Node＿length，中心節(jié)點初始化Node＿length＝0，目的地址為全網(wǎng)廣播地址0xFFFFFFFF，將路由建立請求報文注入網(wǎng)絡(luò)；

（2）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點維護著自身的深度屬性iNode＿length，即該節(jié)點距離中心節(jié)點的跳數(shù)，上電初始化為0xff。節(jié)點接收到不同鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)播的路由建立請求報文后，將請求報文中的Node＿length與自身深度屬性值iNode＿length作比較［9］：若Node＿length＋1＜＝iNode＿length，修改自身深度屬性值iNode＿length＝Node＿length＋1，將報文中前一跳節(jié)點加入到鄰居表，設(shè)置Relation＝Parent，并將路由建立請求報文中上一跳地址改為本節(jié)點地址，Node＿length值加1，繼續(xù)廣播路由請求報文；若Node＿length＞＝iNode＿length，僅將前一跳節(jié)點登記到自身鄰居表中，不再轉(zhuǎn)播該報文。

（3）路由請求轉(zhuǎn)發(fā)完畢后，節(jié)點訪問鄰居表選擇最優(yōu)父節(jié)點登記到路由表中，并將路由表信息打包為路由登記報文單播至父節(jié)點，最優(yōu)父節(jié)點選擇依據(jù)：①深度值小的節(jié)點；②鏈路質(zhì)量優(yōu)的節(jié)點；

（4）節(jié)點接收到下游節(jié)點發(fā)送的路由登記包后，將子節(jié)點的路由信息登記到自身路由表中，繼續(xù)上傳路由登記包至中心節(jié)點。路由建立算法流程圖如圖2所示。

圖3為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點建立鏈路后的示意圖，短地址為1.0的是中心節(jié)點，短地址從1.1到1.8的是用戶計量表節(jié)點。表2為節(jié)點通過路由登記報文建立的路由表。從表2中可以清楚地看到每一級節(jié)點的路由表都是上一級節(jié)點路由表的子集。假設(shè)中心節(jié)點 （1.0節(jié)點）想給1.6節(jié)點下達一個命令。中心節(jié)點訪問自己的路由表，找到1.6節(jié)點的父節(jié)點1.5節(jié)點，繼而找到1.5節(jié)點的父節(jié)點1.3節(jié)點，中心節(jié)點將報文單播給1.3節(jié)點。1.3節(jié)點收到報文后再訪問自己的路由表，重復(fù)上述過程，將此命令轉(zhuǎn)發(fā)給1.5節(jié)點，依此類推，最終將報文發(fā)送至1.6節(jié)點。

雙向的路由建立算法，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點建立了上下行路由：路由建立請求報文使節(jié)點建立了自身到中心節(jié)點的最優(yōu)鏈路，通過路由登記報文，節(jié)點建立了到子節(jié)點的下行路由。在此過程中，節(jié)點登記了完整的鄰居表，在增加冗余鏈路的同時，維護鄰居節(jié)點狀態(tài)，提高了算法的可靠性。

2.2 路由維護算法

在無線抄表實際應(yīng)用中，計量表節(jié)點自身功耗過低、外部干擾或人為因素都將導(dǎo)致節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)，另外，節(jié)點的更換、新節(jié)點入網(wǎng)等情況也將使網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生變化，需要及時更新路由表以維護可靠路由［10］。本文采用雙向Hello報文進行路由維護，通過鄰居節(jié)點間相互交換Hello報文管理鄰居表中節(jié)點狀態(tài)變化，從而保證節(jié)點上下行路由的可靠性。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點周期性的向鄰居節(jié)點廣播Hello報文，報文的目的地址為一跳范圍內(nèi)的廣播地址0xFFFFFFF1，鄰居節(jié)點收到Hello報文后，修改目的地址為源節(jié)點的地址，并將自身節(jié)點的深度值加入到報文中單播發(fā)送至源節(jié)點，源節(jié)點收到鄰居節(jié)點發(fā)送的Hello回復(fù)報文后，查看鄰居表：

（1）若該節(jié)點存在鄰居表中，更新節(jié)點深度值并將該節(jié)點對應(yīng)的Fail＿time值復(fù)位為0；

圖2 路由建立算法流程

圖3 節(jié)點路由

（2）若在一定時間內(nèi)，沒有收到某鄰居節(jié)點的Hello回復(fù)報文，將該鄰居節(jié)點的State屬性改為離線，并查看鄰居表中該節(jié)點的Fail＿time值，若Fail＿time＜ MAX＿FailTimes，F(xiàn)ail＿time值加1，若Fail＿time＞＝ MAX＿FailTimes，說明該節(jié)點已離開網(wǎng)絡(luò)，清除鄰居表中該節(jié)點的信息。若此節(jié)點為路由表中父節(jié)點，則說明上行路由失敗，節(jié)點從鄰居表中選擇最優(yōu)節(jié)點更新路由表 （鄰居表中失敗節(jié)點信息已刪除），并通過新的父節(jié)點向中心節(jié)點發(fā)送路由更新報文。若此節(jié)點為路由表中子節(jié)點，節(jié)點刪除該路由，通過父節(jié)點發(fā)送路由更新報文。

（3）若鄰居表中不存在該節(jié)點，說明此節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點，將該節(jié)點信息注冊到鄰居表中，并通過自身父節(jié)點上傳路由更新報文。

表2 部分節(jié)點路由表

新入網(wǎng)節(jié)點上電后，定時發(fā)送Hello報文，根據(jù)接收到的Hello回復(fù)報文將鄰居節(jié)點加入到自身鄰居表，并選取最優(yōu)父節(jié)點登記到路由表中，同時通過父節(jié)點向中心節(jié)點發(fā)送路由更新報文。

圖4為Hello報文交換示意圖。地址為2.0的節(jié)點周期性的廣播一跳范圍內(nèi)Hello報文，鄰居節(jié)點返回Hello回復(fù)報文，2.0節(jié)點根據(jù) Hello回復(fù)報文更新鄰居表。圖5為Hello回復(fù)報文示意圖，因鏈路失效，2.0節(jié)點在定時時間內(nèi)沒有收到3.1節(jié)點的Hello回復(fù)報文，則改變鄰居表中3.1節(jié)點對應(yīng)的State和Fail＿time屬性值。表3為2.0節(jié)點鄰居表。

圖4 Hello報文發(fā)送

圖5 Hello回復(fù)報文發(fā)送

表3 短地址為2.0節(jié)點鄰居表

3 路由協(xié)議建模及仿真

通過OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立無線抄表網(wǎng)絡(luò)模型，驗證路由算法的可靠性［11］。網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積為500m×400m，無線信道帶寬為1M，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)目為9個，節(jié)點的最大傳輸距離為100m，網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖6所示。假設(shè)節(jié)點的分布相對均勻，系統(tǒng)中sink節(jié)點定時發(fā)送路由建立請求報文至各個智能表節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點根據(jù)路由建立算法回復(fù)路由登記報文，從而為每個終端節(jié)點建立最優(yōu)路由。

圖7為路由建立后，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點上傳數(shù)據(jù)示意圖，從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點均維護著自身到中心節(jié)點的最優(yōu)路由，數(shù)據(jù)沿最優(yōu)鏈路多跳轉(zhuǎn)發(fā)至中心節(jié)點。例如：短地址為3.1的節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過2.0、1.0節(jié)點上傳至sink節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)中短地址為1.0和2.0的節(jié)點作為較高層次的父節(jié)點，維護著較多的下游子節(jié)點，故發(fā)送報文數(shù)量明顯多于其他節(jié)點，圖8為各節(jié)點發(fā)送報文數(shù)量統(tǒng)計圖。

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖7 節(jié)點數(shù)傳輸

圖8 節(jié)點傳輸報文數(shù)目統(tǒng)計

節(jié)點通過Hello報文互換機制管理網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，及時更新鄰居表和路由表，確保終端節(jié)點通往中心節(jié)點的鏈路可靠。圖9為短地址為1.0的節(jié)點失效離開網(wǎng)絡(luò)后，各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。短地址為2.0的節(jié)點從鄰居表中選擇短地址為1.1的節(jié)點作為新的父節(jié)點更新路由表，此時，1.1節(jié)點的下游子節(jié)點明顯增多，任務(wù)量加重，由圖10可見，1.1節(jié)點的報文傳輸量較圖8明顯增多。

圖9 1.0節(jié)點失效后數(shù)據(jù)傳輸

圖10 1.0節(jié)點失效后報文傳輸數(shù)量統(tǒng)計

4 結(jié)束語

本文提出了一種面向無線抄表應(yīng)用的路由算法，該算法通過路由建立請求報文和路由登記報文使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點建立了自身到中心節(jié)點的最優(yōu)路由，減少節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文數(shù)量，降低了網(wǎng)絡(luò)負荷；基于Hello報文的鄰居交換機制可有效的進行路由維護，提高節(jié)點上下行路由的可靠性，算法復(fù)雜度低，可靠性高。仿真結(jié)果驗證了該算法的有效性和可行性。但對無線抄表系統(tǒng)中報文傳輸?shù)臎_突問題還有待進一步研究［12］。

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