基于動態(tài)路由表的微功率無線路由重構(gòu)研究

梁捷 蔣雯倩

摘 要：該文針對低壓抄表系統(tǒng)中微功率無線通信的傳統(tǒng)洪泛路由算法組網(wǎng)的抗壓性較低的問題，提出了一種基于動態(tài)路由表的改進(jìn)洪泛路由算法，通過在組網(wǎng)時在各節(jié)點建立可偵聽頻段范圍內(nèi)其他電表節(jié)點的臨時路由表，進(jìn)行路徑優(yōu)化選擇。在鏈路失效時，已搜索到的節(jié)點能利用路由表快速選擇最優(yōu)路徑組網(wǎng)重構(gòu)。仿真試驗驗證了該文提出的算法比傳統(tǒng)洪泛方法在抗壓性方面有優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：組網(wǎng);微功率無線;動態(tài)路由表

中圖分類號：TN915? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著廣西電網(wǎng)對計量自動化數(shù)據(jù)采集質(zhì)量要求的不斷提高，對低壓臺區(qū)用電數(shù)據(jù)采集方案的可靠性需求也在不斷增長。近年來，微功率無線通信技術(shù)憑借低功率的無線射頻網(wǎng)絡(luò)媒介具有的功耗較小、建設(shè)成本較低等特點得到廣泛應(yīng)用。但同時也存在著無線信道易受臨頻干擾、缺乏對配電網(wǎng)中各臺區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的靈活調(diào)整方案等問題。

為提高微功率無線技術(shù)的通信可靠性，除了研究物理層面的抗干擾設(shè)計和調(diào)制解調(diào)方案外，還需優(yōu)化當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時的網(wǎng)絡(luò)層中繼路由方案?？紤]到電力線信道的時變特征，網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時，會出現(xiàn)部分鏈路失效的情況，此時需進(jìn)行局部路由快速重構(gòu)以恢復(fù)通信。近年來常見的微功率組網(wǎng)重構(gòu)算法各有優(yōu)缺點，難以兼顧組網(wǎng)的效率和擁堵度。

對此，該文提出了一種基于路由表的改進(jìn)路由重構(gòu)算法，通過路由表保證擁堵度的均衡，實現(xiàn)鏈路失效時游離節(jié)點的快速搜索。

1 微功率無線通信組網(wǎng)流程

由于單個節(jié)點對周圍網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的搜索能力有限，為提高網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋率，微功率無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)通常采用分簇的方式。定義表計為具備微功率通信模塊的計量用電能表或采集器，則表計節(jié)點在微功率無線通信網(wǎng)絡(luò)中代表電能表或采集器通信設(shè)備。以集中器為數(shù)據(jù)收集中心（主節(jié)點），一定數(shù)量的表計節(jié)點構(gòu)成一個簇，其中由能量充足的電表或采集器節(jié)點充當(dāng)簇頭。傳統(tǒng)洪泛算法組網(wǎng)時，首先由集中器上的微功率主節(jié)點通信模塊決定本地子網(wǎng)的工作頻段，而電表節(jié)點（從節(jié)點）模塊的初始頻率為該頻段中的隨機(jī)態(tài)。由集中器控制簇頭節(jié)點逐級向其他電表節(jié)點分組發(fā)送廣播組網(wǎng)命令，經(jīng)過分簇后的網(wǎng)絡(luò)，由原先的大的整體變成了多個小的局部，能夠減少無用數(shù)據(jù)的傳輸。

由于表計節(jié)點離簇頭的距離遠(yuǎn)近不一，傳統(tǒng)洪泛算法在組網(wǎng)時可以使節(jié)點都直接與簇頭通信，但是離簇頭遠(yuǎn)的節(jié)點能量消耗大于離簇頭近的節(jié)點，這樣會使各節(jié)點的通信能耗不均勻，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，從而使數(shù)據(jù)傳輸速度延遲。為了均衡每個簇內(nèi)節(jié)點的通信能耗，該文采用多跳模式把數(shù)據(jù)傳輸給簇頭。釆用多跳通信時，簇內(nèi)節(jié)點需要構(gòu)建一個分層式路由簇樹，為了降低路由簇樹構(gòu)建能耗，可每間隔一定的輪次進(jìn)行路由樹的重建，從而最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

首先定義路由表存在于無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自身信息，其內(nèi)容包括電表/采集器的節(jié)點編號和MAC地址、節(jié)點i的擁塞度Ci和信號強(qiáng)度Qi、簇頭節(jié)點鏈表、各節(jié)點的數(shù)據(jù)隊列和相對于集中器節(jié)點的跳數(shù)值。路由表可隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘎討B(tài)更新。Ci定義為：

（1）

其中，i為節(jié)點編號，n和L分別為節(jié)點的緩存隊列中數(shù)據(jù)分組的個數(shù)和長度，Buf代表節(jié)點緩存隊列的大小。Ci值越小表明節(jié)點數(shù)據(jù)隊列緩存越小，擁堵度越低。當(dāng)節(jié)點主動或者被動的向上傳輸數(shù)據(jù)時，當(dāng)前節(jié)點會去查詢它上一跳范圍內(nèi)的父節(jié)點的擁塞和緩存隊列情況，在保證下一跳節(jié)點的緩存隊列未滿的前提下，選出盡可能小的Ci值節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，使節(jié)點組網(wǎng)時的中繼方向可以沿著最優(yōu)的路徑向集中器傳送。

設(shè)游離節(jié)點從節(jié)點i通過路段eq到達(dá)節(jié)點j的通信路徑有效距離為dij，則

（2）

式中：xij為路徑?jīng)Q策變量，若游離節(jié)點由通信節(jié)點i跳至j時，則xij=1，否則為0;Sa為當(dāng)前跳數(shù)的無線搜索范圍內(nèi)的節(jié)點i和j之間的網(wǎng)絡(luò)路段集合。

2 路由重構(gòu)算法組網(wǎng)過程

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一節(jié)點向上多跳組網(wǎng)的過程如下。

（1）在首次組網(wǎng)過程中，從節(jié)點在接收到主節(jié)點的廣播重構(gòu)組網(wǎng)命令后，初始化路由表并申請組網(wǎng)，該電表周圍其他可偵聽頻段范圍內(nèi)的節(jié)點將該電表的MAC地址記錄到各自的路由表中。

（2）鏈路失效需要進(jìn)行重構(gòu)時，從節(jié)點在上電或復(fù)位且偵聽到無線鏈路載波報文后，部分一跳范圍內(nèi)能掃描到的從節(jié)點處于未掃描到同頻無線載波信號，且未分配到網(wǎng)絡(luò)地址的游離狀態(tài)時，此時它們將主動發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的命令并由主節(jié)點確認(rèn)，并從中設(shè)置簇頭節(jié)點，該電表節(jié)點周圍可偵聽頻段范圍內(nèi)的電表節(jié)點更新路由表，并等待其他電表加入網(wǎng)絡(luò)。

（3）在某簇頭節(jié)點能掃描到的從節(jié)點范圍即路由的二跳范圍內(nèi)，首先在電表節(jié)點接入方式上采用了時分多址（TDMA）方式接入。網(wǎng)絡(luò)中所有電表節(jié)點均工作于無線載波偵聽模式下且保持時隙的同步，采用分級的準(zhǔn)同步方式，即每個電表節(jié)點只與能夠直連的簇頭節(jié)點（已分配網(wǎng)絡(luò)地址的一級子網(wǎng)節(jié)點） 保持嚴(yán)格的時隙同步。然后在任意二跳網(wǎng)絡(luò)中的游離從節(jié)點入網(wǎng)后，從節(jié)點將其添加到臨時路由表中，待累積到一定的數(shù)量或等待時間超時后，批量優(yōu)化處理，可減少共享信道的占用次數(shù)，有利于解決傳統(tǒng)洪泛算法通信擁堵的問題。確定路由方案時，首先根據(jù)路由表將電表節(jié)點以擁塞指數(shù)遞增的順序?qū)Υ仡^節(jié)點進(jìn)行排序，然后根據(jù)評價因子Si選擇擁有最小擁塞指數(shù)、最短通信路徑和信號最強(qiáng)的簇頭節(jié)點作為下一跳路由，向其發(fā)起廣播組網(wǎng)呼叫，并等待該簇頭節(jié)點的確認(rèn)應(yīng)答。Si如下式：

Si=w1+Ci+w2dij-w3Qi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，w1、w2、w3分別為平衡擁塞度、通信路徑距離和當(dāng)前信號強(qiáng)度的權(quán)重，dij表示取i，j之間距離最小的路徑。以Si較小的路徑為優(yōu)，可確保在游離節(jié)點選擇轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳簇頭節(jié)點時，既要保證下一跳節(jié)點的信號強(qiáng)度盡可能強(qiáng)，又要有盡可能小的擁堵度和較短的通信路徑。

（4）收到該簇頭節(jié)點的確認(rèn)應(yīng)答后，該游離節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并更新路由表。如果在等待時限內(nèi)，沒有收到來自對方的確認(rèn)消息，那么認(rèn)為這次傳輸是不成功的。此時則按照通信路徑最短、信號最強(qiáng)、擁塞指數(shù)最低的原則選擇其他的簇頭節(jié)點進(jìn)行傳輸，直到接收回復(fù)的確認(rèn)消息，才能宣告此次數(shù)據(jù)傳輸成功。

（5）二跳至多跳范圍的組網(wǎng)過程類似一跳節(jié)點的組網(wǎng)過程。重復(fù)上述過程直到傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的主節(jié)點完成網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

3 仿真與結(jié)果分析

為了驗證該路由算法的可行性，該文利用MATLAB軟件將該文算法與傳統(tǒng)洪泛路由算法的數(shù)據(jù)吞吐量進(jìn)行比較。

測試網(wǎng)絡(luò)的信道鏈路容量為1 900 bps，每個數(shù)據(jù)包的大小為1.8 bit。假設(shè)在1 500 s時刻，節(jié)點8與節(jié)點13之間的鏈路13-8通信失效，分析節(jié)點8的通信鏈路數(shù)據(jù)吞吐量關(guān)系。壓力測試是通過壓力發(fā)生器對測試系統(tǒng)發(fā)起大量的并發(fā)網(wǎng)絡(luò)請求。

測試結(jié)果如圖1所示，圖1（b）中顯示的傳統(tǒng)洪泛算法得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在試驗開始后約20 min時施加的壓力數(shù)據(jù)流，可見，在通信網(wǎng)絡(luò)接收到壓力數(shù)據(jù)后吞吐量的幅度明顯下降，可見該方法重構(gòu)所組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。如圖1（a）所示，該文算法得到的網(wǎng)絡(luò)在重構(gòu)后能在網(wǎng)絡(luò)受壓、數(shù)據(jù)吞吐量短時下降后，迅速回升至接近原水平，抗壓能力較好。這是由于該組網(wǎng)方法有2個特點：1）保留了分簇算法的分層特征，跳數(shù)分明，便于上層節(jié)點的管理與快速搜索。2）簇頭節(jié)點隊列負(fù)載均衡，擁塞較小，可避免某些簇頭節(jié)點頻繁使用，造成這些節(jié)點更易擁堵的問題。

4 結(jié)語

針對低壓集抄系統(tǒng)微功率無線通信的傳統(tǒng)洪泛路由算法在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時網(wǎng)絡(luò)擁堵度較高，穩(wěn)定性的問題。提出了一種基于路由表的改進(jìn)路由重構(gòu)算法，通過臨時路由表保存簇頭節(jié)點的擁堵度等組網(wǎng)信息，在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程中對組網(wǎng)路徑進(jìn)行優(yōu)化排序。仿真試驗表明，該文算法由于在選擇通信路徑時考慮了簇頭節(jié)點的擁堵和信號強(qiáng)度等情況，比傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，其有效性也得到了驗證。

參考文獻(xiàn)

[1]梁捷.基于MQTT協(xié)議族的AMI通信支撐平臺設(shè)計[J].計算機(jī)時代，2018（4）：29-32.

[2]肖勇，馮超，郭嘉，等.微功率無線抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集容錯路由算法[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2017（3）：9-14.

[3]鞠晨，薛吉，湯曉棟.用于低壓電力線通信的同步關(guān)聯(lián)分簇路由算法[J].電器與能效管理技術(shù)，2016（13）：23-27.