一種面向發(fā)射干擾的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向放射干擾的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由構(gòu)建方法，屬于無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)通信支持技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)流的傳輸，要求降低路由請(qǐng)求的頻率和數(shù)據(jù)等待延時(shí)，從而 可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)，需要考慮鏈路中傳感器節(jié)點(diǎn)能量的持續(xù)損耗，從而達(dá)到 能量消耗均衡的目的。另外，由于惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的工業(yè)噪聲，節(jié)點(diǎn)或鏈路的失效經(jīng) 常發(fā)生，路由機(jī)制需要具備一定的容錯(cuò)能力。因此，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的路由算法設(shè)計(jì)研究引起 了人們的重視。近幾年，人們提出了多種基于不同應(yīng)用目標(biāo)的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并根據(jù) 不同的應(yīng)用對(duì)路由進(jìn)行了分類(lèi)研究與比較。但是，大部分協(xié)議因其較為理想的假設(shè)前提而 無(wú)法直接應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)景中。
[0003] 在當(dāng)前研究的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中保證端到端延時(shí)的路由主要有以下三種： 基于樹(shù)形的路由協(xié)議、最短距離優(yōu)先（SPF)路由協(xié)議、基于地理位置的路由（GR)協(xié)議?；?于樹(shù)形的路由協(xié)議在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中是一種基于IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的常用路由協(xié)議。在 SPF路由協(xié)議中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期地更新路由表得到一個(gè)包含目的節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)路徑的 列表。雖然這種路由協(xié)議考慮服務(wù)質(zhì)量，但是對(duì)于感應(yīng)節(jié)點(diǎn)有限可利用的資源來(lái)說(shuō)，協(xié)議 復(fù)雜且通信開(kāi)銷(xiāo)大。此外，SPF路由算法在動(dòng)態(tài)拓?fù)涞那闆r下，會(huì)產(chǎn)生很大的消耗以及較 長(zhǎng)的路由控制時(shí)間。相比而言，GR路由協(xié)議不需要知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)基 于源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)的位置選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這樣能減少信息量以及能量 消耗。并且，GR路由協(xié)議使得每跳的距離最大化以減少轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)以及轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的能量 消耗。但是，GR算法不能優(yōu)化跳數(shù)，而跳數(shù)的大小往往能影響能量消耗和延時(shí)。
[0004] 為了優(yōu)化工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力，國(guó)內(nèi)外研究者提出了多種路由 機(jī)制，相關(guān)文獻(xiàn)如下：
[0005] 1、2〇〇6 年，Heo 等人在《EAR-RT:Energy aware routing with real-time guarantee for wireless sensor networks》中，提出一種保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)穆酚蓞f(xié)議， 該協(xié)議考慮在源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間找到一條多跳路徑，其每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)被選擇的 概率來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。選擇概率與鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量的總和以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給鄰居節(jié)點(diǎn)所需 的能量成反比。因此，能量需求較低的路徑比較容易被選中。EAR-RT在可以及時(shí)傳輸數(shù)據(jù) 包的候選節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)地選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，防止任何特定的路徑連續(xù)地被選擇為最優(yōu)路徑以 實(shí)現(xiàn)能量均衡。
[0006] 2、2009 年，Heo 等人在《EARQ:Energy Aware Routing for Real-Time and Reliable Communication in Wireless Industrial Sensor Networks》中，提出了一種不 需要單獨(dú)的設(shè)置階段，也不需要利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)聽(tīng)特性的實(shí)時(shí)路由協(xié)議EARQ。EARQ綜 合考慮路徑的能量消耗、延時(shí)以及可靠性，不僅提供了實(shí)時(shí)傳輸，也提供了數(shù)據(jù)包的可靠 傳輸。但是，由于考慮能量消耗的問(wèn)題，EARQ對(duì)路由路徑的建立并不總是最優(yōu)的。
[0007] 3、2〇〇9 年，Li 等人在《Enhancing real-time delivery in wireless sensor networks with two-hop information》中，提出了一種基于速度的兩跳路由算法THVR， THVR使用地理位置信息和延時(shí)來(lái)選擇最優(yōu)路徑，將延時(shí)丟失率降低了 20%。
[0008] 4、2010 年，Jung 等人在《0MLRP:Multi_hop information based real-time routing protocol in wireless sensor networks》中，提出了一種按需多跳超前實(shí)時(shí)路由 協(xié)議0MLRP，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑中鄰居節(jié)點(diǎn)的信息來(lái)按需轉(zhuǎn)發(fā)。OMLRP因信息交互產(chǎn)生的能 量消耗很少，OMLRP沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到Sink節(jié)點(diǎn)所需的跳數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，因此在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延 上仍存在優(yōu)化空間。
[0009] 5、2012年，Quang等人在《Enhancing Real-Time Delivery of Gradient Routing for Industrial Wireless Sensor Networks》中，將基于速度的兩跳路由算法和基于梯度 的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，提出了一種適用于工業(yè)環(huán)境的路由算法THVRG，THVRG不僅優(yōu)化了實(shí)時(shí)轉(zhuǎn) 發(fā)所需的跳數(shù)，同時(shí)也減少了路由轉(zhuǎn)發(fā)所需的能量消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：在隨機(jī)部署的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)節(jié)點(diǎn)的 實(shí)際通信能力進(jìn)行評(píng)估，定位網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的發(fā)射干擾源并估計(jì)其覆蓋范圍。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是否 存在發(fā)射干擾，考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的能量成本，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和鏈路可靠性選取下一跳節(jié)點(diǎn)，并在路 由路徑靠近發(fā)射干擾區(qū)域時(shí)，使用繞行和穿越的方式進(jìn)行路由控制。
[0011] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 一種面向發(fā)射干擾的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由構(gòu)建方法：包括以下步驟：
[0013] 步驟一：傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍估計(jì)。節(jié)點(diǎn)使用全向天線以最大發(fā)射功率發(fā)射信 號(hào)，對(duì)各方向上的信號(hào)衰減情況進(jìn)行評(píng)估，各個(gè)方向上的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)后向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ACK信息，所述ACK消息包括接收信號(hào)強(qiáng)度指示以及接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的距離，基于 曲線擬合方法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)在各方向上的最大發(fā)射半徑，使得節(jié)點(diǎn)能夠估計(jì)干擾源出現(xiàn)前的 正常通信范圍，以及干擾源出現(xiàn)后的衰減通信范圍。
[0014] 步驟二：發(fā)射干擾源定位?？紤]發(fā)射干擾源對(duì)節(jié)點(diǎn)通信能力的衰減，出現(xiàn)干擾源前 后節(jié)點(diǎn)鄰居表中維護(hù)的鄰居個(gè)數(shù)會(huì)減少，使用所述步驟一計(jì)算鄰居個(gè)數(shù)減少的節(jié)點(diǎn)衰減后 的通信范圍，基于極大似然法對(duì)發(fā)射干擾源進(jìn)行定位。
[0015] 步驟三：發(fā)射干擾源區(qū)域大小計(jì)算?？紤]定位誤差的影響，對(duì)定位的發(fā)射干擾源的 覆蓋范圍進(jìn)行估計(jì)；
[0016] 步驟四：在正常工作區(qū)域和發(fā)射干擾區(qū)域內(nèi)執(zhí)行不同的策略選取下一跳節(jié)點(diǎn)。正 常工作區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，鏈路可靠性決定下一跳。當(dāng)路由路徑接近發(fā) 射干擾區(qū)域時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)當(dāng)前干擾區(qū)域周?chē)木W(wǎng)絡(luò)連通度，節(jié)點(diǎn)能量水平，以及鏈路 可靠性，采用繞開(kāi)發(fā)射干擾區(qū)域或者穿越發(fā)射干擾區(qū)域的策略。
[0017] 上述步驟一中，節(jié)點(diǎn)各方向上的最大發(fā)射半徑計(jì)算方法如下：
[0018] 發(fā)射信號(hào)進(jìn)行通信能力評(píng)估的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)選取某一方向作為參 考方向，每隔22. 5°作為一個(gè)采樣方向，即節(jié)點(diǎn)共具備16個(gè)采樣方向，每個(gè)采樣方向上的 收到發(fā)射信號(hào)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為采樣節(jié)點(diǎn)，采樣節(jié)點(diǎn)將信號(hào)到達(dá)自身時(shí)的強(qiáng)度以及與發(fā)射節(jié)點(diǎn)之 間的距離封裝到ACK消息中發(fā)送給發(fā)射節(jié)點(diǎn)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)就某一采樣方向上即可收到若干包 含接收信號(hào)強(qiáng)度指示以及距離的樣本對(duì)，使用最小二乘估計(jì)對(duì)該方向上獲得的樣本對(duì)進(jìn)行 曲線擬合，根據(jù)接收信噪比SNR的強(qiáng)度可在曲線上求得該采樣方向上的最大發(fā)射半徑，將 16個(gè)采樣方向上的最大發(fā)射半徑所在位置進(jìn)行連接，所獲多邊形的內(nèi)接圓即為估計(jì)的發(fā)射 節(jié)點(diǎn)通信范圍。
[0019] 上述步驟二中，發(fā)射干擾源的定位方法如下：
[0020] 發(fā)射干擾區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)因通信能力衰減，連接的鄰居個(gè)數(shù)減少，當(dāng)超過(guò)三個(gè)以上 節(jié)點(diǎn)感知到鄰居個(gè)數(shù)減少，就對(duì)當(dāng)前衰減后的通信范圍進(jìn)行估計(jì)，再通過(guò)極大似然法對(duì)發(fā) 射干擾源進(jìn)行多邊定位。
[0021] 上述步驟三中，發(fā)射干擾源覆蓋范圍的計(jì)算方法如下：
[0022] 將定位獲得的發(fā)射干擾源與其一跳范圍的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造 Delaunay三角形，將與發(fā)射 干擾源直接相連的節(jié)點(diǎn)的通信范圍合并，使用外接圓對(duì)合并后的圖形進(jìn)行覆蓋，并將其作 為估計(jì)的發(fā)射干擾區(qū)域范圍。
[0023] 上述步驟四中，在正常工作區(qū)域中節(jié)點(diǎn)下一跳選取方法如下：
[0024] 節(jié)點(diǎn)僅將與自己相比離sink更近的鄰居節(jié)點(diǎn)加入路由表，選入路由表的節(jié)點(diǎn) 由一個(gè)三元組（E，D，R)評(píng)價(jià)作為下一跳節(jié)點(diǎn)的各性能指標(biāo)；E用以表針能量成本，D用以 表針轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，R用以表征鏈路可靠性；路由表中候選下一跳節(jié)點(diǎn)的最小能量成本記為 E_，最小轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延記為D_，最大鏈路可靠性記為R_.;節(jié)點(diǎn)i被選為下一跳的權(quán)重值為
選擇路由表中權(quán)重值最高的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)下 一跳。
[0025] 上述步驟四中，在路由路徑接近發(fā)射干擾區(qū)域時(shí)節(jié)點(diǎn)下一跳選取方法如下：
[0026] 以干擾區(qū)域的半徑為短軸建立長(zhǎng)軸最短的外接橢圓，使得外接橢圓在干擾區(qū)域以 外的部分滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)連通性要求，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的能量水平不低于全網(wǎng)平均水平，當(dāng)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度不 超過(guò)兩倍短軸的前提下，能夠建立起上述外接橢圓時(shí)，當(dāng)路由路徑接近發(fā)射干擾區(qū)域，在外 接橢圓去除干擾區(qū)域以外的部分按照在正常工作區(qū)域中節(jié)點(diǎn)下一跳的選取方法選取轉(zhuǎn)發(fā) 節(jié)點(diǎn)，繞開(kāi)干擾區(qū)域，若所建立的外接橢圓長(zhǎng)軸超出兩倍短軸，或連通性、節(jié)點(diǎn)能量不滿(mǎn)足 要求時(shí)，當(dāng)路由路徑接近發(fā)射干擾區(qū)域，下一跳節(jié)點(diǎn)直接有干擾區(qū)域內(nèi)進(jìn)行選取，干擾區(qū)域 內(nèi)的節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)剩余能量以及干擾區(qū)域內(nèi)部的連通情況調(diào)節(jié)發(fā)射功率，保證路由路徑能夠 穿越干擾區(qū)域。
[0027] 通過(guò)采用上述技術(shù)手段，本發(fā)明的有益效果為：通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)通信能力的評(píng)估、發(fā)射 干擾源的定位和發(fā)射干擾區(qū)域大小的計(jì)算，本發(fā)明能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中有效提高網(wǎng)絡(luò) 中路由的可靠性；正常情景下路由中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇綜合考慮能量成本，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延以及鏈 路可靠性，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性和有效性，考慮發(fā)射干擾的影響時(shí)，結(jié)合規(guī)避干擾區(qū)域 和穿越干擾區(qū)域的路由策略，使得路由機(jī)制更靈活、更可靠，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能力評(píng)估示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明發(fā)射干擾源定位示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明發(fā)射干擾源區(qū)域計(jì)算示意圖；
[0031