用電信息采集中無線網絡路由算法的研究

彭 風 ，潘小山 ，朱小蘭 ，余 紅

（1.河南信陽供電公司 信陽 450003；2.華北電力大學 北京 102206）

1 引言

在用電信息采集系統中，本地通信采用的是短距離無線通信方式，由于受距離的限制，集中器并不能與所有的采集器直接通信，因此引入無線網狀網。它可將多個采集終端節點隨機組成無線自組織網絡，將采集到的數據以多跳的方式發送到集中器中，由集中器實現數據存儲和遠程傳送[1]。路由問題是無線傳感網絡網絡層的核心問題，也是現階段國內外研究的熱點。因為路由算法直接決定數據如何中繼和路由，而路徑的選取直接影響表的工作時間，進而影響功耗。因此，對用電信息采集系統中的路由問題進行研究是十分必要的。

目前，對無線網狀網路由算法的研究主要是將應用于傳統Ad-hoc網絡的路由算法進行改進，使其符合無線網狀網的特性。傳統的路由算法有DSDV、DSR、AODV算法等[2]，其中AODV算法最具代表性。它是一種典型的按需路由算法，業界已經提出了很多其改進算法[3]，在開銷、延時、分組投遞率等方面得到了改善。

在用電信息采集中，由于無線信道的帶寬有限，在數據傳輸過程中可能造成擁塞，這將導致網絡延時，不利于抄表工作的順利進行。另外,在國家大力倡導節能低碳的今日，盡可能地降低功耗也是路由算法需要考慮的問題。因此本文將根據用電信息采集系統的特點，在傳統AODV算法的基礎上，采用擁塞控制機制的同時，對網絡層進行功率控制，提出了一種基于擁塞控制與功耗最小的路由選擇算法。

2 用電小區路由需求分析

2.1 用電小區拓撲分析

由于各個小區居民樓布局不同，地理位置分布迥異，居民樓內電表的布局位置也各有不同，因此存在多種網絡拓撲結構。下面以一種小區拓撲結構舉例說明，如圖1所示。每幢居民樓有6層，分為4個單元，每個單元每層樓有2個用戶，2個用戶的電表集中放在本層樓樓道里的電表箱中，每個電表箱都配有一個采集器，通過RS-485總線與電表相連，這樣，每層樓有4臺采集器。集中器的位置不定，戶內戶外均可，可以根據實際情況任意確定。本小區將集中器設在A樓的一層，作為一臺采集器使用，不僅便于數據采集，還節約了成本。為了使通信可靠進行，還裝有中繼終端進行中繼轉發。圖1中虛線表示兩個設備可以直接互聯（這兩個設備叫做鄰居節點，兩者可以直接通信，不需要由其他節點轉發），兩個設備之間若沒有惟一的直線連接，則表示兩者無法實現直接互聯，只能靠中繼轉發?，F實中的網絡是錯綜復雜的，為了便于說明，圖中只標出了有限的連接。

從圖中可以看出，若A樓的采集器A5要將用電信息發往集中器，其通信路徑可以是A5—A6—A7—集中器或A5—A2—A3—集中器，可見需要通信的設備之間有多條通路，該如何選擇最佳的通路呢？這即是無線傳感網的路由問題，需要設計一種算法來指導其選擇最佳路徑傳輸數據。路由算法的選擇對于數據傳輸的可靠性和有效性至關重要。路由算法設計時須考慮的因素很多，如節點移動性、節點能量、負載均衡等，其路由判據也有最小跳數、最小開銷、最小功耗等多種，因此需要根據不同的場景設計出適合該環境的路由算法，以達到最佳路由性能。

2.2 用電小區路由算法要求分析

在用電信息采集系統中，所有采集器、電能表的位置都是固定的，因此路由算法不用考慮節點的移動性。由于該系統受干擾沖突、通信距離等因素的影響，如果僅以最小跳數作為路由判據，而不考慮路徑上的業務通信量，抄表過程中可能會因為設備同時上電進行數據傳輸而造成擁塞，使該路徑的鏈路質量惡化，更甚者造成數據丟包，網絡的吞吐量下降。數據丟包數越多，就不能滿足用電信息采集系統中對電表數據抄收率的要求。因此，在設計路由算法的時候，使算法具有擁塞自適應功能是非常必要的。

另外，對于發送節點的某一發射功率，接收節點的信號強度與傳輸過程中的信道衰減有關。用電信息采集系統中各通信設備之間進行數據傳輸的過程中，途中會遇到墻、門、金屬等多種阻礙，這都將造成信號衰減。信號衰減過大，將影響網絡通信質量，可能導致數據丟失，不能保證用電數據的抄收率。因此，在網絡層路由算法中進行適當的功率控制，不僅能減小信道干擾從而提高通信鏈路質量，而且能減少鏈路功耗以滿足節能低碳經濟的要求。

因此，根據用電信息采集系統的需求特點，下面將提出一種基于擁塞控制與功率控制的AODV改進算法。它依據節點的擁塞狀況來決定數據分組的發送，并根據消息的優先級來確定數據發送的順序。在路由選擇問題上，通過對網絡層的功率控制進行研究，改變傳統以最短路徑為路由判據的思想，選擇功耗最小的路徑進行數據傳輸，使其能更好地滿足用電小區的抄表要求。

3 基于擁塞控制與功率控制的AODV改進算法

3.1 AODV路由算法

AODV算法是一種按需路由協議，它僅在需要路由時才由源節點啟動路由發現過程。算法的基本過程如下：當源節點S要發送信息給目的節點D時，如果發現自己路由表中沒有到目的節點D的路由，S便發送路由請求RREQ包給所有的鄰居節點，請求其鄰居節點幫忙查找到節點D的路徑。每個接收到RREQ包的節點，都記錄下上一跳節點信息，若自身不是目的節點，則廣播RREQ包。通過這種洪泛方式，RREQ包會被廣播轉發至目的節點D。目的節點D接收到RREQ包后，反向沿著該RREQ包傳來的路徑通過單播的形式發送路由回復RREP(route reply)包，同時在中間節點記錄下到達目的節點的下一跳，當S收到RREP包時，從源節點到目的節點的路徑已經建立起來。為了維護路由信息，節點通過周期性地廣播Hello消息來檢測鏈路是否失效。當某節點在規定的時間內沒有收到響應時，說明鏈路發生中斷，當下次有數據要發送給目的節點D時，原路徑失效，要重新發起路由請求過程[4]。

AODV算法簡單易行、避免了路由環路選擇最短路徑來傳輸數據。但它的路由過程沒有考慮節點的擁塞狀況，從而很容易導致整個網絡的擁塞，減少了網絡生存時間。本文將采用擁塞控制機制，并將功耗作為一個約束條件來選擇最佳路由，從而優化AODV算法的性能。

3.2 AODV的改進算法

3.2.1 擁塞狀態判別

當源節點和目的節點之間的路由建立后,就可以對此路由中間節點的擁塞狀態進行監測。判斷一個節點的擁塞程度可以有不同的衡量參數如鏈路帶寬、丟包率、平均隊列長度、緩沖區溢出量、重傳分組的數量、分組的平均時延等[5]。本文選擇節點的平均隊列長度L作為衡量擁塞程度的指標。平均隊列長度L定義為節點隊列瞬間長度與隊列總長度之比。給L設定上下限值：Lmin和Lmax，根據L值確定節點的3種擁塞狀態:當0Lmax時，節點處于嚴重擁塞狀態，該節點上已經不能進行數據轉發，稱為serious。

3.2.2 發射功率的計算

為了在算法中進行功率控制，需要分別計算出鏈路中各節點間傳輸分組所需的功率，然后將整條鏈路上發射功率的總和作為QoS路由的代價函數[6]。路由建立后，節點就按照它們計算出的發射功率來傳輸數據分組。如果節點A要給節點B通信，A以最大的功率Pmax發送RTS，節點B收到A的RTS后仍然以最大功率Pmax發送CTS，當節點A接收到CTS時，根據它的接收功率Pr和它的發送功率Pmax計算它發送數據的功率Pds，公式如下：

其中，Pmin是所必需的最小接收功率，c為常量。節點A就按計算出的Pds發送數據。Pds一般比Pmax要小，從而達到節能的目的。

設從源節點到目的節點有M條路徑，依次為R1，…，Rm，N1，…Nk為某一條路徑Ri上的節點。則代價函數計算如下：

最后，我們選擇代價函數cost值最小也即功耗最小的一條路徑進行數據傳輸，有效地減少節點的能量，從而延長節點的工作時間。

3.2.3 路由發現過程

當源節點S需要和目的節點D通信，而其路由表中又沒有到目的節點的有效路徑時，它會啟動一個路由發現過程。源節點便向鄰居節點廣播路由請求RREQ分組。在原AODV算法基礎上，需要在路由請求分組RREQ中為每個節點增加一個擁塞狀態信息及其發射功率Pds值。每個收到RREQ分組的中間節點根據自己的擁塞狀態來進行相應的響應：（1）如果節點狀態為normal，并且是第一次收到該分組，則記錄上游節點地址、擁塞狀態和Pds等信息，該節點按照式 （1）計算其發送功率Pds值，將Pds值加入到RREQ分組中，并察看路由表中是否有到達目的節點且序列號大于等于RREQ分組中的序列號的無擁塞路由，若無，節點記錄報文并以Pds作為發射功率轉發此RREQ分組；若有或該節點就是目的節點，則將RREQ分組的信息復制到路由應答分組RREP中，并向源節點發送RREP分組；（2）如果當前節點擁塞狀態為 congestion，延遲一段時間DELAY-TIME之后，再進行如（1）步驟中的相同操作，在這段延遲時間中若存在其他狀態較好的鏈路則提前建立起路由[7]；（3）如果當前節點擁塞狀態為 serious，不管有沒有到目的節點的有效路由都直接丟掉該RREQ分組，并向源節點發送反向抑制報文抑制擁塞。中間節點轉發RREQ分組，直到目的節點收到RREQ分組，此時路由發現過程結束，RREQ分組所經過的路徑即為可行路徑。最后到達目的節點的路徑可能有多條，本文選擇代價函數即功耗最小的那條作為最佳路徑，目的節點沿可行路徑向源節點發送路由應答分組RREP。當源節點S收到RREP分組后，連接即建立。路由發現過程流程如圖2所示。

本算法中，為了更好地進行擁塞控制，還采用了基于事件驅動的多優先級擁塞控制策略，即根據需要傳送數據的緊急程度來設定優先級。用電信息采集系統中，可能因為某種原因主站突然想采集某一居民用戶的即時用電數據，此事件為緊急事件，設為高優先級級別，需要得到快速處理及響應。而通常情況下的對每戶用電數據進行周期性的采集，設為低優先級級別，可以滯后處理。在每個數據包中都攜帶其優先級別信息，當很多數據包在某一節點排隊等候發送的時候，節點可以先判別數據包的優先級別，先發送優先級別高的，再處理優先級別低的，這樣可以有效地降低節點的擁塞度，從而提高系統運行效率。

3.2.4 路由維護過程

在進行用電信息采集的通信過程中，可能會由于斷電或故障引起某些設備無法正常工作，從而導致鏈路斷開，原先建立的路由失效，這樣會使通信中斷。此時如果仍按原路由發送數據，就會導致數據丟失。為了保證電表數據的抄收率，每一輪抄表結束后都需要對路由進行維護，從而保證下一輪抄表過程正常進行。

在用電信息采集系統中，集中器輪詢抄表間隔一般為5 min，因此路由維護的周期選擇為4.5 min。即每次抄表結束后，節點以4.5 min為周期廣播Hello消息來檢測鏈路是否失效。當某節點在有限的時間內沒有收到任何響應時，說明鏈路發生中斷。當某節點檢測到鏈路斷開后，不是直接進行本地修復，而是根據自己當前的擁塞狀態來確定是局部修復還是向上游報錯：（1）如果節點處于normal或congestion狀態，就可以進行本地修復，在本地尋找新的路由；（2）如果節點處于 serious狀態，則直接向上游節點發送路由出錯分組RERR，由上游無擁塞節點進行路由重建，從而修復路由。

為了修復失效路由，本算法引入動態功率控制機制，即動態地改變節點的發射功率，從而調整網絡的拓撲結構和選路，使全網性能得到優化。節點的發射功率與其通信距離是緊密相關的，發射功率越大，在其他因素相同的情況下，其通信距離越遠[5]。因此，當某一節點檢測到路由失效后，其上游節點收到RERR分組后，就可以動態地增大自身的發射功率，使其通信距離變遠，足夠跳過失效的節點，避免因信號強度過小所帶來的重新選路和連接等過程，從而保證數據的可靠傳輸。如圖3所示，當藍色的節點失效后，其他節點可以通過加大其發射功率，越過失效節點，從而修復路由。當然，如果某節點經維護后又重新能正常運行了，此時，在滿足通信要求的情況下，又可以適當地降低其發射功率，以達到節能的目的。

4 結束語

針對用電信息采集系統的網絡拓撲特點，本文在原有AODV路由算法的基礎上進行了改進，路由發現階段基于事件驅動的多優先級擁塞控制機制，減少數據丟包率，保證了數據傳輸的可靠性。并且考慮了鏈路間的功率損耗，以最小功耗作為路由判據，達到了節能的目的，有效地延長了設備的工作時間。路由維護過程采用動態功率控制策略，與傳統路由算法相比，減少了路由修復的時間。因此，將該路由算法應用于用電信息采集系統中，能達到較好的路由性能。由于設計路由需要考慮的因素眾多，比如負載均衡、網絡容錯等因素本文都沒有涉及，在以后的工作中，要對其他因素深入研究，使得網絡路由更加優化。

1 于飛,胡繼珍.低壓電力無線集抄系統數據傳輸路由算法研究.電力系統保護與控制,2010,38(1):66～69

2 洪錫軍,張激.無線自組網路由協議研究.計算機工程,2005,31(8):105～107

3 薛楠,張靖.Ad-hoc網絡中AODV路由算法的改進.哈爾濱商業大學學報,2006,22(3):39～41

4 王斌.無線傳感器網絡AODV路由協議的實現.計算機與現代化,2009,(1):86～89

5 劉桂開,王洪江.一種基于輔助路由的擁塞自適應協議.系統工程與電子技術,2010,32(5):1070～1077

6 梁云,魏明.基于AODV有功率控制功能的QoS路由協議PCQ_AODV.通信技術,2008,41(4):84～86

7 吳建新,朱翠濤.聯合擁塞控制的AODV路由算法研究.光通信研究,2009,(3):61～64