無線抄表中基于改進的DSR路由算法的設計

劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

無線抄表中基于改進的DSR路由算法的設計

劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

本文通過簡單介紹無線抄表系統的構成與工作原理以及無線通信技術的發展，對進一步了解無線抄表中的路由算法奠定基礎.本文主要研究無線抄表系統中的路由算法，基于經典的DSR路由算法進行改進.通過簡單介紹DSR路由算法，了解DSR的工作原理，從路由建立與路由維護兩方面進一步完成改進的DSR路由算法.本文詳細介紹了改進的DSR路由算法路由建立的過程，以及在路由算法中用到的消息格式，如RREQ，RREP等，完成對路由算法的深入認識，使得路由建立的時間縮短，減少路由開銷，提高路由效率.

無線抄表系統；路由算法；DSR；路由建立

0 引言

隨著科技的進步，人們對智能化的要求也越來越高，國家也對智能電網使用的推動[1-3]，我國開始實施無線抄表系統.無線抄表系統不但在節省人力資源方面有著貢獻，而且還提高了抄表的準確性和實時性，避免了手工抄表帶來的效率低下、漏抄、誤抄以及抄表不及時的缺點[4].近年來，隨著無線通信技術的快速發展，基于ZigBee、藍牙和無線射頻等抄表方式越來越成熟.在無線抄表過程中，如何準確快速的進行抄表是衡量抄表的重要指標.其中，路由算法的設計也是重中之重，一個良好的算法能夠完成又快又準的無線抄表.現階段的抄表系統結構在靈活性和可靠性方面存在著很大的局限性，而且隨著智能電網的發展，對通信的靈活性以及系統的易擴展性都提出了較高的要求，這就需要一種能夠滿足這些需求的抄表系統來承載智能電網的未來抄表業務.本文介紹基于改進的DSR路由算法完成無線抄表.

1 無線抄表系統結構

本文研究的無線抄表系統結構如圖1所示，系統主要有三大部分組成，主站系統、集中器網絡和表計網絡組成.無線抄表的方式也有很多種，集中器與表計之間的無線方式有ZigBee、RF、WIFE等等，本文采用RF方式進行下層通信[5]，即是集中器與表計之間進行通信.整個系統的工作原理為主站系統下發抄表命令給集中器抄取電量數據，集中器收到主站命令后，下發命令給表計（過程中包含路由的建立），表計將數據發送給集中器，集中器上傳數據給主站，完成一次數據的抄取.當然無線抄表系統也會有誤差，本文將盡可能保證數據的正確傳輸，減少丟包率.

2 路由算法

2.1 DSR路由算法

動態源路由協議DSR[6]屬于按需路由協議[7-8]，節點僅僅在需要發送信息且該節點沒有直接到達目的節點的路由時，通過一定的方式建立路由.DSR采用源路由機制進行分組轉發，數據分組的頭部包含路由信息，每個節點根據該路由進行轉發分組，節點不需要定期發送檢測網絡結構的控制路由.DSR路由算法分為兩個過程，路由建立與路由維護.當源節點要到目的節點時，它就會廣播路由請求報文，如果節點不是目的節點，所以它就將自己的地址加入路由請求報文的頭部序列中，然后傳給相鄰節點，以此類推直到目的節點發送路由回答，路由建立成功.路由維護過程在改進的DSR路由算法中進行介紹.

圖1 無線抄表系統結構

2.2 改進的DSR路由算法

2.2.1 DSR路由算法的建立過程

經典的DSR路由算法雖然有優點但同時也暴露出自身的缺點，每個數據報的頭部都攜帶的路由信息，大大增加了數據包的開銷，降低了路由的效率，增加了路由建立的時間.本文介紹改進的DSR路由算法，減少數據報包頭的消耗，提高了路由效率，縮短了路由建立需要的時間.采用源路由機制進行分組轉發，數據分組的頭部包含路由信息，各個節點根據路由轉發分組.網絡的開銷少，網絡結構相對穩定，正好適合小區中的無線抄表設計.

某個小區內采用無線抄表方式進行抄表，每個采集終端與表計看成一個節點，當有新用戶安裝電表后，即有一個新節點加入網絡.當集中器要采集用戶的數據時，就會發送一個數據采集命令分組，告訴其要采集數據的節點去采集數據.在發送采集命令分組之前，要先找到要采集數據的節點（目的節點）的路由信息，然后根據路由信息發送分組.圖2為網絡的拓撲結構.

基于改進的DSR路由算法同樣包括路由發現過程和路由維護過程.改進的DSR借用LEACH協議中簇頭的概念，將網絡的拓撲結構進行分層，減緩了中心節點的路由開銷.下面介紹具體過程.路由發現過程即是當源節點要向目的節點發送分組時發現沒有目的節點的路由信息，則開始路由發現過程.源節點向路由表中的簇頭節點發送消息MESS，消息中包含源地址，目的地址.簇頭節點接收到MESS后，向周圍節點廣播一個路由請求包RREQ，包含著源地址，目的地址，請求ID.若在一定的時間T內，收到來自目的節點的RREP，包含著源地址，目的地址，簇頭ID，路由建立成功.中間節點收到RREQ，首先判斷是否重復收到過RREQ，若是，則丟棄該RREQ，否則判斷是否是目的節點，若是，則向簇頭節點回復RREP，當收到RREQ的節點不是目的節點時，則丟棄.源節點的路由發現過程如圖3所示，中間節點及目的節點的路由發現過程如圖4所示.

圖2 網絡拓撲結構

圖3 源節點的路由發現流程圖

圖4 中間節點及目的節點的路由發現流程圖

在路由建立過程中，用到的消息格式有，消息格式MESS，路由請求包RREQ，路由回復包RREP，格式如下所示.

2.2.2 DSR路由維護過程

網絡中的節點可以在任何時間與地點加入或退出該網絡，那么網絡的拓撲結構是動態變化的.當有新的節點要加入網絡時，首先要廣播其加入網絡的消息分組，消息格式如下，“B”是廣播消息的標識，“N”新節點加入標識，第三個字節為新節點ID地址.收到這個消息的節點，判斷自己是否是簇頭節點，若是將自己的ID加入到消息中，并且回復確認加入網絡幀，格式如下，“N、S”是新節點加入成功標識，簇頭ID為新節點加入的簇頭ID.消息格式如下所示：

路由維護過程，在傳輸數據分組的過程中，如果中間某個節點鏈路發生中斷，則中間節點可以用自身節點維護的路由表中的備用路由來替代分組中中斷的路由，然后再向源節點發送一個路由錯誤分組RRER.其中錯誤分組RRER中包含了鏈路中斷的兩端節點的地址，中間節點收到RRER分組后會刪除所包含的發生中斷的那一跳的路由信息，而源節點收到RRER分組后，會把發生中斷的路由刪除掉，然后再重新發起一次路由請求.RRER消息格式如下所示.

在改進的DSR路由算法中，中心節點維護著一個路由表，包含有二級簇頭節點的ID以及到二級節點ID的跳數，如表1所示.二級簇頭節點維護著自身的路由表，如表2所示.經典的DSR路由算法的中心節點維護著整個網絡內節點的路由信息，增大了中心節點的消耗，不利于網絡的穩定，降低了路由的效率.改進的DSR路由算法，減少了中心節點的消耗，這樣有利于路由的快速尋找，減少路由建立所需要的時間，提高路由效率.

表1 中心節點的路由表的格式

表2 二級簇頭B1節點的路由表的格式

3 仿真結果

接下來直接對比兩種協議的路由建立時間.由圖5，6可以直觀的得出，使用改進的DSR路由算法的路由建立時間較短，及時縮短了路由建立的時間，提高了路由效率.

DSR路由算法中，丟包率：number ofpackets sent：10 683 lost：27，丟包率=27/10 683，為0.25%.

改進的DSR路由算法中，丟包率：number of packets sent：10 476 lost：17，丟包率=17/104 76，為0.16%.

圖5 DSR路由建立時間

圖6 改進的DSR路由建立時間

4 結論

本文通過介紹經典的DSR路由算法，了解其工作原理，明確該路由算法中的缺點，從路由建立和路由維護兩方面介紹改進的DSR路由算法.通過介紹源節點路由發現和中間節點及目的節點路由發現過程進行改進DSR路由算法，同時編寫過程中用到的消息格式，使得路由算法更加明確.本文以節省路由開銷為初衷，完成路由的建立與維護，節省路由建立需要的時間和提高路由效率.

[1]樊邦奎，丁冠軍，蘭海濱，等.面向智能電網應用的云計算架構研究[J].電力信息與通信技術，2014，12（1）：1-6.

[2]吳輝，侯思祖.SQLite數據庫在電力抄表集中器中的應用[J].電力信息與通信技術，2013，11（7）：82-86.

[3]屈媛媛.智能電網技術在用電營銷中的應用研究[J].科技與企業，2015（4）：111.

[4]王桂軍.自動抄表系統的無線抄表路由設計[J].中國科技論文在線，2011（1）：1-6.

[5]陳鵬.基于ARM的無線抄表系統的研究與應用[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[6]楊陽，侯思祖，楊國旗.基于無線通信芯片Si4438抄表模塊的研究[J].中小企業管理與科技，2015 （23）：234-234.

[7]史美林，英春.自組網路由協議綜述[J].通信學報，2001，22（11）：93-103.

[8]張莉莉，王衛華.無線自組網絡路由算法綜述[J].軟件導刊，2009（10）：73-75.

An Improved DSR Routing Algorithm in Wireless Meter Reading System

LIU Qianqian,HOU Sizu
（School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding071003,Hebei,China）

A simple composition and working principle of wireless meter reading system and the development of wireless communication technology are described in details,laying the foundation for further understanding of the routing algorithm.The routing algorithm in wireless meter reading system based on the classic DSR routing algorithm is studied.Through a brief introduction of the DSR routing algorithm,the working principle of the DSR is examined.In two aspects of establishment and routing maintenance route,the DSR routing algorithm is improved. An improved routing algorithm is proposed based on DSR from the process of routes and a message format used in routing algorithms,such as RREQ,RREP,etc.In the routing algorithm, the time to establish the route is shortened.The routing overhead is reduced and the routing efficiency is improved.

wireless meter reading system;routing algorithm;DSR;route establishment

TM764

A

2016-08-01

劉倩倩（1990—），女，碩士研究生，研究方向為電力通信網.E-mail：18331125659@163.com．侯思祖（1962—），男，教授，碩士生導師，主要研究方向為電力通信網、信號檢測與控制、PLC技術.

1001-4217（2017）02-0052-06