基于動態路由表的微功率無線路由重構研究

梁捷 蔣雯倩

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

關鍵詞：組網;微功率無線;動態路由表

中圖分類號：TN915? ? ? 文獻標志碼：A

隨著廣西電網對計量自動化數據采集質量要求的不斷提高，對低壓臺區用電數據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憑借低功率的無線射頻網絡媒介具有的功耗較小、建設成本較低等特點得到廣泛應用。但同時也存在著無線信道易受臨頻干擾、缺乏對配電網中各臺區網絡拓撲結構變化的靈活調整方案等問題。

為提高微功率無線技術的通信可靠性，除了研究物理層面的抗干擾設計和調制解調方案外，還需優化當網絡拓撲結構發生變化時的網絡層中繼路由方案。考慮到電力線信道的時變特征，網絡在運行時，會出現部分鏈路失效的情況，此時需進行局部路由快速重構以恢復通信。近年來常見的微功率組網重構算法各有優缺點，難以兼顧組網的效率和擁堵度。

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

1 微功率無線通信組網流程

由于單個節點對周圍網絡范圍內的搜索能力有限，為提高網絡的通信覆蓋率，微功率無線網絡的結構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，則表計節點在微功率無線通信網絡中代表電能表或采集器通信設備。以集中器為數據收集中心（主節點），一定數量的表計節點構成一個簇，其中由能量充足的電表或采集器節點充當簇頭。傳統洪泛算法組網時，首先由集中器上的微功率主節點通信模塊決定本地子網的工作頻段，而電表節點（從節點）模塊的初始頻率為該頻段中的隨機態。由集中器控制簇頭節點逐級向其他電表節點分組發送廣播組網命令，經過分簇后的網絡，由原先的大的整體變成了多個小的局部，能夠減少無用數據的傳輸。

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

首先定義路由表存在于無線網絡節點的自身信息，其內容包括電表/采集器的節點編號和MAC地址、節點i的擁塞度Ci和信號強度Qi、簇頭節點鏈表、各節點的數據隊列和相對于集中器節點的跳數值。路由表可隨網絡拓撲變化動態更新。Ci定義為：

（1）

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

設游離節點從節點i通過路段eq到達節點j的通信路徑有效距離為dij，則

（2）

式中：xij為路徑決策變量，若游離節點由通信節點i跳至j時，則xij=1，否則為0;Sa為當前跳數的無線搜索范圍內的節點i和j之間的網絡路段集合。

2 路由重構算法組網過程

網絡內某一節點向上多跳組網的過程如下。

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

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

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

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

其中，w1、w2、w3分別為平衡擁塞度、通信路徑距離和當前信號強度的權重，dij表示取i，j之間距離最小的路徑。以Si較小的路徑為優，可確保在游離節點選擇轉發數據的下一跳簇頭節點時，既要保證下一跳節點的信號強度盡可能強，又要有盡可能小的擁堵度和較短的通信路徑。

（4）收到該簇頭節點的確認應答后，該游離節點加入網絡并更新路由表。如果在等待時限內，沒有收到來自對方的確認消息，那么認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、擁塞指數最低的原則選擇其他的簇頭節點進行傳輸，直到接收回復的確認消息，才能宣告此次數據傳輸成功。

（5）二跳至多跳范圍的組網過程類似一跳節點的組網過程。重復上述過程直到傳輸到遠端的主節點完成網絡重構。

3 仿真與結果分析

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洪泛路由算法的數據吞吐量進行比較。

測試網絡的信道鏈路容量為1 900 bps，每個數據包的大小為1.8 bit。假設在1 500 s時刻，節點8與節點13之間的鏈路13-8通信失效，分析節點8的通信鏈路數據吞吐量關系。壓力測試是通過壓力發生器對測試系統發起大量的并發網絡請求。

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

4 結語

針對低壓集抄系統微功率無線通信的傳統洪泛路由算法在進行網絡重構時網絡擁堵度較高，穩定性的問題。提出了一種基于路由表的改進路由重構算法，通過臨時路由表保存簇頭節點的擁堵度等組網信息，在網絡重構過程中對組網路徑進行優化排序。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點的擁堵和信號強度等情況，比傳統方法的網絡穩定性好，其有效性也得到了驗證。

參考文獻

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