[發明專利]工業無線網絡拓撲管理方法

有效

• 申請號: 201910388730.6
• 申請日: 2019-05-10
• 公開（公告）號: CN110198544B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 李志剛;楊超;孫文峰;楊誕倫;李士寧
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明公開了一種工業無線網絡拓撲管理方法，用于解決現有工業無線網絡管理方法實用性差的技術問題。技術方案是將網狀的子網結構采用分層的結構進行管理，簡化網狀結構，同時規定節點只能與它同層次或低一層次的節點直接通信。采用貪心法將多個sink節點劃分為多個小型網絡。計算每個小型網絡的網絡負載：當前網絡負載總量最小的小型網絡先選擇節點，而選擇節點時先選擇離自己近的節點，逐層進行選擇且保證選擇節點的連通性，當具有多個距離相等的節點時則選擇采集頻率較大的傳感器節點。根據被選節點到該小型網絡sink節點的距離、采集頻率等更新當前小型網絡的負載，然后小型網絡選擇新的節點，直到所有節點都劃分完成，實用性好。

技術領域

本發明屬于無線網絡管理領域，特別涉及一種工業無線網絡拓撲管理方法。

背景技術

工業無線網絡技術是面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境使用，具有很強的抗干擾能力、超低耗能、實時通信等技術特征。目前工業無線網絡領域已經形成了三大國際標準，分別是WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA。

文獻“An energy-balancing graph-routing algorithm for WirelessHARTnetworks[C]//WirelessMobile.IEEE,2015.”為了最大化WirelessHART的網絡生存時間，提出了能量均衡的圖路由算法。該算法中采用分層的拓撲結構管理，首先采用廣度優先搜索算法將節點分層，然后通過計算各層節點的通信負載來均衡分配任務，從而實現能量均衡，能夠在保證端到端延遲的情況下提高網絡的生存時間。

在工業無線網絡中，傳感器的功能大都只是數據的收集和命令的執行，網絡中大部分的數據都是在傳感器節點與網關設備之間進行傳輸，網絡數據流具有一定的方向性。文獻所述的網絡拓撲結構中只有一個sink節點，sink節點是網絡與網關設備之間的唯一通信橋梁，所有的網絡數據流都會通過該sink節點，這不僅加劇了sink節點周邊節點的負載通信量，導致網絡生存時間減少，而且在sink節點處造成了數據流的擁堵，降低了數據傳輸的可靠性，增加了傳輸延遲。

現有技術缺點：傳統的無線傳感器網絡通常應用于如森林防火檢測等場景，然而在工業應用中，不能很好的滿足工業數據對傳輸實時性、可靠性以及確定性等的要求。而工業無線網絡尚屬于較新的領域，研究和應用尚不廣泛，在單sink網絡下，所有數據流都會經過sink節點，雖然sink節點采用固定電源供電，但是sink節點周圍采用電池供電的傳感器節點傳輸任務重，能耗快，且傳輸沖突較多，增加了網絡時延。采用多sink結構的網絡能很好的解決這一問題，而現有的多sink研究多集中于sink節點的部署、提高網絡數據傳輸率以及QoS保證等，并且大多采用傳統的無線傳感器網絡。工業無線網絡和傳統無線網有所不同，運行環境更為苛刻，并且對數據的可靠性、實時性等要求更高，無論是在多sink網絡拓撲的管理，還是在資源的調度上都有不同，因此不能直接將傳統無線傳感器網絡的多sink拓撲管理方法直接應用于工業無線網絡上。

此外，現有的工業無線網絡研究多以數據為中心，重點在于提高數據傳輸的可靠性、降低網絡時延以及增加網絡生存時間等，往往忽略了sink節點周圍負載較大這一網絡生命期的瓶頸因素。

發明內容

為了克服現有工業無線網絡管理方法實用性差的不足，本發明提供一種工業無線網絡拓撲管理方法。該方法將網狀的子網結構采用分層的結構進行管理，簡化網狀結構，同時規定節點只能與它同層次或低一層次的節點直接通信，也就是說數據只能通過更接近目的節點的中間節點進行轉發。采用貪心法將多個sink節點劃分為多個小型網絡。計算每個小型網絡的網絡負載：當前網絡負載總量最小的小型網絡先選擇節點，而選擇節點時先選擇離自己近的節點，逐層進行選擇且保證選擇節點的連通性，當具有多個距離相等的節點時則選擇采集頻率較大的傳感器節點。當選擇完成后，則根據被選節點到該小型網絡sink節點的距離、采集頻率等更新當前小型網絡的負載，然后小型網絡選擇新的節點，直到所有節點都劃分完成，實用性好。