[发明专利]一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于工业无线传感器网络的路由方法。

背景技术

无线传感器网络正在给人类生活和生产的各个领域带来深远影响，在国防军事、工业控制、医疗卫生、环境监测、城市交通以及空间探索等领域具有较广阔的应用前景。近几年来，无线传感器与智能工业的联系越来越紧密。工业无线传感器网络充分融合传感器、计算机网络等现代化技术，以低成本、低投资及高度适用性等优势，实现对工业生产流程的“泛在感知”，以更便捷、更高效的方式获取传统生产线上难以获取的重要过程参数，提高控制效率及产能。

工业无线传感器网络有别于一般的无线传感器网络，其在数据可靠性、安全性以及传输实时性等方面均有较高要求。无线数据的路由技术是工业无线传感器网络的核心技术，对于保障网络的高效运行起着重要作用。

目前对于工业无线传感器网络路由算法的研究大多只考虑最优的信道质量，这种方法不能适用于采用跳信道方式进行通信的网络(如ISA100.11a、WirelessHART以及WIA-PA等)，因为在这些网络中，传感器节点之间的每一次通信都会采用不同的信道，因此无法通过评估信道质量的方法来计算节点间的通信质量，从而也不能利用该方法生成路由信息。而另外一些研究则关注工业无线传感器网络的能量均衡问题，在路由算法选择路由路径时，尽可能地均衡每一个传感器节点的路由能量消耗，最大化网络的生存时间。然而，这些方法普遍忽视了传感器节点的内存开销，若有过多的路由路径经过同一个传感器节点，则该节点的大部分内存空间将会被转发队列所占用，严重时会导致节点无法进行正常的数据收发操作。因此，内存资源与能量资源对于传感器节点而言同等重要。除此以外，也有一些学者提出基于最短延时的路由算法，然而该方法需要基于已知的调度信息进行延时计算，当传感器网络中出现节点增删、移动时，调度信息往往会由于路由的改变而改变，这时就无法利用已知的调度信息进行路由计算。

综上所述，现有的工业无线传感器网络路由方法不能很好的适用于实际的工业无线网络，且在保持内存与能量消耗均衡性方面有待提高。

发明内容

本发明的目的是：为了解决上述问题，本发明提供了一种基于资源均衡的多径路由方法，资源均衡包括内存资源均衡以及能量资源均衡两个方面：在生成路由路径的时候，基于本方法实现的路由算法能根据网络内传感器节点当前的内存、能量负载情况，计算出每一条路径的负载优先级。同时为了保证数据传输的可靠性，本发明还提供了一种冗余路由路径的生成方法，数据源节点发出的无线数据可通过多条路径到达目的节点，结合上述资源均衡策略，传感器节点在可选的多条路径中优先选择负载优先级较高的路由路径进行发送。当一条路由路径失效时，传感器节点可以选择另一条负载优先级次高的路由路径。该方法能进一步减小或消除工业无线传感器网络数据传输过程中出现的丢包、节点失效等问题，保障数据的可靠传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案，即一种适用于工业无线传感器网络的资源均衡多径路由方法，主要包括以下步骤：

步骤一：当前网络拓扑为G(V,E)，V表示网络中的传感器节点的集合，E表示传感器节点之间相连的边的集合，从数据传输的目的节点出发，遍历网络中的每一个传感器节点，计算广度优先搜索生成树T_BFS；

步骤二：根据步骤一中计算得到的生成树T_BFS，其叶子节点组成叶子节点集合V_leaf。创建集合M和一个先进先出的队列Q；

步骤三：任意取出步骤二V_leaf中的一个叶子节点V_j(j＝1,2,...,k)，k为叶子节点总数，把V_j加入集合M。若V_leaf为空，则转至步骤七；

步骤四：从集合M中取出一个元素V_d，设元素V_d在步骤一所述的生成树T_BFS中的深度为d，取所有深度为d-1且在G(V,E)中与V_d有相连边的传感器节点，加入集合M；