[发明专利]工业无线网络拓扑管理方法

说明书

本发明公开了一种工业无线网络拓扑管理方法，用于解决现有工业无线网络管理方法实用性差的技术问题。技术方案是将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信。采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络。计算每个小型网络的网络负载：当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，而选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。根据被选节点到该小型网络sink节点的距离、采集频率等更新当前小型网络的负载，然后小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成，实用性好。

技术领域

本发明属于无线网络管理领域，特别涉及一种工业无线网络拓扑管理方法。

背景技术

工业无线网络技术是面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低耗能、实时通信等技术特征。目前工业无线网络领域已经形成了三大国际标准，分别是WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA。

文献“An energy-balancing graph-routing algorithm for WirelessHARTnetworks[C]//WirelessMobile.IEEE,2015.”为了最大化WirelessHART的网络生存时间，提出了能量均衡的图路由算法。该算法中采用分层的拓扑结构管理，首先采用广度优先搜索算法将节点分层，然后通过计算各层节点的通信负载来均衡分配任务，从而实现能量均衡，能够在保证端到端延迟的情况下提高网络的生存时间。

在工业无线网络中，传感器的功能大都只是数据的收集和命令的执行，网络中大部分的数据都是在传感器节点与网关设备之间进行传输，网络数据流具有一定的方向性。文献所述的网络拓扑结构中只有一个sink节点，sink节点是网络与网关设备之间的唯一通信桥梁，所有的网络数据流都会通过该sink节点，这不仅加剧了sink节点周边节点的负载通信量，导致网络生存时间减少，而且在sink节点处造成了数据流的拥堵，降低了数据传输的可靠性，增加了传输延迟。

现有技术缺点：传统的无线传感器网络通常应用于如森林防火检测等场景，然而在工业应用中，不能很好的满足工业数据对传输实时性、可靠性以及确定性等的要求。而工业无线网络尚属于较新的领域，研究和应用尚不广泛，在单sink网络下，所有数据流都会经过sink节点，虽然sink节点采用固定电源供电，但是sink节点周围采用电池供电的传感器节点传输任务重，能耗快，且传输冲突较多，增加了网络时延。采用多sink结构的网络能很好的解决这一问题，而现有的多sink研究多集中于sink节点的部署、提高网络数据传输率以及QoS保证等，并且大多采用传统的无线传感器网络。工业无线网络和传统无线网有所不同，运行环境更为苛刻，并且对数据的可靠性、实时性等要求更高，无论是在多sink网络拓扑的管理，还是在资源的调度上都有不同，因此不能直接将传统无线传感器网络的多sink拓扑管理方法直接应用于工业无线网络上。

此外，现有的工业无线网络研究多以数据为中心，重点在于提高数据传输的可靠性、降低网络时延以及增加网络生存时间等，往往忽略了sink节点周围负载较大这一网络生命期的瓶颈因素。

发明内容

为了克服现有工业无线网络管理方法实用性差的不足，本发明提供一种工业无线网络拓扑管理方法。该方法将网状的子网结构采用分层的结构进行管理，简化网状结构，同时规定节点只能与它同层次或低一层次的节点直接通信，也就是说数据只能通过更接近目的节点的中间节点进行转发。采用贪心法将多个sink节点划分为多个小型网络。计算每个小型网络的网络负载：当前网络负载总量最小的小型网络先选择节点，而选择节点时先选择离自己近的节点，逐层进行选择且保证选择节点的连通性，当具有多个距离相等的节点时则选择采集频率较大的传感器节点。当选择完成后，则根据被选节点到该小型网络sink节点的距离、采集频率等更新当前小型网络的负载，然后小型网络选择新的节点，直到所有节点都划分完成，实用性好。