[发明专利]一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法

摘要

本发明涉及一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，属于工业无线网络技术领域。为了减小工业无线网络中瓶颈节点对网络寿命的影响，达到均衡使用节点能量的目的，本发明结合工业无线网络路由特点，网络能耗因素等内容设计了权值跳数路由算法(WHLPR)。该算法通过对比最小跳数和最小能耗两种路由算法在能耗控制和能耗均衡上的表现，从全网的角度以可变权值来计算源节点到目标节点的权值跳数，利用节点的权值热度和剩余能量等级来均衡网络负载。该算法综合考虑了多路径、链路质量和时延等因素，从而达到降低、均衡网络能耗，提高能量的利用效率、延长网络的生命周期、减小瓶颈节点影响的目的。

主权项

1.一种能量均衡的工业无线网络的权值跳数路由方法，其特征在于：在该方法中，根据最小跳数路由算法和最小能耗路由算法分别计算其对应的梯度场和节点热度，再利用加权的方法计算节点的权值跳数和权值热度，建立节点的权值热度图，获取备选链路；把备选链路带入到以链路质量为权值的图，以节点的热度为权值的图，以调度时间为权值的图，以节点剩余能量为权值的图中进行评估，进一步筛选链路，获取最优链路；该方法具体包括以下步骤：S1：以网关为起点，首先建立最小跳数路由的梯度场H1，然后计算各个节点的热度h1；S2：以网关为起点，首先建立最小能耗路由的梯度场H2，然后计算各个节点的热度h2；S3：计算节点v_i权值跳数H'(v_i)，权值热度h'(v_i)，以及网络所有节点的平均权值热度Δh'；其中节点v_i的权值跳数计算公式为H'(v_i)＝λ₁H₁(v_i)+λ₂H₂(v_i)，权值热度计算公式为h'(v_i)＝λ₁h₁(v_i)+λ₂h₂(v_i)，λ₁、λ₂分别为最小跳数路由和最小能耗路由的权值，λ₁+λ₂＝1且0＜λ＜1；平均权值热度计算公式N表示网络节点总数；然后把符合权值跳数H'(v_i)的链路r_i以W(v_i)从小到大的顺序放入到集合X当中；S4：计算集合X中各条链路上的平均热度n为链路r_i中节点的个数，各条链路上节点最大热度值h'_max(r_i)＝max[h'(v_k)]，v_k为链路r_i中的节点；S5：计算最优链路r：把X集中的各条链路带入到不同权值图中进行评估；所述步骤S1具体包括：a)、令网关设备w的最小跳数路由的梯度场H1(w)＝0，令除网关以外节点vi的最小跳数路由ri的梯度场H1(vi)＝∞，H1(vi)是从节点vi到网关w的最小跳数路由的梯度场i∈(1,2,3.....N)，N为节点的数量；b)、令网关的所有邻居节点H1(vj)＝1，j∈(1,2,3.....m)，m为网关的邻居节点个数；c)、计算步骤b中节点v_j的所有邻居节点v_L的最小跳数路由的梯度场H₁(v_L)，L∈(1,2,3.....n)，n为v_j的所有邻居节点的个数,其中H₁(v_L)的计算公式为以此类推，再计算节点v_L的所有邻居节点的最小跳数路由的梯度场，直到计算出所有节点的最小跳数路由的梯度场值；在这里因为每个节点的最小跳数路由的梯度场有且只有一次被改变的机会，所以不存在回路问题；d)、根据梯度场H1计算各个节点的热度h1，首先建立各个节点vi到网关的唯一链路ri，建立准则为最小能耗准则，即当节点vi的上一跳，即梯度场中的跳数有多个节点的时候，选择时隙能耗w(vij)，最小的节点vj作为vi的上一跳建立链路，然后统计经过节点vi的链路条数得到h1(vi)，即为每个节点的热度值；所述步骤S2具体包括：a)、计算节点v_i到其邻居节点v_j的时隙能耗w(v_ij)，i∈(1,2,.....N)，j∈(1,2,.....m)，N为所有节点的个数，m为节点v_i的邻居节点个数；时隙能耗的计算过程如下，它可以由高精度锂电池监测芯片DS2780采样计算得到，首先调整芯片的采样时间为时隙模板时间T_S，由系统管理器配置，再由相邻采集点的电池剩余能量差Δw来计算节点v_i的时隙能耗b)、令网关设备w的最小能耗路由的梯度场H2(w)＝0，链路能耗W(w)＝0；令除网关以外节点vk的最小能耗路由的梯度场H2(vk)＝∞，节点vk的链路能耗W(vk)＝∞，其中H2(vk)为节点vk到网关的最小能耗路由的梯度场，W(vk)为节点vk到网关的通信的最小能耗；c)、令网关的所有邻居节点H2(vj)＝1，W(vj)＝w(vjw)，j∈(1,2,3.....m)，m为网关的邻居节点个数；d)、计算步骤c)中节点v_j的所有邻居节点v_k的最小能耗路由的梯度场H₂(v_k)，链路能耗W(v_k)，k∈(1,2,3.....n)，n为v_j的所有邻居节点的个数,其中W(v_k)的计算公式为H₂(v_k)的计算公式为以此类推，再计算节点v_k的所有邻居节点的最小能耗路由的梯度场和链路能耗，直到计算出所有节点的最小能耗路由的梯度场和链路能耗；在这里因为每个节点的最小能耗路由的梯度场有且只有一次被改变的机会，所以不存在回路问题；e)、选取链路能耗最小的链路作为节点vi到网关的唯一链路ri，统计经过节点vi的所有链路条数得到h2(vi)，即为每个节点的热度值；所述步骤S5具体包括：a)、将ri带入到以节点的热度为权值的图Gh中，当Δh'(ri)≤2Δh'且h'max(ri)≤2Δh'(ri)，则进入到步骤b，否则判断该条链路与其他链路重合度较高，进入到步骤f；b)、将ri带入到以调度时间为权值的图Gt中，当ri的调度时间小于调度时间限制，则进入步骤c，否则进入步骤f；c)、将r_i带入到以节点剩余能量为权值的图Gn中，若路径中的节点能量Ns(v_j)均小于2倍的平均能量同时大于2倍最大能量差Ns_max'(r_i)＝max(Ns(v_j)‑Ns(r_i))则进入步骤d，否则进入步骤f；d)、将ri带入到以链路质量为权值的图Gq中，当ri所有邻居节点间的链路质量均小于阈值(视通信情况调节)，则进入步骤e，否则进入步骤f；e)、把ri作为该节点到网关的最优链路，停止运算；f)、舍弃该链路，如果X集还存在其它链路，则再进入到步骤a对其它链路进行判断；否则，通过调整权值跳数H'(vi)来扩大选路范围，调整原则为：当这些链路是因为时延超过调度时限时，令H'(vi)＝H'(vi)‑1，否则令H'(vi)＝H'(vi)+1。