王 欣，周 侗，何健浩

（1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng)1100161；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引 言

伴隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，人們對(duì)自動(dòng)抄表應(yīng)用的呼聲越來(lái)越高［1］。目前中國(guó)的自動(dòng)抄表技術(shù)主要為IC卡抄表、電力載波抄表、RS485總線(xiàn)抄表等，但是這些措施各自都有很大的弊端［2］。IC卡抄表因表具直接與用戶(hù)接觸，極易造成人為破壞，不能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；電力載波抄表易受電磁干擾，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量，線(xiàn)路阻抗特性及衰減問(wèn)題也制約了信號(hào)傳輸距離；RS485總線(xiàn)抄表數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高，但是前期布線(xiàn)困難，后期維護(hù)復(fù)雜、成本高。無(wú)線(xiàn)抄表技術(shù)具有易于實(shí)現(xiàn)、傳輸速率高、成本造價(jià)低、易于普及等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)中國(guó)公共事業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［3］。本文在無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的框架下，提出了可靠的路由建立和維護(hù)算法，有助于實(shí)現(xiàn)能源企業(yè)對(duì)用戶(hù)三表的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、計(jì)量、管理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照小區(qū)規(guī)模，在多棟樓之間設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)類(lèi)似于普通節(jié)點(diǎn)，但其計(jì)算量、存儲(chǔ)量比普通節(jié)點(diǎn)大，它主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)和服務(wù)器下達(dá)的命令。用戶(hù)計(jì)量表為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至中心節(jié)點(diǎn)，最后由中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)GSM、GPRS、3G等無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)送到管理部門(mén)的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)能源公司對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、管理和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等［4］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由3部分組成：

（1）安裝在用戶(hù)家中具有感知采集、計(jì)算存儲(chǔ)、無(wú)線(xiàn)傳輸功能的智能計(jì)量表 （無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)）；

（2）安裝于多棟樓之間的中心節(jié)點(diǎn)；

（3）服務(wù)器管理系統(tǒng)，一般安裝在能源管理公司。

圖1 無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用被動(dòng)抄表方式，中心節(jié)點(diǎn)接收到服務(wù)器管理中心發(fā)來(lái)抄表命令后，通知所管轄的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包上傳，節(jié)點(diǎn)通過(guò)查詢(xún)路由表將數(shù)據(jù)沿最優(yōu)路徑上傳至中心節(jié)點(diǎn)，最后轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器管理中心［5］。數(shù)據(jù)通信的可靠性是衡量無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)［6］，論文對(duì)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)至用戶(hù)計(jì)量表節(jié)點(diǎn)之間的下行通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種面向無(wú)線(xiàn)抄表應(yīng)用的路由算法，通過(guò)一定的路由建立和維護(hù)機(jī)制來(lái)保證通信鏈路的可靠性，并對(duì)該路由算法進(jìn)行了建模仿真。

2 路由算法

2.1 路由建立算法

網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有一張鄰居表［7］，登記一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息，用以路由維護(hù)，鄰居表結(jié)構(gòu)如表1所示［8］。

表1 鄰居表結(jié)構(gòu)

（1）路由建立時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)造路由建立請(qǐng)求報(bào)文，報(bào)文中包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)距中心節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)Node＿length，中心節(jié)點(diǎn)初始化Node＿length＝0，目的地址為全網(wǎng)廣播地址0xFFFFFFFF，將路由建立請(qǐng)求報(bào)文注入網(wǎng)絡(luò)；

（2）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)維護(hù)著自身的深度屬性iNode＿length，即該節(jié)點(diǎn)距離中心節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，上電初始化為0xff。節(jié)點(diǎn)接收到不同鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播的路由建立請(qǐng)求報(bào)文后，將請(qǐng)求報(bào)文中的Node＿length與自身深度屬性值iNode＿length作比較［9］：若Node＿length＋1＜＝iNode＿length，修改自身深度屬性值iNode＿length＝Node＿length＋1，將報(bào)文中前一跳節(jié)點(diǎn)加入到鄰居表，設(shè)置Relation＝Parent，并將路由建立請(qǐng)求報(bào)文中上一跳地址改為本節(jié)點(diǎn)地址，Node＿length值加1，繼續(xù)廣播路由請(qǐng)求報(bào)文；若Node＿length＞＝iNode＿length，僅將前一跳節(jié)點(diǎn)登記到自身鄰居表中，不再轉(zhuǎn)播該報(bào)文。

（3）路由請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)完畢后，節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)鄰居表選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)登記到路由表中，并將路由表信息打包為路由登記報(bào)文單播至父節(jié)點(diǎn)，最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選擇依據(jù)：①深度值小的節(jié)點(diǎn)；②鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)的節(jié)點(diǎn)；

（4）節(jié)點(diǎn)接收到下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由登記包后，將子節(jié)點(diǎn)的路由信息登記到自身路由表中，繼續(xù)上傳路由登記包至中心節(jié)點(diǎn)。路由建立算法流程圖如圖2所示。

圖3為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)建立鏈路后的示意圖，短地址為1.0的是中心節(jié)點(diǎn)，短地址從1.1到1.8的是用戶(hù)計(jì)量表節(jié)點(diǎn)。表2為節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由登記報(bào)文建立的路由表。從表2中可以清楚地看到每一級(jí)節(jié)點(diǎn)的路由表都是上一級(jí)節(jié)點(diǎn)路由表的子集。假設(shè)中心節(jié)點(diǎn) （1.0節(jié)點(diǎn)）想給1.6節(jié)點(diǎn)下達(dá)一個(gè)命令。中心節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)自己的路由表，找到1.6節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)1.5節(jié)點(diǎn)，繼而找到1.5節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)1.3節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)將報(bào)文單播給1.3節(jié)點(diǎn)。1.3節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后再訪問(wèn)自己的路由表，重復(fù)上述過(guò)程，將此命令轉(zhuǎn)發(fā)給1.5節(jié)點(diǎn)，依此類(lèi)推，最終將報(bào)文發(fā)送至1.6節(jié)點(diǎn)。

雙向的路由建立算法，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)建立了上下行路由：路由建立請(qǐng)求報(bào)文使節(jié)點(diǎn)建立了自身到中心節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)鏈路，通過(guò)路由登記報(bào)文，節(jié)點(diǎn)建立了到子節(jié)點(diǎn)的下行路由。在此過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)登記了完整的鄰居表，在增加冗余鏈路的同時(shí)，維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，提高了算法的可靠性。

2.2 路由維護(hù)算法

在無(wú)線(xiàn)抄表實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)量表節(jié)點(diǎn)自身功耗過(guò)低、外部干擾或人為因素都將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，另外，節(jié)點(diǎn)的更換、新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)等情況也將使網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生變化，需要及時(shí)更新路由表以維護(hù)可靠路由［10］。本文采用雙向Hello報(bào)文進(jìn)行路由維護(hù)，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)間相互交換Hello報(bào)文管理鄰居表中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化，從而保證節(jié)點(diǎn)上下行路由的可靠性。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)周期性的向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播Hello報(bào)文，報(bào)文的目的地址為一跳范圍內(nèi)的廣播地址0xFFFFFFF1，鄰居節(jié)點(diǎn)收到Hello報(bào)文后，修改目的地址為源節(jié)點(diǎn)的地址，并將自身節(jié)點(diǎn)的深度值加入到報(bào)文中單播發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Hello回復(fù)報(bào)文后，查看鄰居表：

（1）若該節(jié)點(diǎn)存在鄰居表中，更新節(jié)點(diǎn)深度值并將該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Fail＿time值復(fù)位為0；

圖2 路由建立算法流程

圖3 節(jié)點(diǎn)路由

（2）若在一定時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有收到某鄰居節(jié)點(diǎn)的Hello回復(fù)報(bào)文，將該鄰居節(jié)點(diǎn)的State屬性改為離線(xiàn)，并查看鄰居表中該節(jié)點(diǎn)的Fail＿time值，若Fail＿time＜ MAX＿FailTimes，F(xiàn)ail＿time值加1，若Fail＿time＞＝ MAX＿FailTimes，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)已離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，清除鄰居表中該節(jié)點(diǎn)的信息。若此節(jié)點(diǎn)為路由表中父節(jié)點(diǎn)，則說(shuō)明上行路由失敗，節(jié)點(diǎn)從鄰居表中選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)更新路由表 （鄰居表中失敗節(jié)點(diǎn)信息已刪除），并通過(guò)新的父節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由更新報(bào)文。若此節(jié)點(diǎn)為路由表中子節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)刪除該路由，通過(guò)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由更新報(bào)文。

（3）若鄰居表中不存在該節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明此節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)信息注冊(cè)到鄰居表中，并通過(guò)自身父節(jié)點(diǎn)上傳路由更新報(bào)文。

表2 部分節(jié)點(diǎn)路由表

新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上電后，定時(shí)發(fā)送Hello報(bào)文，根據(jù)接收到的Hello回復(fù)報(bào)文將鄰居節(jié)點(diǎn)加入到自身鄰居表，并選取最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)登記到路由表中，同時(shí)通過(guò)父節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由更新報(bào)文。

圖4為Hello報(bào)文交換示意圖。地址為2.0的節(jié)點(diǎn)周期性的廣播一跳范圍內(nèi)Hello報(bào)文，鄰居節(jié)點(diǎn)返回Hello回復(fù)報(bào)文，2.0節(jié)點(diǎn)根據(jù) Hello回復(fù)報(bào)文更新鄰居表。圖5為Hello回復(fù)報(bào)文示意圖，因鏈路失效，2.0節(jié)點(diǎn)在定時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到3.1節(jié)點(diǎn)的Hello回復(fù)報(bào)文，則改變鄰居表中3.1節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的State和Fail＿time屬性值。表3為2.0節(jié)點(diǎn)鄰居表。

圖4 Hello報(bào)文發(fā)送

圖5 Hello回復(fù)報(bào)文發(fā)送

表3 短地址為2.0節(jié)點(diǎn)鄰居表

3 路由協(xié)議建模及仿真

通過(guò)OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò)模型，驗(yàn)證路由算法的可靠性［11］。網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積為500m×400m，無(wú)線(xiàn)信道帶寬為1M，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為9個(gè)，節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為100m，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的分布相對(duì)均勻，系統(tǒng)中sink節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送路由建立請(qǐng)求報(bào)文至各個(gè)智能表節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由建立算法回復(fù)路由登記報(bào)文，從而為每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)建立最優(yōu)路由。

圖7為路由建立后，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)示意圖，從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)均維護(hù)著自身到中心節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路由，數(shù)據(jù)沿最優(yōu)鏈路多跳轉(zhuǎn)發(fā)至中心節(jié)點(diǎn)。例如：短地址為3.1的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)2.0、1.0節(jié)點(diǎn)上傳至sink節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)中短地址為1.0和2.0的節(jié)點(diǎn)作為較高層次的父節(jié)點(diǎn)，維護(hù)著較多的下游子節(jié)點(diǎn)，故發(fā)送報(bào)文數(shù)量明顯多于其他節(jié)點(diǎn)，圖8為各節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖。

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 節(jié)點(diǎn)數(shù)傳輸

圖8 節(jié)點(diǎn)傳輸報(bào)文數(shù)目統(tǒng)計(jì)

節(jié)點(diǎn)通過(guò)Hello報(bào)文互換機(jī)制管理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，及時(shí)更新鄰居表和路由表，確保終端節(jié)點(diǎn)通往中心節(jié)點(diǎn)的鏈路可靠。圖9為短地址為1.0的節(jié)點(diǎn)失效離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)后，各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。短地址為2.0的節(jié)點(diǎn)從鄰居表中選擇短地址為1.1的節(jié)點(diǎn)作為新的父節(jié)點(diǎn)更新路由表，此時(shí)，1.1節(jié)點(diǎn)的下游子節(jié)點(diǎn)明顯增多，任務(wù)量加重，由圖10可見(jiàn)，1.1節(jié)點(diǎn)的報(bào)文傳輸量較圖8明顯增多。

圖9 1.0節(jié)點(diǎn)失效后數(shù)據(jù)傳輸

圖10 1.0節(jié)點(diǎn)失效后報(bào)文傳輸數(shù)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種面向無(wú)線(xiàn)抄表應(yīng)用的路由算法，該算法通過(guò)路由建立請(qǐng)求報(bào)文和路由登記報(bào)文使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)建立了自身到中心節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路由，減少節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文數(shù)量，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷；基于Hello報(bào)文的鄰居交換機(jī)制可有效的進(jìn)行路由維護(hù)，提高節(jié)點(diǎn)上下行路由的可靠性，算法復(fù)雜度低，可靠性高。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性和可行性。但對(duì)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)中報(bào)文傳輸?shù)臎_突問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究［12］。

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