劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

無線抄表中基于改進(jìn)的DSR路由算法的設(shè)計(jì)

劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

本文通過簡單介紹無線抄表系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理以及無線通信技術(shù)的發(fā)展，對進(jìn)一步了解無線抄表中的路由算法奠定基礎(chǔ).本文主要研究無線抄表系統(tǒng)中的路由算法，基于經(jīng)典的DSR路由算法進(jìn)行改進(jìn).通過簡單介紹DSR路由算法，了解DSR的工作原理，從路由建立與路由維護(hù)兩方面進(jìn)一步完成改進(jìn)的DSR路由算法.本文詳細(xì)介紹了改進(jìn)的DSR路由算法路由建立的過程，以及在路由算法中用到的消息格式，如RREQ，RREP等，完成對路由算法的深入認(rèn)識，使得路由建立的時(shí)間縮短，減少路由開銷，提高路由效率.

無線抄表系統(tǒng)；路由算法；DSR；路由建立

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，人們對智能化的要求也越來越高，國家也對智能電網(wǎng)使用的推動(dòng)[1-3]，我國開始實(shí)施無線抄表系統(tǒng).無線抄表系統(tǒng)不但在節(jié)省人力資源方面有著貢獻(xiàn)，而且還提高了抄表的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，避免了手工抄表帶來的效率低下、漏抄、誤抄以及抄表不及時(shí)的缺點(diǎn)[4].近年來，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于ZigBee、藍(lán)牙和無線射頻等抄表方式越來越成熟.在無線抄表過程中，如何準(zhǔn)確快速的進(jìn)行抄表是衡量抄表的重要指標(biāo).其中，路由算法的設(shè)計(jì)也是重中之重，一個(gè)良好的算法能夠完成又快又準(zhǔn)的無線抄表.現(xiàn)階段的抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在靈活性和可靠性方面存在著很大的局限性，而且隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，對通信的靈活性以及系統(tǒng)的易擴(kuò)展性都提出了較高的要求，這就需要一種能夠滿足這些需求的抄表系統(tǒng)來承載智能電網(wǎng)的未來抄表業(yè)務(wù).本文介紹基于改進(jìn)的DSR路由算法完成無線抄表.

1 無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要有三大部分組成，主站系統(tǒng)、集中器網(wǎng)絡(luò)和表計(jì)網(wǎng)絡(luò)組成.無線抄表的方式也有很多種，集中器與表計(jì)之間的無線方式有ZigBee、RF、WIFE等等，本文采用RF方式進(jìn)行下層通信[5]，即是集中器與表計(jì)之間進(jìn)行通信.整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為主站系統(tǒng)下發(fā)抄表命令給集中器抄取電量數(shù)據(jù)，集中器收到主站命令后，下發(fā)命令給表計(jì)（過程中包含路由的建立），表計(jì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器，集中器上傳數(shù)據(jù)給主站，完成一次數(shù)據(jù)的抄取.當(dāng)然無線抄表系統(tǒng)也會(huì)有誤差，本文將盡可能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，減少丟包率.

2 路由算法

2.1 DSR路由算法

動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR[6]屬于按需路由協(xié)議[7-8]，節(jié)點(diǎn)僅僅在需要發(fā)送信息且該節(jié)點(diǎn)沒有直接到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，通過一定的方式建立路由.DSR采用源路由機(jī)制進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)分組的頭部包含路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)該路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)分組，節(jié)點(diǎn)不需要定期發(fā)送檢測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制路由.DSR路由算法分為兩個(gè)過程，路由建立與路由維護(hù).當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它就會(huì)廣播路由請求報(bào)文，如果節(jié)點(diǎn)不是目的節(jié)點(diǎn)，所以它就將自己的地址加入路由請求報(bào)文的頭部序列中，然后傳給相鄰節(jié)點(diǎn)，以此類推直到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由回答，路由建立成功.路由維護(hù)過程在改進(jìn)的DSR路由算法中進(jìn)行介紹.

圖1 無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 改進(jìn)的DSR路由算法

2.2.1 DSR路由算法的建立過程

經(jīng)典的DSR路由算法雖然有優(yōu)點(diǎn)但同時(shí)也暴露出自身的缺點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的頭部都攜帶的路由信息，大大增加了數(shù)據(jù)包的開銷，降低了路由的效率，增加了路由建立的時(shí)間.本文介紹改進(jìn)的DSR路由算法，減少數(shù)據(jù)報(bào)包頭的消耗，提高了路由效率，縮短了路由建立需要的時(shí)間.采用源路由機(jī)制進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)分組的頭部包含路由信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)分組.網(wǎng)絡(luò)的開銷少，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，正好適合小區(qū)中的無線抄表設(shè)計(jì).

某個(gè)小區(qū)內(nèi)采用無線抄表方式進(jìn)行抄表，每個(gè)采集終端與表計(jì)看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)有新用戶安裝電表后，即有一個(gè)新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò).當(dāng)集中器要采集用戶的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)采集命令分組，告訴其要采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)去采集數(shù)據(jù).在發(fā)送采集命令分組之前，要先找到要采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)（目的節(jié)點(diǎn)）的路由信息，然后根據(jù)路由信息發(fā)送分組.圖2為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

基于改進(jìn)的DSR路由算法同樣包括路由發(fā)現(xiàn)過程和路由維護(hù)過程.改進(jìn)的DSR借用LEACH協(xié)議中簇頭的概念，將網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分層，減緩了中心節(jié)點(diǎn)的路由開銷.下面介紹具體過程.路由發(fā)現(xiàn)過程即是當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)發(fā)現(xiàn)沒有目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，則開始路由發(fā)現(xiàn)過程.源節(jié)點(diǎn)向路由表中的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息MESS，消息中包含源地址，目的地址.簇頭節(jié)點(diǎn)接收到MESS后，向周圍節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請求包RREQ，包含著源地址，目的地址，請求ID.若在一定的時(shí)間T內(nèi)，收到來自目的節(jié)點(diǎn)的RREP，包含著源地址，目的地址，簇頭ID，路由建立成功.中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ，首先判斷是否重復(fù)收到過RREQ，若是，則丟棄該RREQ，否則判斷是否是目的節(jié)點(diǎn)，若是，則向簇頭節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP，當(dāng)收到RREQ的節(jié)點(diǎn)不是目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，則丟棄.源節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)過程如圖3所示，中間節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)過程如圖4所示.

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 源節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)流程圖

圖4 中間節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)流程圖

在路由建立過程中，用到的消息格式有，消息格式MESS，路由請求包RREQ，路由回復(fù)包RREP，格式如下所示.

2.2.2 DSR路由維護(hù)過程

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)間與地點(diǎn)加入或退出該網(wǎng)絡(luò)，那么網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的.當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先要廣播其加入網(wǎng)絡(luò)的消息分組，消息格式如下，“B”是廣播消息的標(biāo)識，“N”新節(jié)點(diǎn)加入標(biāo)識，第三個(gè)字節(jié)為新節(jié)點(diǎn)ID地址.收到這個(gè)消息的節(jié)點(diǎn)，判斷自己是否是簇頭節(jié)點(diǎn)，若是將自己的ID加入到消息中，并且回復(fù)確認(rèn)加入網(wǎng)絡(luò)幀，格式如下，“N、S”是新節(jié)點(diǎn)加入成功標(biāo)識，簇頭ID為新節(jié)點(diǎn)加入的簇頭ID.消息格式如下所示：

路由維護(hù)過程，在傳輸數(shù)據(jù)分組的過程中，如果中間某個(gè)節(jié)點(diǎn)鏈路發(fā)生中斷，則中間節(jié)點(diǎn)可以用自身節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由表中的備用路由來替代分組中中斷的路由，然后再向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)路由錯(cuò)誤分組RRER.其中錯(cuò)誤分組RRER中包含了鏈路中斷的兩端節(jié)點(diǎn)的地址，中間節(jié)點(diǎn)收到RRER分組后會(huì)刪除所包含的發(fā)生中斷的那一跳的路由信息，而源節(jié)點(diǎn)收到RRER分組后，會(huì)把發(fā)生中斷的路由刪除掉，然后再重新發(fā)起一次路由請求.RRER消息格式如下所示.

在改進(jìn)的DSR路由算法中，中心節(jié)點(diǎn)維護(hù)著一個(gè)路由表，包含有二級簇頭節(jié)點(diǎn)的ID以及到二級節(jié)點(diǎn)ID的跳數(shù)，如表1所示.二級簇頭節(jié)點(diǎn)維護(hù)著自身的路由表，如表2所示.經(jīng)典的DSR路由算法的中心節(jié)點(diǎn)維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由信息，增大了中心節(jié)點(diǎn)的消耗，不利于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，降低了路由的效率.改進(jìn)的DSR路由算法，減少了中心節(jié)點(diǎn)的消耗，這樣有利于路由的快速尋找，減少路由建立所需要的時(shí)間，提高路由效率.

表1 中心節(jié)點(diǎn)的路由表的格式

表2 二級簇頭B1節(jié)點(diǎn)的路由表的格式

3 仿真結(jié)果

接下來直接對比兩種協(xié)議的路由建立時(shí)間.由圖5，6可以直觀的得出，使用改進(jìn)的DSR路由算法的路由建立時(shí)間較短，及時(shí)縮短了路由建立的時(shí)間，提高了路由效率.

DSR路由算法中，丟包率：number ofpackets sent：10 683 lost：27，丟包率=27/10 683，為0.25%.

改進(jìn)的DSR路由算法中，丟包率：number of packets sent：10 476 lost：17，丟包率=17/104 76，為0.16%.

圖5 DSR路由建立時(shí)間

圖6 改進(jìn)的DSR路由建立時(shí)間

4 結(jié)論

本文通過介紹經(jīng)典的DSR路由算法，了解其工作原理，明確該路由算法中的缺點(diǎn)，從路由建立和路由維護(hù)兩方面介紹改進(jìn)的DSR路由算法.通過介紹源節(jié)點(diǎn)路由發(fā)現(xiàn)和中間節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)路由發(fā)現(xiàn)過程進(jìn)行改進(jìn)DSR路由算法，同時(shí)編寫過程中用到的消息格式，使得路由算法更加明確.本文以節(jié)省路由開銷為初衷，完成路由的建立與維護(hù)，節(jié)省路由建立需要的時(shí)間和提高路由效率.

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An Improved DSR Routing Algorithm in Wireless Meter Reading System

LIU Qianqian,HOU Sizu
（School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding071003,Hebei,China）

A simple composition and working principle of wireless meter reading system and the development of wireless communication technology are described in details,laying the foundation for further understanding of the routing algorithm.The routing algorithm in wireless meter reading system based on the classic DSR routing algorithm is studied.Through a brief introduction of the DSR routing algorithm,the working principle of the DSR is examined.In two aspects of establishment and routing maintenance route,the DSR routing algorithm is improved. An improved routing algorithm is proposed based on DSR from the process of routes and a message format used in routing algorithms,such as RREQ,RREP,etc.In the routing algorithm, the time to establish the route is shortened.The routing overhead is reduced and the routing efficiency is improved.

wireless meter reading system;routing algorithm;DSR;route establishment

TM764

A

2016-08-01

劉倩倩（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng).E-mail：18331125659@163.com．侯思祖（1962—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng)、信號檢測與控制、PLC技術(shù).

1001-4217（2017）02-0052-06