无线抄表中基于改进的DSR路由算法的设计

刘倩倩，侯思祖

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

无线抄表中基于改进的DSR路由算法的设计

刘倩倩，侯思祖

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

本文通过简单介绍无线抄表系统的构成与工作原理以及无线通信技术的发展，对进一步了解无线抄表中的路由算法奠定基础.本文主要研究无线抄表系统中的路由算法，基于经典的DSR路由算法进行改进.通过简单介绍DSR路由算法，了解DSR的工作原理，从路由建立与路由维护两方面进一步完成改进的DSR路由算法.本文详细介绍了改进的DSR路由算法路由建立的过程，以及在路由算法中用到的消息格式，如RREQ，RREP等，完成对路由算法的深入认识，使得路由建立的时间缩短，减少路由开销，提高路由效率.

无线抄表系统；路由算法；DSR；路由建立

0 引言

随着科技的进步，人们对智能化的要求也越来越高，国家也对智能电网使用的推动[1-3]，我国开始实施无线抄表系统.无线抄表系统不但在节省人力资源方面有着贡献，而且还提高了抄表的准确性和实时性，避免了手工抄表带来的效率低下、漏抄、误抄以及抄表不及时的缺点[4].近年来，随着无线通信技术的快速发展，基于ZigBee、蓝牙和无线射频等抄表方式越来越成熟.在无线抄表过程中，如何准确快速的进行抄表是衡量抄表的重要指标.其中，路由算法的设计也是重中之重，一个良好的算法能够完成又快又准的无线抄表.现阶段的抄表系统结构在灵活性和可靠性方面存在着很大的局限性，而且随着智能电网的发展，对通信的灵活性以及系统的易扩展性都提出了较高的要求，这就需要一种能够满足这些需求的抄表系统来承载智能电网的未来抄表业务.本文介绍基于改进的DSR路由算法完成无线抄表.

1 无线抄表系统结构

本文研究的无线抄表系统结构如图1所示，系统主要有三大部分组成，主站系统、集中器网络和表计网络组成.无线抄表的方式也有很多种，集中器与表计之间的无线方式有ZigBee、RF、WIFE等等，本文采用RF方式进行下层通信[5]，即是集中器与表计之间进行通信.整个系统的工作原理为主站系统下发抄表命令给集中器抄取电量数据，集中器收到主站命令后，下发命令给表计（过程中包含路由的建立），表计将数据发送给集中器，集中器上传数据给主站，完成一次数据的抄取.当然无线抄表系统也会有误差，本文将尽可能保证数据的正确传输，减少丢包率.

2 路由算法

2.1 DSR路由算法

动态源路由协议DSR[6]属于按需路由协议[7-8]，节点仅仅在需要发送信息且该节点没有直接到达目的节点的路由时，通过一定的方式建立路由.DSR采用源路由机制进行分组转发，数据分组的头部包含路由信息，每个节点根据该路由进行转发分组，节点不需要定期发送检测网络结构的控制路由.DSR路由算法分为两个过程，路由建立与路由维护.当源节点要到目的节点时，它就会广播路由请求报文，如果节点不是目的节点，所以它就将自己的地址加入路由请求报文的头部序列中，然后传给相邻节点，以此类推直到目的节点发送路由回答，路由建立成功.路由维护过程在改进的DSR路由算法中进行介绍.

图1 无线抄表系统结构

2.2 改进的DSR路由算法

2.2.1 DSR路由算法的建立过程

经典的DSR路由算法虽然有优点但同时也暴露出自身的缺点，每个数据报的头部都携带的路由信息，大大增加了数据包的开销，降低了路由的效率，增加了路由建立的时间.本文介绍改进的DSR路由算法，减少数据报包头的消耗，提高了路由效率，缩短了路由建立需要的时间.采用源路由机制进行分组转发，数据分组的头部包含路由信息，各个节点根据路由转发分组.网络的开销少，网络结构相对稳定，正好适合小区中的无线抄表设计.

某个小区内采用无线抄表方式进行抄表，每个采集终端与表计看成一个节点，当有新用户安装电表后，即有一个新节点加入网络.当集中器要采集用户的数据时，就会发送一个数据采集命令分组，告诉其要采集数据的节点去采集数据.在发送采集命令分组之前，要先找到要采集数据的节点（目的节点）的路由信息，然后根据路由信息发送分组.图2为网络的拓扑结构.

基于改进的DSR路由算法同样包括路由发现过程和路由维护过程.改进的DSR借用LEACH协议中簇头的概念，将网络的拓扑结构进行分层，减缓了中心节点的路由开销.下面介绍具体过程.路由发现过程即是当源节点要向目的节点发送分组时发现没有目的节点的路由信息，则开始路由发现过程.源节点向路由表中的簇头节点发送消息MESS，消息中包含源地址，目的地址.簇头节点接收到MESS后，向周围节点广播一个路由请求包RREQ，包含着源地址，目的地址，请求ID.若在一定的时间T内，收到来自目的节点的RREP，包含着源地址，目的地址，簇头ID，路由建立成功.中间节点收到RREQ，首先判断是否重复收到过RREQ，若是，则丢弃该RREQ，否则判断是否是目的节点，若是，则向簇头节点回复RREP，当收到RREQ的节点不是目的节点时，则丢弃.源节点的路由发现过程如图3所示，中间节点及目的节点的路由发现过程如图4所示.

图2 网络拓扑结构

图3 源节点的路由发现流程图

图4 中间节点及目的节点的路由发现流程图

在路由建立过程中，用到的消息格式有，消息格式MESS，路由请求包RREQ，路由回复包RREP，格式如下所示.

2.2.2 DSR路由维护过程

网络中的节点可以在任何时间与地点加入或退出该网络，那么网络的拓扑结构是动态变化的.当有新的节点要加入网络时，首先要广播其加入网络的消息分组，消息格式如下，“B”是广播消息的标识，“N”新节点加入标识，第三个字节为新节点ID地址.收到这个消息的节点，判断自己是否是簇头节点，若是将自己的ID加入到消息中，并且回复确认加入网络帧，格式如下，“N、S”是新节点加入成功标识，簇头ID为新节点加入的簇头ID.消息格式如下所示：

路由维护过程，在传输数据分组的过程中，如果中间某个节点链路发生中断，则中间节点可以用自身节点维护的路由表中的备用路由来替代分组中中断的路由，然后再向源节点发送一个路由错误分组RRER.其中错误分组RRER中包含了链路中断的两端节点的地址，中间节点收到RRER分组后会删除所包含的发生中断的那一跳的路由信息，而源节点收到RRER分组后，会把发生中断的路由删除掉，然后再重新发起一次路由请求.RRER消息格式如下所示.

在改进的DSR路由算法中，中心节点维护着一个路由表，包含有二级簇头节点的ID以及到二级节点ID的跳数，如表1所示.二级簇头节点维护着自身的路由表，如表2所示.经典的DSR路由算法的中心节点维护着整个网络内节点的路由信息，增大了中心节点的消耗，不利于网络的稳定，降低了路由的效率.改进的DSR路由算法，减少了中心节点的消耗，这样有利于路由的快速寻找，减少路由建立所需要的时间，提高路由效率.

表1 中心节点的路由表的格式

表2 二级簇头B1节点的路由表的格式

3 仿真结果

接下来直接对比两种协议的路由建立时间.由图5，6可以直观的得出，使用改进的DSR路由算法的路由建立时间较短，及时缩短了路由建立的时间，提高了路由效率.

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

改进的DSR路由算法中，丢包率：number of packets sent：10 476 lost：17，丢包率=17/104 76，为0.16%.

图5 DSR路由建立时间

图6 改进的DSR路由建立时间

4 结论

本文通过介绍经典的DSR路由算法，了解其工作原理，明确该路由算法中的缺点，从路由建立和路由维护两方面介绍改进的DSR路由算法.通过介绍源节点路由发现和中间节点及目的节点路由发现过程进行改进DSR路由算法，同时编写过程中用到的消息格式，使得路由算法更加明确.本文以节省路由开销为初衷，完成路由的建立与维护，节省路由建立需要的时间和提高路由效率.

[1]樊邦奎，丁冠军，兰海滨，等.面向智能电网应用的云计算架构研究[J].电力信息与通信技术，2014，12（1）：1-6.

[2]吴辉，侯思祖.SQLite数据库在电力抄表集中器中的应用[J].电力信息与通信技术，2013，11（7）：82-86.

[3]屈媛媛.智能电网技术在用电营销中的应用研究[J].科技与企业，2015（4）：111.

[4]王桂军.自动抄表系统的无线抄表路由设计[J].中国科技论文在线，2011（1）：1-6.

[5]陈鹏.基于ARM的无线抄表系统的研究与应用[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[6]杨阳，侯思祖，杨国旗.基于无线通信芯片Si4438抄表模块的研究[J].中小企业管理与科技，2015 （23）：234-234.

[7]史美林，英春.自组网路由协议综述[J].通信学报，2001，22（11）：93-103.

[8]张莉莉，王卫华.无线自组网络路由算法综述[J].软件导刊，2009（10）：73-75.

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

刘倩倩（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力通信网.E-mail：18331125659@163.com．侯思祖（1962—），男，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力通信网、信号检测与控制、PLC技术.

1001-4217（2017）02-0052-06