基于动态路由表的微功率无线路由重构研究

梁捷 蒋雯倩

摘 要：该文针对低压抄表系统中微功率无线通信的传统洪泛路由算法组网的抗压性较低的问题，提出了一种基于动态路由表的改进洪泛路由算法，通过在组网时在各节点建立可侦听频段范围内其他电表节点的临时路由表，进行路径优化选择。在链路失效时，已搜索到的节点能利用路由表快速选择最优路径组网重构。仿真试验验证了该文提出的算法比传统洪泛方法在抗压性方面有优势。

关键词：组网;微功率无线;动态路由表

中图分类号：TN915      文献标志码：A

随着广西电网对计量自动化数据采集质量要求的不断提高，对低压台区用电数据采集方案的可靠性需求也在不断增长。近年来，微功率无线通信技术凭借低功率的无线射频网络媒介具有的功耗较小、建设成本较低等特点得到广泛应用。但同时也存在着无线信道易受临频干扰、缺乏对配电网中各台区网络拓扑结构变化的灵活调整方案等问题。

为提高微功率无线技术的通信可靠性，除了研究物理层面的抗干扰设计和调制解调方案外，还需优化当网络拓扑结构发生变化时的网络层中继路由方案。考虑到电力线信道的时变特征，网络在运行时，会出现部分链路失效的情况，此时需进行局部路由快速重构以恢复通信。近年来常见的微功率组网重构算法各有优缺点，难以兼顾组网的效率和拥堵度。

对此，该文提出了一种基于路由表的改进路由重构算法，通过路由表保证拥堵度的均衡，实现链路失效时游离节点的快速搜索。

1 微功率无线通信组网流程

由于单个节点对周围网络范围内的搜索能力有限，为提高网络的通信覆盖率，微功率无线网络的结构通常采用分簇的方式。定义表计为具备微功率通信模块的计量用电能表或采集器，则表计节点在微功率无线通信网络中代表电能表或采集器通信设备。以集中器为数据收集中心（主节点），一定数量的表计节点构成一个簇，其中由能量充足的电表或采集器节点充当簇头。传统洪泛算法组网时，首先由集中器上的微功率主节点通信模块决定本地子网的工作频段，而电表节点（从节点）模块的初始频率为该频段中的随机态。由集中器控制簇头节点逐级向其他电表节点分组发送广播组网命令，经过分簇后的网络，由原先的大的整体变成了多个小的局部，能够减少无用数据的传输。

由于表计节点离簇头的距离远近不一，传统洪泛算法在组网时可以使节点都直接与簇头通信，但是离簇头远的节点能量消耗大于离簇头近的节点，这样会使各节点的通信能耗不均匀，导致网络的拥塞情况，从而使数据传输速度延迟。为了均衡每个簇内节点的通信能耗，该文采用多跳模式把数据传输给簇头。釆用多跳通信时，簇内节点需要构建一个分层式路由簇树，为了降低路由簇树构建能耗，可每间隔一定的轮次进行路由树的重建，从而最大限度地延长网络的生命周期。

首先定义路由表存在于无线网络节点的自身信息，其内容包括电表/采集器的节点编号和MAC地址、节点i的拥塞度Ci和信号强度Qi、簇头节点链表、各节点的数据队列和相对于集中器节点的跳数值。路由表可随网络拓扑变化动态更新。Ci定义为：

（1）

其中，i为节点编号，n和L分别为节点的缓存队列中数据分组的个数和长度，Buf代表节点缓存队列的大小。Ci值越小表明节点数据队列缓存越小，拥堵度越低。当节点主动或者被动的向上传输数据时，当前节点会去查询它上一跳范围内的父节点的拥塞和缓存队列情况，在保证下一跳节点的缓存队列未满的前提下，选出尽可能小的Ci值节点作为转发节点，使节点组网时的中继方向可以沿着最优的路径向集中器传送。

设游离节点从节点i通过路段eq到达节点j的通信路径有效距离为dij，则

（2）

式中：xij为路径决策变量，若游离节点由通信节点i跳至j时，则xij=1，否则为0;Sa为当前跳数的无线搜索范围内的节点i和j之间的网络路段集合。

2 路由重构算法组网过程

网络内某一节点向上多跳组网的过程如下。

（1）在首次组网过程中，从节点在接收到主节点的广播重构组网命令后，初始化路由表并申请组网，该电表周围其他可侦听频段范围内的节点将该电表的MAC地址记录到各自的路由表中。

（2）链路失效需要进行重构时，从节点在上电或复位且侦听到无线链路载波报文后，部分一跳范围内能扫描到的从节点处于未扫描到同频无线载波信号，且未分配到网络地址的游离状态时，此时它们将主动发送加入网络的命令并由主节点确认，并从中设置簇头节点，该电表节点周围可侦听频段范围内的电表节点更新路由表，并等待其他电表加入网络。

（3）在某簇头节点能扫描到的从节点范围即路由的二跳范围内，首先在电表节点接入方式上采用了时分多址（TDMA）方式接入。网络中所有电表节点均工作于无线载波侦听模式下且保持时隙的同步，采用分级的准同步方式，即每个电表节点只与能够直连的簇头节点（已分配网络地址的一级子网节点） 保持严格的时隙同步。然后在任意二跳网络中的游离从节点入网后，从节点将其添加到临时路由表中，待累积到一定的数量或等待时间超时后，批量优化处理，可减少共享信道的占用次数，有利于解决传统洪泛算法通信拥堵的问题。确定路由方案时，首先根据路由表将电表节点以拥塞指数递增的顺序对簇头节点进行排序，然后根据评价因子Si选择拥有最小拥塞指数、最短通信路径和信号最强的簇头节点作为下一跳路由，向其发起广播组网呼叫，并等待该簇头节点的确认应答。Si如下式：

Si=w1+Ci+w2dij-w3Qi                     （3）

其中，w1、w2、w3分別为平衡拥塞度、通信路径距离和当前信号强度的权重，dij表示取i，j之间距离最小的路径。以Si较小的路径为优，可确保在游离节点选择转发数据的下一跳簇头节点时，既要保证下一跳节点的信号强度尽可能强，又要有尽可能小的拥堵度和较短的通信路径。

（4）收到该簇头节点的确认应答后，该游离节点加入网络并更新路由表。如果在等待时限内，没有收到来自对方的确认消息，那么认为这次传输是不成功的。此时则按照通信路径最短、信号最强、拥塞指数最低的原则选择其他的簇头节点进行传输，直到接收回复的确认消息，才能宣告此次数据传输成功。

（5）二跳至多跳范围的组网过程类似一跳节点的组网过程。重复上述过程直到传输到远端的主节点完成网络重构。

3 仿真与结果分析

为了验证该路由算法的可行性，该文利用MATLAB软件将该文算法与传统洪泛路由算法的数据吞吐量进行比较。

测试网络的信道链路容量为1 900 bps，每个数据包的大小为1.8 bit。假设在1 500 s时刻，节点8与节点13之间的链路13-8通信失效，分析节点8的通信链路数据吞吐量关系。压力测试是通过压力发生器对测试系统发起大量的并发网络请求。

测试结果如图1所示，图1（b）中显示的传统洪泛算法得到的网络结构在试验开始后约20 min时施加的压力数据流，可见，在通信网络接收到压力数据后吞吐量的幅度明显下降，可见该方法重构所组成的网络结构稳定性较差。如图1（a）所示，该文算法得到的网络在重构后能在网络受压、数据吞吐量短时下降后，迅速回升至接近原水平，抗压能力较好。这是由于该组网方法有2个特点：1）保留了分簇算法的分层特征，跳数分明，便于上层节点的管理与快速搜索。2）簇头节点队列负载均衡，拥塞较小，可避免某些簇头节点频繁使用，造成这些节点更易拥堵的问题。

4 结语

针对低压集抄系统微功率无线通信的传统洪泛路由算法在进行网络重构时网络拥堵度较高，稳定性的问题。提出了一种基于路由表的改进路由重构算法，通过临时路由表保存簇头节点的拥堵度等组网信息，在网络重构过程中对组网路径进行优化排序。仿真试验表明，该文算法由于在选择通信路径时考虑了簇头节点的拥堵和信号强度等情况，比传统方法的网络稳定性好，其有效性也得到了验证。

参考文献

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[2]肖勇，冯超，郭嘉，等.微功率无线抄表系统中数据采集容錯路由算法[J].电力科学与技术学报，2017（3）：9-14.

[3]鞠晨，薛吉，汤晓栋.用于低压电力线通信的同步关联分簇路由算法[J].电器与能效管理技术，2016（13）：23-27.