一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，包括以下步驟：當無線傳感器節(jié)點發(fā)送報文和接收到ACK報文的比率達到預定閾值時，標記該路徑段處于損壞狀態(tài)；無線傳感器節(jié)點通過共享路徑向無線網(wǎng)絡管理中樞發(fā)送路徑修補請求報文；無線網(wǎng)絡管理中樞重新分配該無線傳感器節(jié)點和其共享節(jié)點的通信資源；無線傳感器節(jié)點將路徑重新設置到健康狀態(tài)。本發(fā)明可以快速發(fā)現(xiàn)路徑是否損壞，可以得到快速修復，提高路徑健壯性，提高通信成功率；在路徑損壞期間，通過冗余路徑或共享路徑傳輸報文，提高通信成功率；本發(fā)明在無線傳感器網(wǎng)絡路徑維護過程中沒有產(chǎn)生額外的時隙、信道等通信資源開銷，沒有產(chǎn)生額外的路徑維護報文，降低能耗開銷。
【專利說明】一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信技術，具體地說是一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方式。
【背景技術】
[0002]與有線網(wǎng)絡相比，無線網(wǎng)絡具有無需布線、易于維護、高度靈活、快速實施等特點，對于工業(yè)應用而言這無疑是一個巨大的優(yōu)勢。隨著無線通信技術的成熟與成本的降低，工業(yè)網(wǎng)絡無線化已成為趨勢之一。工業(yè)網(wǎng)絡無線化帶來便利的同時，工業(yè)應用對無線網(wǎng)絡提出了更為嚴格的可靠性、實時性和節(jié)能性等通信質量要求。在可靠性方面，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下，窄帶多頻噪聲、共存網(wǎng)絡干擾和多途效應，使得維護路徑健壯性、穩(wěn)定性，以實現(xiàn)可靠通信成為迫切需要解決的難題。
[0003]目前常用的路徑維護方式多為冗余路徑方式，以及冗余路徑之間的快速切換。冗余路徑的概念是:設備正常通信的路徑稱之為主路徑，同時，設備維護一條備用路徑。當設備檢測到主路徑出現(xiàn)通信故障時，請求無線網(wǎng)絡控制中樞分配備用路徑通信資源，當設備備用路徑得到通信資源后，將備用路徑切換成主路徑；網(wǎng)絡管理控制中樞刪除出現(xiàn)故障的主路徑，再次分配一條備用路徑。
[0004]上述方法會占用額外的、寶貴的無線傳感器網(wǎng)絡中時隙和信道資源、并且會帶來額外的通信開銷，在大多以電池作為能源的無線傳感器網(wǎng)絡，額外的通信開銷，又會引入能耗問題。對于以Mesh形式組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡中，僅通過路徑上的葉子節(jié)點負責監(jiān)測路徑的健康狀態(tài)，使得發(fā)現(xiàn)路徑損壞滯后，路徑變更后，路徑重建開銷過大。在冗余路徑切換期間，無線傳感器節(jié)點沒有健康的、可用的路徑，在此期間的通信報文，可能丟失。
[0005]路由是把信息從源穿過網(wǎng)絡傳遞到目的地的行為。在一條路由上，至少包含源節(jié)點和目的節(jié)點，可以包含I個或多個路由節(jié)點，數(shù)據(jù)信息以跳傳的方式從源節(jié)點傳遞到目的節(jié)點。任意點到點之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸，成為路徑健壯的關鍵因素，同時，以路徑為單位，通過對點到點通信成功率的統(tǒng)計分析，也是能夠及時發(fā)現(xiàn)路徑是否損壞的有效手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的提高單路徑健壯性、穩(wěn)定性的路徑維護機制。該方法無需占用無線傳感器網(wǎng)絡中額外的時隙和信道資源，不會帶來額外的通信功耗。
[0007]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，包括以下步驟:
[0008]在本地路徑列表的任一路徑中，記錄每個無線傳感器節(jié)點在點到點通信中發(fā)送報文的數(shù)目和接收到ACK報文的數(shù)目；
[0009]當某一無線傳感器節(jié)點發(fā)送報文和接收到ACK報文的比率達到預定閾值時，標記該無線傳感器節(jié)點與其在該路徑上的目標節(jié)點所組成的路徑段處于損壞狀態(tài)；[0010]無線傳感器節(jié)點通過共享路徑向無線網(wǎng)絡管理中樞發(fā)送路徑修補請求報文；
[0011]無線網(wǎng)絡管理中樞接收到路徑修補請求報文后，首先刪除目標節(jié)點關于損壞路徑段的通信資源，然后將該部分通信資源分配給該無線傳感器節(jié)點和其共享節(jié)點；
[0012]重新分配到通信資源的無線傳感器節(jié)點標記該路徑段得到修復，并將路徑重新設置到健康狀態(tài)。
[0013]如果無線網(wǎng)絡管理中樞在規(guī)定的時間內(nèi)沒有對路徑修補請求報文進行處理，則發(fā)送該報文的無線傳感器節(jié)點通過共享路徑定時重傳該路徑修補請求報文。
[0014]在所述刪除目標節(jié)點關于損壞路徑段的通信資源的同時，目標節(jié)點在其路徑列表中刪除損壞的路徑段。
[0015]所述無線傳感器節(jié)點在其所在的路徑被標記為損壞期間，仍有數(shù)據(jù)發(fā)送任務時，通過共享路徑發(fā)送該數(shù)據(jù)。
[0016]所述通信資源包括時隙和信道。
[0017]如果路徑上所有無線傳感器節(jié)點發(fā)送報文和接收到ACK報文的比率未達到預定閾值，則該路徑為健康狀態(tài)，使用該路徑發(fā)送報文。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0019]1.基于鏈路層ACK的路徑維護方式是通過統(tǒng)計分析該鏈路上的點到點通信過程中ACK報文個數(shù)來智能識別通信路徑的健康狀態(tài)；該路徑上的所有無線傳感器節(jié)點全部參與路徑的監(jiān)測與維護，因此可以快速發(fā)現(xiàn)路徑是否損壞，在此基礎上，可以得到快速修復，提高路徑健壯性，提高通信成功率；在路徑損壞期間，通過冗余路徑或共享路徑傳輸報文，提高通信成功率。
[0020]2.本發(fā)明在無線傳感器網(wǎng)絡路徑維護過程中沒有產(chǎn)生額外的時隙、信道等通信資源開銷，沒有產(chǎn)生額外的路徑維護報文，降低能耗開銷。
[0021]3.在感知路徑損壞的情況下，通過某種方式向無線網(wǎng)絡管理中樞傳遞該信息，無線網(wǎng)絡管理中樞通過路徑修補方式，及時對損壞的路徑進行處理，以達到快速路徑維護的目的；在發(fā)送節(jié)點感知路徑損壞的情況下，通過冗余路徑、共享路徑傳輸實時數(shù)據(jù)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的實施例網(wǎng)絡拓撲圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實施例的路徑維護方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明的目的是提供一種基于點到點ACK的單路徑健康狀態(tài)維護和修補機制，無需占用額外的信道和時隙資源，無需發(fā)送額外的路徑維護報文。根據(jù)節(jié)點自身維護的路徑信息，通過對點到點通信的ACK回復情況來智能識別路徑的健康狀態(tài)，依據(jù)路徑的不同的健康狀態(tài)來智能選擇通信報文的發(fā)送路由，在路徑處于損壞的情況下，及時向無線網(wǎng)絡管理管理中樞請求路徑修補。
[0025]本發(fā)明中涉及到的概念如下:
[0026]I)時隙:是節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緯r間單位。[0027]2)信道:是無線通信的“頻段”，是以無線信號作為傳輸媒體的數(shù)據(jù)信號的傳輸通道。
[0028]3) ACK報文:是無線通信過程中的確認幀，用以確認目標節(jié)點成功接收的數(shù)據(jù)幀或命令幀。
[0029]4)無線傳感器節(jié)點:由傳感器、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信等功能模塊構成，以集成方式設置在被測對象內(nèi)部或附近，通過某種通信協(xié)議進行通信。
[0030]5)無線網(wǎng)絡管理中樞:負責信道、時隙等通信資源的管理。
[0031]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0032]一種基于點到點通信ACK的單路徑健康狀態(tài)維護和修補機制，它包括無線傳感器節(jié)點的路徑列表維護系統(tǒng)、路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)、路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡管理中樞的路徑修補請求報文處理系統(tǒng)。
[0033]本發(fā)明所述的無線傳感器節(jié)點的路徑維護系統(tǒng)，提供對路徑信息的動態(tài)增加、刪除、修復機制。
[0034]本發(fā)明所述的路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)，通過對單路徑報文發(fā)送數(shù)目及點到點ACK報文回復數(shù)目統(tǒng)計，通過設置合理閾值，以達到對單路徑健康狀態(tài)的智能評測目的。
[0035]本發(fā)明所述的路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)，根據(jù)報送已損壞路徑和無線傳感器節(jié)點自身路徑的健康狀態(tài)，分別選擇無線傳感器路徑損壞信息報送節(jié)點自身的主路徑、冗余路徑、共享路徑發(fā)送路徑修補請求報文，為路徑修補請求報文提供合理的報文發(fā)送路徑；通過周期性定時器機制，周期性檢測損壞路徑的修補情況，提供路徑得到修補的最大可能性。
[0036]本發(fā)明所述的無線網(wǎng)絡管理中樞的路徑修補請求報文處理系統(tǒng)，提供對無線傳感器節(jié)點所報送的路徑修補報文的處理，其處理方式包括回收路徑損壞部分通信資源、重新分配損壞部分資源，以達到路徑修補目的。
[0037]無線傳感器節(jié)點在路徑維護(路徑建立、路徑修補、路徑刪除)過程中，該路徑上的所有節(jié)點通過維護本地路徑列表的方式來實時記錄通過該節(jié)點的路徑變化。路徑建立時，在路徑列表中增加表項，路徑修補時，路徑列表不變，并標記該路徑重新回到健康狀態(tài)，路徑刪除時，在路徑列表中刪除表項，功能如附圖2所示。
[0038]如圖2左邊的流程圖(a)所示，數(shù)據(jù)的源節(jié)點產(chǎn)生通信數(shù)據(jù)時，搜索本地路徑列表，記錄在該路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)目，點到點通信時，記錄接收目標節(jié)點回復ACK數(shù)目，當該路徑上發(fā)送報文和接收到ACK回復報文的比率達到預定閾值時，標記該路徑處于損壞狀態(tài)，此時通過冗余路徑或共享路徑向無線網(wǎng)絡管理中樞報告該路徑處于損壞狀態(tài)，并請求路徑修補。
[0039]關于共享路徑，每個無線傳感器節(jié)點具有專有的共享通信資源；該節(jié)點的鄰居節(jié)點，可以通過此共享通信資源和該節(jié)點通信。當無線傳感器節(jié)點需要使用共享路徑通信時，首先需要到該節(jié)點維護的鄰居表中查找可用的鄰居節(jié)點，其次，根據(jù)鄰居表中記錄的鄰居節(jié)點的共享通信資源進行通信。
[0040]路由節(jié)點需要轉發(fā)數(shù)據(jù)時，搜索本地路徑列表，記錄在該路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)目，當點到點通信時，記錄接收節(jié)點回復ACK情況，當該路徑上發(fā)送報文和接收ACK回復報文的比率達到預定閾值時，標記該路徑處于損壞狀態(tài)，通過主路徑、冗余路徑或共享路徑的向無線網(wǎng)絡管理中樞報告該路徑損壞狀態(tài)，并請求路徑修補。[0041]無論數(shù)據(jù)源節(jié)點，還是路由節(jié)點，在路徑被標記為損壞的期間內(nèi)，仍有數(shù)據(jù)發(fā)送任務時，通過共享路徑發(fā)送該數(shù)據(jù)。
[0042]如圖2右邊流程圖(b)所示，無線網(wǎng)絡管理中樞接收到路徑修補請求時，首先根據(jù)路徑損壞部分，刪除已有通信資源，根據(jù)路徑修補請求報文的上報路徑重新分配損壞部分通信資源，以達到路徑修補的目的。無線傳感器節(jié)點接收到重新分配的通信資源后，標記該路徑得到修復，并將路徑重新設置到健康狀態(tài)。
[0043]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0044]本發(fā)明所述的路徑維護系統(tǒng)、路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)、路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡管理中樞的路徑修補請求報文處理系統(tǒng)結構框圖見附圖2。
[0045]以圖1為例說明本發(fā)明的執(zhí)行流程:
[0046]本無線傳感器網(wǎng)絡由無線網(wǎng)絡管理中樞Ml、無線傳感器節(jié)點N1、N2、N3、N4、N5、N6構成，經(jīng)智能組網(wǎng)后，形成如圖1所示的網(wǎng)絡拓撲，并假設所有節(jié)點之間互為鄰居。
[0047]以N6為例，說明N6在其路徑Rl上執(zhí)行本發(fā)明的流程。
[0048]Rl為N6至Ml的初始主路徑且N6沒有冗余路徑，路徑為N6 — N3 — NI — Ml，其中N6為數(shù)據(jù)源節(jié)點，N3、N1為Rl所在路徑上的路由節(jié)點，Ml為數(shù)據(jù)目標地址。當N6建立初始路徑Rl的過程中，其所在路徑上的所有無線傳感器節(jié)點N1、N3、N6均通過自身路徑維護系統(tǒng)，在路徑列表中增加路徑R1，當N6需要發(fā)送報文時，通過N6自身的路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)，首先根據(jù)該路徑上已有的報文發(fā)送數(shù)目和接收ACK報文數(shù)目信息，對路徑Rl健康狀態(tài)進行智能評測，若評測結果為該路徑處于健康狀態(tài)，則發(fā)送報文使用主路徑Rl發(fā)送，同時增加發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)目，當N6通過路徑Rl同N3進行點到點通信時，同樣記錄N3回復ACK報文數(shù)目；若評測結果為該路徑損壞，同時將該路徑損壞信息通知路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)，此時發(fā)送報文使用同N4之間的共享路徑發(fā)送。
[0049]路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)，根據(jù)路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)報送的路徑損壞信息得知，該無線傳感器節(jié)點N6的主路徑損壞，在N6沒有冗余路徑的條件下，通過同N4之間的共享路徑向無線網(wǎng)絡管理中樞Ml發(fā)送Rl路徑修補請求報文，在規(guī)定的時間內(nèi)，若該請求沒有得到處理，則通過定時器重傳機制，對該路徑修補請求報文重傳。
[0050]無線網(wǎng)絡管理中樞的路徑修補請求報文處理系統(tǒng)，接收到N6節(jié)點報送的路徑Rl修補請求后，刪除N3上關于路徑Rl的通信資源，同時N3本身的路徑維護系統(tǒng)，在路徑列表中刪除R1，并重新分配N4、N6關于路徑Rl的通信資源，路徑Rl得到修補，修補后的路徑為N6 一 N4 一 NI 一 Ml,將修補后的路徑稱之為R1’。
[0051 ] 以N3為例，說明N3在維護路徑Rl上執(zhí)行本發(fā)明的流程。
[0052]在無線傳感器節(jié)點N6建立初始主路徑Rl (N6 — N3 — NI — Ml)的過程中，N3通過自身的路徑維護系統(tǒng)，在路徑列表中增加路徑R1，當N3通過路徑Rl接收到N6的通信報文，N3在通過路徑Rl將該通信報文轉發(fā)給NI時，首先通過N3自身的路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)，根據(jù)該路徑上已有的報文發(fā)送數(shù)目和接收ACK報文數(shù)目信息，對Rl健康狀態(tài)進行評測，若評測結果為該路徑處于健康狀態(tài)，則通過路徑Rl轉發(fā)該報文給NI ;若評測結果為該路徑損壞，同時將該路徑損壞信息通知路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)，此時該數(shù)據(jù)報文使用同N2之間的共享路徑轉發(fā)該通信報文。
[0053]路徑修補請求報文發(fā)送系統(tǒng)，根據(jù)路徑健康狀態(tài)評測系統(tǒng)報送的路徑損壞信息得知路徑Rl損壞，在N3沒有冗余路徑的條件下，通過同N2之間的共享路徑向無線網(wǎng)絡管理中樞Ml發(fā)送Rl路徑修補請求報文，若在規(guī)定的時間內(nèi)，若該請求沒有得到處理，則通過定時器重傳機制，對該路徑修補請求報文重傳。
[0054]無線網(wǎng)絡管理中樞的路徑修補請求報文處理系統(tǒng)，接收到N3節(jié)點報送的路徑Rl修補請求后，刪除NI上關于路徑Rl的通信資源，同時NI本身的路徑維護系統(tǒng)，在路徑列表中刪除R1，并重新分配N2上關于路徑Rl的通信資源，路徑Rl得到修補，修補后的路徑為N6 - N3 - N2 - Ml，將修補后的路徑稱之為R1”。
【權利要求】
1.一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，其特征在于:包括以下步驟: 在本地路徑列表的任一路徑中，記錄每個無線傳感器節(jié)點在點到點通信中發(fā)送報文的數(shù)目和接收到ACK報文的數(shù)目； 當某一無線傳感器節(jié)點發(fā)送報文和接收到ACK報文的比率達到預定閾值時，標記該無線傳感器節(jié)點與其在該路徑上的目標節(jié)點所組成的路徑段處于損壞狀態(tài)； 無線傳感器節(jié)點通過共享路徑向無線網(wǎng)絡管理中樞發(fā)送路徑修補請求報文； 無線網(wǎng)絡管理中樞接收到路徑修補請求報文后，首先刪除目標節(jié)點關于損壞路徑段的通信資源，然后將該部分通信資源分配給該無線傳感器節(jié)點和其共享節(jié)點； 重新分配到通信資源的無線傳感器節(jié)點標記該路徑段得到修復，并將路徑重新設置到健康狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，其特征在于:如果無線網(wǎng)絡管理中樞在規(guī)定的時間內(nèi)沒有對路徑修補請求報文進行處理，則發(fā)送該報文的無線傳感器節(jié)點通過共享路徑定時重傳該路徑修補請求報文。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，其特征在于:在所述刪除目標節(jié)點關于損壞路徑段的通信資源的同時，目標節(jié)點在其路徑列表中刪除損壞的路徑段。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，其特征在于:所述無線傳感器節(jié)點在其所在的路徑被標記為損壞期間，仍有數(shù)據(jù)發(fā)送任務時，通過共享路徑發(fā)送該數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，其特征在于:所述通信資源包括時隙和信道。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種面向無線傳感器網(wǎng)絡基于路徑修補的路徑維護方法，其特征在于:如果路徑上所有無線傳感器節(jié)點發(fā)送報文和接收到ACK報文的比率未達到預定閾值，則該路徑為健康狀態(tài)，使用該路徑發(fā)送報文。
【文檔編號】H04W28/06GK103781104SQ201210398803
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月19日 優(yōu)先權日:2012年10月19日
【發(fā)明者】趙曉全, 肖金超, 張瓊, 曾鵬, 于海斌 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所