一种测控系统的IP化无线网络及路径选择方法

一种测控系统的ip化无线网络及路径选择方法
技术领域
1.本发明涉及工业物联网中工业无线通信技术领域，尤其是一种测控系统的ip化无线网络及路径选择方法。


背景技术：

2.无线传感器网络是以物联网技术以及传感器节点为基础构建的自组织网网络。其中，工业物联网是现代工业企业迈向自动化、数字化、智能化的重要技术基础。为适应越变复杂的工业环境以及工业要求，工业物联网也随之趋于多样化、复杂化，最直观影响就是网络节点数量剧增以及网络拓扑愈加庞大。这种现象使得物联网网络内部节点通信时选取良好链路的难度加大，并且网络源节点到目的节点的通信链路往往异于二者之间的最优链路，造成通信效率低下、能耗高、延时大等问题。
3.针对工业复杂网络设备位置分散、设备数量庞大及网络拓扑覆盖范围广泛等带来的优质通讯链路选择困难的实际问题，需要一种适用于工业复杂网络的最优路径选择方法，对工业物联网发展起到一定的积极作用。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供一种测控系统的ip化无线网络及路径选择方法，能够实现网络数据的ip化以及复杂传感器网络中节点间最优路径的选取，有效降低网络通信时延与通信能耗，增强复杂传感器网络的生存周期与实时性。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种测控系统的ip化无线网络及路径选择方法，包括以下步骤：
7.步骤1、构建树形拓扑传感器无线网络，节点ni在入网后获得唯一父节点ni^、邻居集合以及nqml值；
8.步骤2、在网络节点糅合适配底层的无线通信协议集合γ，构建基于无线通信协议集合γ的无线ip协议栈，传感器数据包在所述无线ip协议栈中经过封装、打包、分片、压缩，转换成适应于底层通信协议的标准ipv6数据包；
9.步骤3、以节点间的lqm值作为路径质量评估标准，通过改进的泛洪策略在全网泛洪基于无线通信协议集合γ的drm信息，从而定位网络节点间在最优通信协议上的最优路径，并在此网络拓扑及频段上的最优路径基础上，从源节点通过优化后的上层udp协议及下层射频协议以多跳形式向目的节点发送封装后的传感器数据包。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1中，所述树形拓扑传感器无线网络中节点nqml值大小设置为：
11.nqml(n
p
)＝0
[0012][0013]
[0014]
其中，nqml(n
p
)表示根节点的nqml值，nqml(ni)表示叶子节点ni的nqml值，表示从节点ni到ni父节点链路的lqm值。
[0015]
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3具体包括以下步骤：
[0016]
步骤3.1、源节点以无线通信协议集合γ将控制信息drm信息发送至所有邻居节点；邻居节点通过解析接收到的drm信息报头获得与发送节点之间基于物理层协议ξi的值；
[0017]
步骤3.2、非目的节点在接收到drm信息时，更新drm数据包中的链路信息，将上一跳值加到drm信息报头中的lqm位、将自身ipv6地址加入到drm信息有效负载中,然后继续广播更新后的drm数据包，采用改进的泛洪策略约束drm信息转发量；
[0018]
步骤3.3、目的节点接收到drm信息后，对drm数据报头中的lqm值进行分析，定位出在射频协议ξi下源、目的节点之间最优路径
[0019]
步骤3.4、从最优路径集合以及总lqm值集中选择最小lqm值所对应射频协议及其对应路径作为源、目的节点之间在最优射频协议下的最优链路υ
a,b
；
[0020]
步骤3.5、沿最优路径υ
a,b
反向发送drm-ack信息；
[0021]
步骤3.6、源节点接收到drm-ack信息，将最优路径中下一跳地址作为单跳udp通信的目的地址，将步骤2处理后的传感器数据包作为udp通信数据包有效负载，源节点以上层udp协议以及底层ξ
*
射频协议发送该ipv6数据包。
[0022]
本发明技术方案的进一步改进在于：改进的泛洪策略中，通过全网络drm信息平均转发量anf直接表示泛洪所带来的网络流量负担情况，表示为：
[0023][0024]
0＜m≤card(n)
[0025]
其中，表示节点nn在t时刻对drm信息的转发量，m表示涉及转发drm信息的节点数。
[0026]
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3.3中，在射频协议ξi作为物理层协议的情况下最优路径及其lqm值设置为：
[0027][0028][0029][0030]
其中表示从源节点a到目的节点b所有链路的集合，表示在射频协议ξi作为物理层协议时从a节点到b节点最小lqm值所对应的链路，表示链路的lqm值，
(m,n)表示从n节点到邻居节点m的链路，表示链路(m,n)在射频协议ξi作为物理层协议时的lqm值。
[0031]
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3.4中，从最优路径集合以及总lqm值集中选择最小lqm值所对应射频协议及其对应路径作为源、目的节点之间在最优射频协议下的最优链路的计算方法为：
[0032][0033][0034][0035]
其中lqm
a,b
表示集合中的最小值，ξ
*
表示lqm
a,b
所对应的底层通信协议。
[0036]
本发明技术方案的进一步改进在于：在树形网络中，通过源、目的节点之间的通信平均耗时和网络整体能耗对比，能反应出改进的泛洪策略对非根节点与非根节点之间通信路径选取的质量改善情况，计算方式分别为：
[0037][0038][0039]
其中，表示目的节点成功接收到第i条udp信息时刻，表示成功接收到的第i条udp信息所对应的发送时刻，num
rec
表示册成功接收到的udp信息数；en表示节点nn消耗的总能量，i
cpu
、i
lmp
、i
tx
、i
rx
分别表示节点在活跃模式、低功耗模式、发送模式、接收模式下的电流大小，t
cpu
、t
lmp
、t
tx
、t
rx
分别表示节点在对应模式下的持续时间，v表示节点供电电压。
[0040]
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3.6中，制定udp转发策略，实现源节点在最优路径上以udp直接多跳通信向目的节点发送传感器数据：节点在接收到udp数据包时，用步骤3.5中记录的节点地址替换掉udp数据包的目的地址，然后重新发送该数据包，重复转发udp数据包过程，直至到目的节点nb。
[0041]
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
[0042]
1、本发明提出一种基于节点间链路质量的树形自组网络，节点在加入网络时着重挑选无线通信质量良好的节点作为自身父节点，能够有效提升树形网络的稳定性。
[0043]
2、本发明通过构建ip协议栈，在终端节点对各种传感器数据进行统一的封装与打包，能够实现数据包的格式统一，避免各种数据包及协议之间互相转换带来的通信质量损耗和经济负担。
[0044]
3、本发明在叶子节点中添加改进的策略泛洪算法，用于以源节点为起始节点对整个网络实现控制信息drm泛洪；通过基于ipv6地址的泛洪遍历整个网络与路径，选择源节点与目的节点之间lqm最小的路径作为两点间在特定底层协议下的最优路径。采用延时小的
udp协议作为传输层协议，针对udp协议本身存在的仅支持单跳通信问题，设置udp转发策略，实现udp协议以多跳方式沿最优路径传输统一后的数据包，解决树形网络中非根节点与非根节点通信方式存在的延时高、能耗大等问题。
附图说明
[0045]
图1是本发明中构建的新型ip协议栈；
[0046]
图2是本发明中drm信息icmp报头与有效负载；
[0047]
图3是本发明中drm泛洪策略流程图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
[0049]
一种测控系统的ip化无线网络及路径选择方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1、构建树形拓扑传感器无线网络，节点ni在入网后获得唯一父节点邻居集合以及nqml值。
[0051]
在树形拓扑传感器无线网络中，将n
p
定义为根节点，将n＝{nm,n
m-1
...ni...n0}定义为叶子节点的集合，其中{i|0＜i≤m,i∈n
*
,m∈n
*
}，ni代表通信网络中第i个叶子节点。在入网后，叶子节点ni会获得唯一父节点邻居节点集合以及节点度量等级(node quality metric level，简称nqml)值，所述nqml值表示叶子节点在树形拓扑传感器无线网络中的深度情况，该值大小由父节点的节点度量等级值和自身与父节点之间的链路质量度量(link quality metric，简称lqm)值直接决定。所述lqm反映两节点间的通信链路质量，其值大小线性于两节点间的通信丢包率，两节点间的lqm值可通过解析节点间通信数据包报头得出。
[0052]
树形拓扑传感器无线网络中节点nqml值大小设置为：
[0053]
nqml(n
p
)＝0
[0054][0055][0056]
其中，nqml(n
p
)表示根节点的nqml值，nqml(ni)表示叶子节点ni的nqml值，表示从节点ni到ni父节点链路的lqm值。
[0057]
步骤2、在网络节点糅合适配底层的无线通信协议集合γ，构建基于无线通信协议集合γ的无线ip协议栈，传感器数据包在所述无线ip协议栈中经过封装、打包、分片、压缩，转换成适应于底层通信协议的标准ipv6数据包；
[0058]
将γ＝{ξ0...ξi...ξ
k-1
,ξk}定义为物理层通信协议的集合，其中{i|0＜i≤k,i∈n
*
,k∈n
*
}，ξi代表网络节点通信采用的第i种通信协议。构建无线通信协议集合γ的无ip协议栈，在节点中对上层数据进行ip化处理，即上层数据包ps在ip协议栈中，依次被添加udp报头pu或控制信息icmp报头pc、ipv6报头pi，形成一个完全遵循ipv6协议的标准数据包p，并经由适应层分片和报头压缩以及mac层确定发送时机，然后通过物理层协议ξi转化成相应
通信芯片可识别数据包，并最终由通信芯片发送出去。
[0059]
如图1所示，适配底层通信协议集的无ip协议栈，上层应用数据在传输层被添加udp报头或者icmp报头，在网络层被添加ipv6报头，然后经由6lowpan层分片和报头压缩以满足底层数据包格式要求，在csma层确认信道空闲时刻用于发送数据，最后经由物理层以射频协议ξi发送出去。
[0060]
步骤3、以节点间的lqm值作为路径质量评估标准，通过改进的泛洪策略在全网泛洪基于无线通信协议集合γ的drm信息，从而定位网络节点间在最优通信协议上的最优路径，并在此网络拓扑及频段上的最优路径基础上，从源节点通过优化后的上层udp协议及下层射频协议以多跳形式向目的节点发送封装后的传感器数据包。
[0061]
具体的，路径选择阶段，包括在全网基于无线通信协议集合γ泛洪路径发现信息(discover router message，简称drm)以及通过泛洪后获取的全网路径信息，选取源、目的节点间在最优通信协议上的最优路径。在路径选取阶段，以两节点之间的lqm值作为路径质量评估标准，确定源、目的节点之间在底层通信协议ξi上的最优通信路径并设置此最优路径为通信传输路径，从源节点通过上层udp协议及下层射频协议ξi以多跳形式向目的节点发送封装后的传感器数据包。
[0062]
在树形网络中通过泛洪drm信息寻找源、目的节点之间在最优底层通信协议下的最优路径，图2展示了drm信息中的icmp报头和icmp负载，drm信息中的icmp报头属于标准internet控制报文报头，用于标识icmp报文类型；icmp负载由本发明定义，其中的负载报头用于反映该drm信息的序列号(seq)、所经历链路的跳数(hope)以及链路质量总值(lqm)，有效负载addresses表示该drm信息所经过链路上各节点地址集合。图3为drm信息泛洪过程中的执行策略，用于筛除大部分无效泛洪。
[0063]
所述步骤3包括以下步骤：
[0064]
步骤3.1、源节点以无线通信协议集合γ将控制信息drm信息发送至所有邻居节点。邻居节点通过解析接收到的drm信息报头获得与发送节点之间基于物理层协议ξi的值。
[0065]
步骤3.2、非目的节点在接收到drm信息时，更新drm数据包中的链路信息，将上一跳值加到drm信息报头中的lqm位、将自身ipv6地址加入到drm信息有效负载中,然后继续广播更新后的drm数据包，采用改进的泛洪策略约束drm信息转发量。
[0066]
邻居节点在获得drm信息时，通过比较信息中的目的节点地址与自身地址，如果不一致，则将上一跳值加到drm信息报头中的lqm位、将自身ipv6地址加入到drm信息有效负载中，然后转发更新后的drm信息。为避免盲目泛洪，采用改进的泛洪策略约束drm信息转发量：如果更新后的lqm值大于或等于节点记录的链路最小lqm值则丢弃该drm信息，不再转发；如果小于则将当前更新后的lqm值设置为新的然后转发该drm信息至自身所有邻居节点，以此类推，实现全网络的drm信息泛洪。所述改进的泛洪策略中，通过全网络drm信息平均转发量anf直接表示泛洪所带来的网络流量负担情况，表示为：
[0067][0068]
0＜m≤card(n)
[0069]
其中，表示节点nn在t时刻对drm信息的转发量，m表示涉及转发drm信息的节点数。
[0070]
步骤3.3、目的节点接收到drm信息后，对drm数据报头中的lqm值进行分析，定位出在射频协议ξi下源、目的节点之间最优路径
[0071]
目的节点接收到drm信息后，对drm数据报头中的lqm值进行分析，筛选出最小lqm值的drm信息以及记录该数据包有效负载中包含的该drm信息所经过路径中各节点ipv6地址，该地址集合组成的链路就是在射频协议ξi下源、目的节点之间最优路径其中{j|0＜j≤l,j∈n
*
,l∈n
*
}且ξi∈γ。
[0072]
在射频协议ξi作为物理层协议的情况下最优路径及其lqm值设置为：
[0073][0074][0075][0076]
其中表示从源节点a到目的节点b所有链路的集合，表示在射频协议ξi作为物理层协议时从a节点到b节点最小lqm值所对应的链路，表示链路的lqm值，(m,n)表示从n节点到邻居节点m的链路，表示链路(m,n)在射频协议ξi作为物理层协议时的lqm值。
[0077]
步骤3.4、从最优路径集合以及总lqm值集中选择最小lqm值所对应射频协议及其对应路径作为源、目的节点之间在最优射频协议下的最优链路υ
a,b
。
[0078]
经过步骤3.3，目的节点确定了在各底层射频协议下从源节点至目的节点的最优路径集合以及各最优路径对应的总lqm值集从中选择最小lqm值所对应射频协议及其对应路径作为源、目的节点之间在最优射频协议下的最优链路υ
a,b
，计算方法为：
[0079][0080][0081][0082]
其中lqm
a,b
表示集合中的最小值，ξ
*
表示lqm
a,b
所对应的底层通信协议。
[0083]
步骤3.5、沿最优路径υ
a,b
反向发送drm-ack信息。
[0084]
drm-ack信息有效负载是步骤3.4中确定的最优路径υ
a,b
中所有节点的ipv6地址。期间，链路上的节点接收到drm-ack信息后，记录上一跳节点地址。
[0085]
步骤3.6、源节点接收到drm-ack信息，将最优路径中下一跳地址作为单跳udp通信的目的地址，将步骤2处理后的传感器数据包作为udp通信数据包有效负载，源节点以上层udp协议以及底层ξ
*
射频协议发送该ipv6数据包。
[0086]
udp协议属于一种小时延但非连接单跳通信协议，但由于传统udp协议仅支持单跳通信，因此设置如下udp转发策略，实现源节点在最优路径上以udp直接多跳通信向目的节点发送传感器数据：节点在接收到udp数据包时，用步骤3.5中记录的节点地址替换掉udp数据包的目的地址，然后重新发送该数据包，以此类推不停转发udp数据包，直至到目的节点nb。
[0087]
在树形网络中，通过源、目的节点之间的通信平均耗时和网络整体能耗对比，能反应出改进的泛洪策略对非根节点与非根节点之间通信路径选取的质量改善情况，计算方式分别为：
[0088][0089][0090]
其中，表示目的节点成功接收到第i条udp信息时刻，表示成功接收到的第i条udp信息所对应的发送时刻，num
rec
表示册成功接收到的udp信息数。en表示节点nn消耗的总能量，i
cpu
、i
lmp
、i
tx
、i
rx
分别表示节点在活跃模式、低功耗模式、发送模式、接收模式下的电流大小，t
cpu
、t
lmp
、t
tx
、t
rx
分别表示节点在对应模式下的持续时间，v表示节点供电电压。
[0091]
综上所述，本发明首先通过设置节点自组织的方式构建无线网络拓扑，其次为统一网络无线数据包格式并为工业物联网添加互联网接入功能，在终端节点中对各传感器数据进行ipv6化处理，并在树形网络非根节点与非根节点之间选择最优通信协议下的最优路径上以优化后的上层udp协议直接传输ip化后的数据包，能有效解决传统非ip树形工业无线网络中通过网关转换数据协议以实现节点间的间接通信、源节点到目的节点的通讯数据流必须经过根节点或者二者共同祖节点以及网络与网络间相互独立等弊病。