一种多级无线自组网络通信路径动态优化的方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种多级无线自组网络通信路径动态优化的方法。

背景技术

该方法可以用在多种物联网领域的无线自组网络中，通信方式包括不限于LoRa，FSK，蓝牙等等，用于节点设备与中继或者节点设备与网关的路径选择和优化。比如下图所示的网络中，节点到网关的路径可以有多条，该方法目的就是在众多路径中动态选择最优路径，或者在原有路径失效时能够触发路径切换实现自修复的功能，以及在更优路径出现时触发路径切换实现自由化的功能。

中国专利文献CN117040725A公开了“一种网状结构的多级QKD网络系统及通信方法”。采用了即针对将通信量分配到指向一个目标的多条路径上而引入分配权重，并且在最佳的通信量分配的意义上匹配所述分配权重。在此，分配权重是相对通信量负载的量度，所述相对通信量负载通过给其分配有分配权重的链路来传输。在此，该分配权重由利用多个节点和多条链路构成的通信网随着多路径路由输出。在此，多路径路由意味着，通信网的节点具有多条引出的链路，这些链路表示针对路由到固定目标的不同的可能性。例如，目标通过一个地址或者多个地址来确定，其中，在多个地址中，通信网内的路由对于这些地址是相同的。例如，目标可以通过边缘节点或者边缘路由器来给出，这些带有某一地址的所有通信量或者所有数据包被路由到该边缘节点或者边缘路由器。通信网在原理上可以是固定网或者移动网。但是该方法考虑的因素太少，无法精确将正在通信的设备规划合适的通信路径。

发明内容

本发明主要解决原有多级无线自组网络通信中无法动态规划设备最优通信路径的技术问题，提供一种多级无线自组网络通信路径动态优化的方法，本发明根据损耗值将通信设备划分多级数，根据级数选择两个通信设备之间的最优通信路径，后续根据损耗值变化动态调整通信路径，确保通信设备之间始终维持最优通信路径距离。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括S1：归一化处理影响通信的因素生成损耗值；

S2：根据损耗参数计算父节点与子节点间的损耗值完成通信路径动态优化。

作为优选，所述步骤S2中根据影响通信的因素对于通信设备的影响程度赋予不同的权值大小，加权计算影响参数的平均值获得损耗值，根据计算获得的损耗值将设备划分为不同级数通信设备，损耗值越低，通信设备级数越低。

作为优选，所述步骤S2中选择最优级数中的最低损耗值的通信设备作为父节点与待接设备的子节点进行连接，连接后生成最优通信路径。

作为优选，所述步骤S2中将通信成功率为通信设备的校验指标，通信设备完成损耗值计算后，在通信运作流程中根据通信成功率实时调节通信设备的级数。

作为优选，所述步骤S2中当子节点已连接有父节点，优先以通信设备的级数为衡量标准，子节点不会切换成级数更高的通信设备变更通信路径。

作为优选，所述步骤S2中预先设定切换阈值，当检测到子节点周边存在损耗值更低的父节点时，比较计算两个父节点损耗值的差值，若该差值超过切换阈值，该子节点的父节点再进行切换。

作为优选，所述步骤S1中将影响通信设备的通信因素同一归一化处理后生成损耗值，并将损耗值划分等级范围，以损耗值作为衡量标准判断最优通信路径。

作为优选，所述步骤S1中根据损耗范围划分通信设备的级数，设定损耗值为X，通信设备的级数为N，则任意级数的通信设备的损耗值区间为100*（N-1）＜X≤100*N。

本发明的有益效果是：本发明以通信设备的级数作为优先级最高的评判标准，选择两个通信设备之间的最优通信路径，同时还对比多条路径损耗值以及历史通信成功率对损耗值影响动态调整已通信设备的通信路径，实现路径的自修复和自优化以及快速的路径切换。确保通信设备之间在任何异常情况下尽最大可能保证通信成功，本发明计算路径的损耗值的流程均为设备运作期间，故在实际切换流程中没有额外的计算量，提高通信路径的切换速度。

附图说明

图1是本发明的一种通信路径动态规划的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种多级无线自组网络通信路径动态优化的方法，通信技术的发展，现代设备间的通信全方位融入了生活，同时对现有技术生活产生较为深远的影响。因此为了能够确保现有技术生活有序进行，需要时刻确保通信设备的良性通信，针对该现实需求，现有的方案是通过RSSI，SNR等参数衡量通信路径的质量，从中选取其中最优的通信路径。衡量判断参数中的过程总，通过判断接指定节点设备收到的其他中继或者网关信息的RSSI/SNR等射频信号参数，在一段时间内做排序找到信号最优父级设备，选择该设备作为指定节点设备的上级确定通信路径。该方案的执行方式较为简单直接，虽然能够选择到信号质量最好的父级通信设备，但是一旦通信网络运行过程中出现环境变化导致无线通信质量波动时，无法避免对于通信设备的通信影响，因此原有选择路径时的最优父级通信设备在运行一定时间后不再是最优父级设备。也可能在周围有多个设备的距离接近的时候，因为射频信号的正常波动导致频繁切换路径影响应用层的通信。此外通过RSSI/SNR等参数作为路径判断标准不够全面，比如发射端的发射性能正常，接收性能异常的情况，又可能出现RSSI/SNR等参数评判正常，但是实际通信效果很差的情况，虽然这样的情况比较少而且是由于硬件等设备异常原因导致的，但是对于整个通信网络而言应该考虑到上述状况并避免选择到这样的父级设备。另外还有其他可能影响到通信效果的参数，比如低功耗设备的电量，父级设备带的子节点数等都会影响到通信的效果，但是该方案无法解决上述状况，进而无法适应现有设备的通信需求。

此外还有通过设计阈值来进行最优通信路径选定的方法。例如电量，RSSI，节点数等设置阈值来选择通信设备之间的路径。当指定节点设备周边出现阈值满足条件的设备时，保留该设备作为指定节点设备的父级设备的选择范围，同时滤除不满足阈值条件的通信设备。再从符合阈值条件的父级通信设备中择优选择最佳设备并确定两者之间的确定路径。该方案虽然通过阈值的方式可以保证父节点通信设备的电量等参数肯定时符合条件的，但是多种参数，多种维度糅杂在一起使其判断的逻辑比较复杂，选择所需要耗费的时间可能会比较长，在无线通信网络中设备掉线再恢复的时间是影响使用者满意度的重要参数，该方案复杂的判断逻辑不仅导致程序复杂度比较高，而且会影响到这个恢复的时间，最终极大地降低了客户的满意程度，影响使用者的使用体验。同时该方案阈值的评判方式也可能产生孤岛，以电量维度为例，通过电量判断能够避免选择电量过低的设备，虽然一定程度上避免了网络中设备耗电不均衡等情况，但是也造成了容易出现孤岛情况。例如远端的某个设备周围可能并没有太多的通信路径能够选，如果这时候父级设备因为不满足电量标准为由拒绝与远端设备连接，那么该设备就成了一个孤岛无法加入网络，同样需要避免该情况的出现。

除此之外在通信设备的通信流程中，通信设备级数的优先级需要最先考虑，更短的级数意味着更低的时延，更低功耗，更少的网络信道开销，通常设计网络路径算法都应该在级数更少的基础上做择优，直到没有相同或更少记录的路径可用的情况下，再选择增大级数选择新的路径。但是上述两个方案中通信设备的级数均无法动态控制。虽然可以把级数作为一个判断路径的因素，但是将路径与信号质量，电量等参数放在一起比较的时候，无法体现其优先级更高这一点。

为了解决上述方案所存在的问题，简化路径选择的算法，缩短切换路径时间，本发明在通信设备传输数据的过程中同步进行通信路径动态变更，在切换通信路径时以最简单高效的方式选出最优路径，当满足通信路径前置条件时直接切换。实现通信设备级数可控为优先，实现最优级数解。如图1所示，为了实现通信路径动态选择和调整，在本实施例中，预先将影响通信设备传输的因素统一做归一化处理，例如确定影响因素有RSSI、SNR、电量、子设备数量以及历史通信成功率，确定影响因素的同时对比确认所有影响因素对通信设备的影响权重，在将所有的影响因素都做归一化处理，归一化生成做损耗值作为衡量设备标准的指标。损耗值是结合上述影响因素综合计算，在检测通信设备是否需要切换路径的时，只需要比较不同通信设备损耗值的大小就能直接选择损耗值最小的若干通信设备，进而生成最优的通信路径，无需做复杂的计算和判断。在进行上述损耗值的计算时分为两个步骤，首先优先计算通信设备的级数划分，本实施例中将所有设备按照损耗值的大小进行区分，根据预先确定的损耗值范围划定级数，例如在本实施例中将损耗值范围规定0~100的通信设备划分为级数1；损耗值范围规定在100~200的通信设备划定为级数2；损耗值固定在200~300之间的通信设备划定为级数3，以此类推，即可获得级数和损耗值之间的关系。然后第二步为计算所有通信设备具体的损耗值，第一步中确定了所有影响因素以及对应因素在通信设备运作流程中的影响比重，已知损耗值包含RSSI，SNR，电量，子设备数量以及历史通信成功率，然后将这些参数按照加权平均等算法生成结果。不同影响因素的加权值设置为可调参数，针对不同的通信网络条件，不同影响因素均有其对应的不同权值，比如在注重低功耗的网络中，需要提高电量这个影响因素的权值比重；而在无需考虑功耗的通信网络环境中可以把电量权值比重设为0。在本实施例中RSSI，SNR代表当前信道的信号质量，电量代表设备的功耗情况，子设备数量代表该设备的空闲程度，所有影响因素均根据通信网络实际情况动态调整权值比重，从而实现动态的路径判断，但是所有影响因素变化导致的损耗值的变化不会大于100，因此在本发明的通信路径动态优化方法中，级数的优先级最高，级数1的设备损耗值一定小于级数2的损耗值，设备在选择父设备时优先且仅级数最小的父级设备中再择优选择最优通信设备。

但是在通信设备的运行过程中，随着整体通信网络环境的变动以及通信设备本身的磨损变化，通信设备的损耗值在不同影响因素的作用下会出现上下波动，故而同一通信设备会出现满足原有的级数划分但无法正常运作的情况。例如若通信设备的通信成功率一直保持着很低甚至通信不上的情况时，但是由于其余影响因素权值干扰下。该通信设备仍符合该级数损耗值的判断范围，故该通信设备仍然不切换更高级数的路径，最终就会影响到通信设备的正常运作。因此历史通信成功率的计算方式与其他参数需要作出区分。历史通信成功率是一个在平时通信过程中不断计算的过程，通信成功率越高计算出来的损耗值越小，反之通信成功率越低损耗值越高，同时通信成功率对损耗值的影响没有小于100的限制，这就意味着历史通信成功率的数值变动能够不断影响通信设备的损耗值，甚至可能会导致损耗值超过100，当通信设备受历史成功通信率的影响损耗值超出原本级数的限定，这时候就会触发增加级数保证成功率的动作。确保通信设备之间能够正常运作。

同样的当通信网络设及范围较大时，同一通信设备有若干损耗值相近的通信路径可供选择，随着通信设备的运行难免出现损耗值上下浮动，按照现有通信路径确定方式，会因为不同通信设备损耗值的浮动切换设备，进而导致某一通信设备频繁变更通信路径。然而出现多个通信设备的损耗值接近的情况时，影响损耗值的参数是动态变化的，如果两个父级设备的值比较接近就可能出现频繁切换的过程，为了减少设备切换路径的频次，我们在选定父节点通信设备后在切换路径时不再仅仅以设备的损耗值大小切换，同时增加设置一个阈值，在选定父节点后如果要切换新的父节点，必须现在的父节点的损耗值比备选父节点的损耗值之差大于一定值才会触发切换。在归结上述情况下，最终子节点选择父节点的实际流程如下：首先通过父级设备广播等方式收到多个父级节点的损耗值，然后选择最小的一个最为父节点，这意味着该父节点的级数肯定是最小的，而且是最小的级数的情况下RSSI，SNR，电量等参数归一化后都最优的设备。在选定父级设备A后还是可以继续获知周围其他设备的损耗值，一旦出现某个新的父级节点的损耗值比现在的父节点损耗小，且差值大于了切换的阈值，就会触发切换父节点。在平时工作中如果因为一些异常原因出现无法通信或者通信成功率变低的情况那么就会因为历史成功率这个参数的影响导致现有路径的损耗值不断增加，一旦增加到其他路径更优的时候就会切换父节点。如果相同级数下没有更优的路径那么最终这个损耗值会超过级数的区间限制，那么就会触发切换更大级数父节点的动作。按照本实施例中通信路径动态优化的方法，根据损耗值划分通信设备的级数，以级数为前置条件，优先选取同级内最优通信设备调整通信路径，通过该方式在降低通信路径优化的难度的前提下提高通信路径优化的合理性，在以级数调整完通信设备后，后续根据其余影响因素动态变更通信设备的路径，实现路径的自修复和自优化以及快速的路径切换。