1基于最小聚合树的簇间数据聚合路由机制
数据聚合可以与路由协议进行有效的集成，无线传感器网络中的研究者已经提出了许多数据汇聚型路由协议或者路由机制［78］.工业无线网络环境下对数据稳定性、能量约束的要求高［9］，结合工业无线网络的数据关联性特性，设计数据聚合和路由的集成机制是可行的方案之一.本节结合工业无线网络的聚合功能，使用一种最小聚合树生成的方法设计了簇间数据聚合路由机制.假定工业无线网络中支持某一用户的应用对象为U，支持U的路由设备有m个，记为Ri﹙i=0，1，，m1﹚，支持UAO的现场设备有n个，记为Fi﹙i=0，1，，n1﹚，现场设备Fj的簇首为Cj；由所有支持UAO的路由设备构成的无向图记为G，该工业无线网络的网关记为GW.最小聚合树MCT的生成方法如下：﹙1﹚将网关GW设定为MCT的根节点.﹙2﹚使用Dijkstra最短路算法［10］计算每一个现场设备Fi﹙i=0，1，，n1﹚到GW的最短路径，将该路径上的路由设备集合称为现场设备Fi的最短路径集合，记为RFi.﹙3﹚遍历所得到的路径集合RFj﹙j=0，1，，n1﹚，计算被选的每一个路由设备Rj的出现次数，记为DRj.﹙4﹚以网关GW为起点，以DR最大为目标，采用Prim算法［11］求解图G一个最小生成树，即为该用户应用对象U的最小聚合树MCT.簇间数据融合路由机制设计﹙1﹚路由设备选择采用用户应用对象U的最小聚合树上路由设备作为支持簇间数据融合的路由设备.﹙2﹚聚合节点选择最小聚合树MCT上每一个父节点均为其子节点的聚合节点，逐级将数据聚合后传送给网关.以现场设备Fj为例，其簇首Cj在完成簇内融合后，选择其最小聚合树MCT上的父节点作为它的融合节点，依此类推，逐级融合将数据传送给网关.
2机制实现和仿真实验
2.1机制实现
适用于工业无线网络的簇间数据融合路由机制的实现基于WIA-PA标准﹙IEC/PAS62601﹚，扩展了其路由设备的融合标识，设置了路由设备簇间数据融合标识.该机制的实现过程如下：﹙1﹚网络建立后，主控计算机的WIA-PA网络配置工具软件首先为用户应用对象计算出其最小聚合树，然后将配置信息下发给树上的每一个路由设备，设置簇间数据融合标识.﹙2﹚如果路由设备支持簇间聚合功能，则网络管理者需要根据该应用包聚合的最小数据更新周期为该路由设备配置簇间聚合周期和数据聚合资源.﹙3﹚网关设备将收到的聚合包解聚后，发送给对应的用户应用对象.
2.2仿真实验
本文使用C语言开发了一个仿真平台，对设计的簇间数据聚合路由机制记住进行了仿真实验，仿真拓扑如图4.仿真设定用户应用对象每秒发送1次数据，簇内数据融合周期为4s，簇间数据融合周期为4s.对启用簇间数据聚合路由机制和不启用簇间数据聚合路由机制分别进行了实验.仿真结果显示，启用了簇间数据聚合路由机制后，路由设备转发次数明显降低，转发链路负载明显下载，这表明整个网络的通讯代价被有效降低.如图5所示，路由设备R1的转发次数明显下降，这是因为其DR值较大，实施融合的处理较多.而路由设备R4、R5等的转发次数变化不明显，这是因为R4和R5的DR值只均较R低，说明仅对本簇的数据进行了融合，没有参与簇间数据融合.如图6所示，路由器的转发数据包数在启用域间数据融合路由机制后得以下降，随着支持该用户应用对象的现场设备的增加，下降趋势变大.
3结论
通过对工业无线网络中聚合方式的分析，提出了一种适用于簇间数据聚合的路由机制，该机制引入了最小聚合树，从全局角度为网络节约了传输成本和能源消耗，理论分析和仿真实验结果都表明本文设计的簇间数据聚合路由机制可以有效降低工业无线网络的通信代价.本文没有考虑簇首节点的能耗不均匀问题，这是因为在工业现场，工业无线网络允许某些簇首转发节点为有源供电的.若考虑能耗均衡的问题，本文设计的机制可以通过设置转发周期控制，将最小聚合树上的DR值周期性重新分配来实现.
作者：周百顺 刘非 单位：中国劳动关系学院高等职业技术学院 京都情报大学院大学应用情报技术研究科
