CN102595539B - 一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，包括：步骤一，即将离开的移动网关向基站发送网关释放请求；步骤二，基站收到网关释放请求后广播即将离开的移动网关的信息；步骤三，即将离开的移动网关向传感网区域中的潜在移动网关节点广播指示信息；步骤四，潜在移动网关节点侦听到指示信息后计算出自己的能力等级；步骤五，潜在移动网关节点的能力等级如果高于即将离开的移动网关则向基站发送请求取代成为新网关的信令；步骤六，基站选择最优的一个潜在移动网关节点成为新网关；步骤七，新网关与即将离开的移动网关进行无缝切换。本发明降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互，延长了WSN网络的生命周期。

Description

一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法。

背景技术

20世纪中期以来，计算技术和网络技术的结合催生了许多新的应用模式和技术手段，但这二者的结合仍然基本属于传统的“人与人”或者“人与机”交互的范畴。直到20世纪90年代，随着通信技术、嵌入式计算技术，以及微电子技术的飞速发展，各类电子产品的制造成本持续地降低到人们可以接受的时候，一种同时拥有感知、计算和通信能力，并且能适用于各类不同环境的微型智能传感器开始在世界范围内出现。而这些微小传感器节点的网络化将全面改变人们的信息获取方式，这就是无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)技术。无线传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以将大量简单的节点大冗余地随机部署在人迹罕至的恶劣环境中，节点之间通过自组织的组网，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种复杂环境或监测对象的信息，并对这些信息进行网内处理，从而获得详尽而准确的信息并传送给后台骨干网服务器或者相关观测者。

在传统的无线传感器网络中，数量庞大的节点之间多采用平等、多跳、自组织的无线通信方式完成用户指定的任务，而这种基于静态固定数据接入节点的网络存在着节点能量损耗不均匀、数据传输效率低、部署缺乏灵活性、网络结构单一、易产生路由空洞、覆盖空洞及瓶颈节点等固有问题，这些固有问题导致其整体网络性能劣化。传统的网关选择算法是通过平面无线传感网络体系结构中散布在一定地理区域的大量静态节点实现的，如图1所示，感知数据由源节点以自组织方式经过多跳传递到远端Sink节点。通常情况下，这些节点具备类似的能量、储存、计算和传输能力，即节点是同构的。传统的网关选择算法中的数据流向特征多表现为“多对一”，Sink的邻居节点将充当大数据量的转发节点功能。因此，随着网络规模的扩大，将不可避免地在Sink邻居节点处形成瓶颈节点，导致网络性能下降，甚至导致网络瘫痪。为了解决此问题，引入了移动手机终端作为移动网关提供接入服务。

传统的使用手机终端作为移动网关的做法是：

1.当有新的手机终端进传感网区域时，手机终端向基站发出请求；

2.基站根据传感节点(sensor)的相关信息，发送路由信息给手机终端；

3.手机终端再告知相关传感节点(sensor)，令其重新建立路由，此时手机终端成为移动网关。

该方法的主要缺点是：基站(BS)根据传感节点(sensor)的情况，在不知道移动终端具体信息的情况下，令传感节点(sensor)重新建立路由，而当移动终端快速通过传感区域时，路由刚刚重新建立，又马上消亡，造成频繁的路由重建。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，该方法降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，包括以下步骤：

步骤一，当一个即将离开的移动网关发现自己已经没有能力为目前所处的传感网区域服务时，向基站发送一个网关释放请求；

步骤二，当基站收到所述网关释放请求后，向处于所述传感网区域的所有移动终端广播即将离开的移动网关的信息；所述即将离开的移动网关的信息包含即将离开的移动网关的ID号和即将离开的移动网关的能力等级参数；

步骤三，所述即将离开的移动网关通过传感网信道向所述传感网区域中的各个潜在移动网关节点广播指示信息；

步骤四，所述传感网区域中的各个潜在移动网关节点侦听到所述指示信息后，计算出自己的能力等级；

步骤五，所述潜在移动网关节点与所述即将离开的移动网关进行能力等级比较，如果高于所述即将离开的移动网关的能力等级，就利用上行链路向基站发送请求取代成为新网关的信令；

步骤六，基站通过相应比较选择最优的一个潜在移动网关节点成为新网关，并向其发送同意替代现有网关的信令；

步骤七，新网关与所述即将离开的移动网关进行无缝切换。该步骤的详细实现过程为：新网关向所述即将离开的移动网关发送请求交接信令，所述即将离开的移动网关收到请求后，向新网关发送同意交接信令，并将所述传感网区域的ID号，路由信息，节点信息发送给新网关，以便完成无缝切换。

作为本发明的一种优选方案，所述移动网关的能力等级的计算公式为GW-level＝a·Dt+b·Cr+c·Ca+d·Cg+e·Cs，其中，Dt表示驻留时间，定义为移动终端在一个指定的传感网络中停留的时间；Cr表示覆盖范围，定义为移动终端能够一跳直接通信的节点个数；Ca表示负载能力，定义为移动终端能够为传感节点提供网关功能服务的节点个数；Cg表示信道质量，定义为移动终端与现存网关之间的信道情况；Cs表示信道质量，定义为移动终端与传感网各个节点之间的平均信躁比；a、b、c、d和e是各个参数前的加权因子。

作为本发明的另一种优选方案，所述移动终端具有传感网络通信模块和蜂窝网络通信模块。

作为本发明的再一种优选方案，所述移动终端为手机。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互，延长了WSN网络的生命周期，提高了能量使用效率。

附图说明

图1为传统的无线传感器网络中的网关选择方法示意图；

图2为本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法的结构示意图；

图3为本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，当服务网关不能提供接入服务时，在邻居多个候选接入网关中选出最优网关提供接入服务。通过网关提供业务的级别参数配置和计算相对权值级别，在不知道移动终端具体信息的情况下，可以降低对sensor造成的频繁的路由重建。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

在蜂窝网与传感网融合的架构下，移动网关的引入将有助于在蜂窝网协助下，提高传感网的性能。在融合网络架构下，移动终端进入传感网区域，移动终端如何接入成为移动网关，是融合网络中关键技术之一，其基本场景如图2所示。

本实施例提供一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，首先定义一个参数“移动终端等级”，该参数是描述在蜂窝网与传感网融合架构下，移动终端成为移动网关，并提供相关服务的能力等级。所述移动终端等级(GW-level)的获得方法为：

GW-level＝a·Dt+b·Cr+c·Ca+d·Cg+e·Cs

其中，Dt表示驻留时间，它定义为移动终端在一个指定的传感网络中停留的时间；Cr表示覆盖范围，它定义为移动终端能够一跳直接通信的节点个数；Ca表示负载能力，它定义为移动终端能够为传感节点提供网关功能服务的节点个数；Cg表示信道质量，它定义为移动终端与现存网关之间的信道情况；Cs表示信道质量，它定义为移动终端与传感网各个节点之间的平均信躁比。a，b，c，d和e是各个参数前的加权因子；以上参数被用于移动网关能力等级的计算中，如果其不容易获得，可将该项参数的加权因子设为0。

基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法的具体流程，如图2和3所示，包括以下步骤：

1)当一个即将离开的移动网关发现自己已经没有能力为目前所处的传感网区域服务时，向基站发送一个网关释放请求；

2)当基站收到所述即将离开的移动网关发送的网关释放请求后，向处于所述传感网区域的所有移动终端广播即将离开的移动网关的信息，所述信息中包含即将离开的移动网关的ID号，移动网关能力等级等参数；

3)即将离开的移动网关通过传感网信道向所述传感网区域中的各个潜在移动网关节点广播指示信息；潜在移动网关节点为移动终端的子集，指那些有成为网关能力的移动终端；

4)所述传感网区域中的各个潜在移动网关节点侦听到所述指示信息，通过移动网关能力等级计算公式GW-level＝a·Dt+b·Cr+c·Ca+d·Cg+e·Cs，计算出自己的能力等级；所述指示信息为短信标帧(beacon)，beacon就是一个离开的指示信令；各个潜在移动网关节点只有在接收到所述指示信息后才开始下一步工作，收不到指示信令的潜在网关节点不会执行此步骤，即不会计算自己的能力等级；

5)所述潜在移动网关节点与所述即将离开的移动网关进行能力等级比较，如果高于所述即将离开的移动网关的能力等级，就利用上行链路向基站发送请求取代成为新网关的信令；

6)基站通过相应比较选择最优的一个潜在移动网关节点成为新网关，并向其发送同意替代现有网关的信令；

7)新网关向所述即将离开的移动网关发送请求交接信令，所述即将离开的移动网关收到请求后，向新网关发送同意交接信令，并将该传感网络ID号，路由信息，节点信息等相关信息发送给新网关，以方便其完成无缝切换。

本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互，延长了WSN网络的生命周期，提高了能量使用效率。

本发明的适用场景是在人员相对比较集中的城市热点地区。在该区域中，有大量的能够成为移动网关的移动终端存在，并且在该区域中，蜂窝网的负载也比较大，因此，本发明在能更好的完成移动网关的重新选择的同时，还能有效地减少蜂窝网的负担。在城市热点区域中，在蜂窝基站侧，基站保存其覆盖区域中的所有传感网络的移动网关能力等级参数。当有移动终端进入相应传感网区域时，移动终端通过实施例所述的能力等级计算公式自行计算出自身的移动网关能力等级，而无需将相关参数发送至基站侧，减少了基站的负载。潜在移动网关通过与侦听获得的该传感网区域中现有移动网关能力等级进行比较，如果不如原有的等级高就不向基站发送请求网关改变的信令，这将在保证网关重新选择时，减少相关信令的开销。在将来的工作设计中，可以通过调节移动网关能力等级计算公式中，相关参数的加权因子，以实现本发明所述方法对各个环境的适用，这样的改变是极其容易的，并能大大提高蜂窝网与传感网融合架构下的网关重新选择的性能。

实施例二

本实施例提供一种本发明所述方法在无线传感器自组织网络系统中的具体应用过程，详细过程如下：作为移动网关的手机是双模式通信手机，具有传感网络通信模块和蜂窝网络通信模块；无线传感器自组织网络系统中的传感器节点通过手机移动网关将检测到的数据通过手机网络发送给后台服务器，实现实时监测、感知和采集各种监测环境和对象的信息，在军用和民用领域有着广泛的应用。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (5)

1.一种基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，当一个即将离开的移动网关发现自己已经没有能力为目前所处的传感网区域服务时，向基站发送一个网关释放请求；

步骤二，当基站收到所述网关释放请求后，向处于所述传感网区域的所有移动终端广播即将离开的移动网关的信息；所述即将离开的移动网关的信息包含即将离开的移动网关的ID号和即将离开的移动网关的能力等级参数；

步骤三，所述即将离开的移动网关通过传感网信道向所述传感网区域中的各个潜在移动网关节点广播指示信息；

步骤四，所述传感网区域中的各个潜在移动网关节点侦听到所述指示信息后，计算出自己的能力等级；

步骤五，所述潜在移动网关节点与所述即将离开的移动网关进行能力等级比较，如果高于所述即将离开的移动网关的能力等级，就利用上行链路向基站发送请求取代即将离开的移动网关成为新网关的信令；

步骤六，基站通过相应比较选择最优的一个潜在移动网关节点成为新网关，并向其发送同意替代现有网关的信令；

步骤七，新网关与所述即将离开的移动网关进行无缝切换。

2.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，其特征在于：步骤四中，所述移动网关的能力等级的计算公式为GW-level＝a·Dt+b·Cr+c·Ca+d·Cg+e·Cs，其中，Dt表示驻留时间，定义为移动终端在一个指定的传感网络中停留的时间；Cr表示覆盖范围，定义为移动终端能够一跳直接通信的节点个数；Ca表示负载能力，定义为移动终端能够为传感节点提供网关功能服务的节点个数；Cg表示信道质量，定义为移动终端与现存网关之间的信道情况；Cs表示信道质量，定义为移动终端与传感网各个节点之间的平均信噪比；a、b、c、d和e是各个参数前的加权因子。

3.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，其特征在于：所述步骤七的详细实现过程为：新网关向所述即将离开的移动网关发送请求交接信令，所述即将离开的移动网关收到请求后，向新网关发送同意交接信令，并将所述传感网区域的ID号、路由信息、节点信息发送给新网关，以便完成无缝切换。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，其特征在于：所述移动终端具有传感网络通信模块和蜂窝网络通信模块。

5.根据权利要求4所述的基于传感网与蜂窝网融合的移动网关选择方法，其特征在于：所述移动终端为手机。