CN103416093B - 接入无线传感器网络的多模用户设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于以多模用户设备接入无线传感器网络的方法、装置和计算机程序产品。所述方法包括用户设备接收广播的无线传感器网络信息；从移动数据网络的基站请求用于无线传感器网络的接入信息；从基站接收接入信息；以及使用所述接入信息接入无线传感器网络。

Description

接入无线传感器网络的多模用户设备
技术领域
本发明涉及无线通信。更具体地，本发明涉及多模用户设备和无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络，WSN，是具有无线通信基础设施和传感器的设备组，以监测和记录在不同位置处的情况。传感器典型地是具有有限能量电源的自主设备。
不同的网络具有特定特性，这些特定特性能够由比如移动电话的用户设备利用，用于新颖的服务。多模用户设备的一个示例能够接入移动数据网络和无线传感器网络两者。用户设备还可以充当用于无线传感器网络的网关，将移动性和大的数据传输能力结合到来自传感器网络的测量数据。
由于能量消耗对于无线传感器网络元件是关键的，用于多模用户设备的接入方法成为了重要因素。用于无线传感器网络元件的一种常规的WSN接入方法是MAC协议(MAC，介质接入控制)。常规的接入方法引起多模用户设备和无线传感器网络之间不必要的冲突，因此降低了频谱效率和传感器网络密度。常规的接入方法适于主要包括WSN元件的无线传感器网络。传感器元件传统地位于关于网络相当静止的位置。多模用户设备在另一方面是特性地移动的，因此产生了对更有效的接入方法的需要。
发明内容
本发明的目的是提出一种新方法、装置和计算机程序产品，当无线传感器网络被多模用户设备接入时，该新方法、装置和计算机程序产品提高了无线传感器网络的效率。
本发明公开了一种方法，包括用户设备接收广播的无线传感器网络信息；从移动数据网络的基站请求用于无线传感器网络的接入信息；从基站接收接入信息；以及使用所述接入信息接入无线传感器网络。在一个实施例中，用户设备是适于接入无线传感器网络和移动数据网络的多模用户设备。在一个实施例中，广播的无线传感器网络信息包括簇头标识和/或同步信息。还可以发送其他必要的无线传感器网络簇的相关信息元素，比如簇内的资源使用信息。无线传感器网络广播该信息以使新设备能够接入传感器网络。
在一个实施例中，从基站请求接入信息包括，将至少一个无线传感器网络的相关信息元素发送到基站。这样的信息元素的一个示例是簇头标识。移动数据网络的基站，例如经由蜂窝链路，能够知道无线传感器网络的网络资源状态。在一个实施例中，无线传感器网络簇头或信宿将无线资源报告到基站。基站为用户设备分配接入时隙。在另一个实施例中，接入时隙分配在移动数据网络的另一个网络元件，比如无线网络控制器中进行，但信息经由基站传输到用户设备。在一个实施例中，用户设备从基站接收的接入信息包括接入仲裁表，接入仲裁表包括资源分配信息。
在一个实施例中，基站是演进型节点B，eNB。演进型节点B是根据3GPP LTE的基站。3GPP，第三代合作伙伴计划，发展了用于第三代移动电话系统的规范，并且还从Release8(Rel-8)发展了常常指代为LTE，长期演进的下一代规范。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于无线通信的装置，包括至少一个处理器和至少一个包括程序代码的存储器，其中至少一个存储器和计算机程序代码被配置为，与至少一个处理器一起，使得设备接收广播的无线传感器网络信息；从移动数据网络的基站请求用于无线传感器网络的接入信息；从基站接收接入信息；以及使用所述接入信息接入无线传感器网络。在一个实施例中，处理器被配置为，当从基站请求接入信息时，将至少一个无线传感器网络的相关信息元素，比如簇头标识，发送到基站。在一个实施例中，处理器被配置为与作为演进型节点B的基站通信。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种计算机程序产品，包括承载计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码体现在计算机可读介质中用于与计算机一起使用，计算机程序代码包括：接收广播的无线传感器网络信息；从移动数据网络的基站请求用于无线传感器网络的接入信息；从基站接收接入信息；以及使用所述接入信息接入无线传感器网络。
本发明的益处是，由于更多的用户设备能够在低相互冲突概率内接入簇头，提高了无线传感器网络信息收集或交换能力。此外，由于网络流量堵塞能够通过协调方案中固有的堵塞控制机制而被消除，接入无线传感器网络的用户设备的数量增加了。
附图说明
随附的附图，其被包括以提供对本发明的进一步理解并且组成了本说明书的一部分，图示了本发明的实施例，并且与本描述一起帮助解释本发明的原理。在附图中：
图1是图示出网络拓扑的本发明的示例实施例的框图；
图2是图示出网络元件之间的消息传递的信令图；
图3是图示出成功接入的概率性能的仿真性能图；以及
图4是图示出吞吐量性能的仿真性能图。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例详细地作出参考，本发明的实施例的示例图示在随附的附图中。
图1是图示出本发明的示例实施例的框图。无线传感器网络WSN包括簇拓扑，在簇拓扑中，所有的传感器节点SN与簇头CH通信。传感器节点SN典型地装备有传感器元件和用于通信的无线接口。拓扑还包括信宿SI，信宿SI从传感器节点SN收集测量数据。收集的测量数据的示例是温度、湿度、压力、风向和风速、电压、人体功能、化学浓度等等。信宿SI还可以充当网关，建立并且维持无线传感器网络WSN和其他通信网络之间的通信。用户设备UE是多模终端，它能够与无线传感器网络WSN和移动网络，比如3G、3G LTE、GSM等通信。在根据本示例的实施例中，移动数据网络是LTE网络。
多模用户设备UE被配置为接入无线传感器网络簇头。根据现有技术的接入协议包括WSN MAC协议。在本发明的一个实施例中，该协议被扩展到多模用户设备UE。WSN MAC协议与附加协调一起被应用用于连接到移动数据网络的用户设备UE。
在常规的WSN MAC协议中，传感器节点的、对无线传感器网络WSN的SN接入是基于竞争的。许多用户设备UE可以没有预协调而尝试接入网络。在这种基于竞争的接入的一个示例中，用户设备UE在将接入请求发送到网络之前监听可用信道。无线传感器网络通常工作在非许可的ISM频段(ISM工业、科学和医药)，ISM频段可能缺乏自由的无线资源，或者至少被工作在相同频率的其他设备干扰。随着对于冲突的概率增大，网络的整体性能降低。如果大量用户设备UE尝试接入无线传感器网络，这也引起与传感器节点SN的冲突。作为结果，传感器节点SN可能不得不重传数据，并且消耗它们的内部能量存储。有效的协调方案将减轻多模用户设备UE组和无线传感器网络内的不必要冲突的问题。
在一个示例性使用场景中，单个无线传感器网络WSN小区服务用户设备UE和传感器节点SN两者，传感器节点SN起到了一部分干线流量控制系统(highWay traffic controlsystem)的作用。紧急情况可能以附接到簇头CH并引起冲突问题的尝试而淹没网络。解决用户设备组中冲突内的问题也减少了用户设备组和传感器节点SN之间的冲突，并且因此提高了无线传感器网络WSN效率。
适于无线传感器网络WSN环境的随机接入技术的示例是ALOHA协议。对原始ALOHA协议的改进称为“时隙ALOHA”，引入了离散时隙并且增加了最大吞吐量。设备能够仅在时隙的开始发送，这减少了冲突的数量。对于本示例，因为冲突只能够发生在每个时隙期间，传输尝试被集中在单个LTE帧内。在3G LTE系统中，帧包括若干单独的时隙和子帧。
载波侦听多路接入(CSMA)是概率的介质接入控制(MAC)协议，其中在共享的传输介质上传输之前，节点验证不存在其他业务。对于时隙ALOHA的改进能够通过CSMA的变化获得，比如CSMA/CD、CSMA/CA和1-持续CSMA。
在本发明中，用于无线传感器网络WSN的用户设备UE接入协调由eNB控制。参考图2，示例信令被公开在簇头CH和多模用户终端UE之间，以及多模用户设备UE和居于移动数据网络LTE中的eNB之间。多模用户设备UE连接到移动数据网络LTE和无线传感器网络WSN。
簇头CH通过无线传感器网络WSN信息而广播，无线传感器网络WSN信息包含对无线传感器网络WSN的标识和同步信号。用户设备UE接收广播的信息。
用户设备UE向无线传感器网络WSN发送对eNB的接入请求。用于请求的示例传输方法是无线资源控制消息或物理上行链路控制信道。请求消息可以包括以下信息元素的至少一个：接入指示、簇ID或其他必要的WSN簇的相关信息元素，比如簇内的资源使用信息。
eNB从接入簇头CH的用户设备UE接收请求，并且做出关于接入选择的决策。可以同时有若干个接入请求；eNB收集所有的用户设备UE请求，并且将接入时隙分配给用户设备UE。接入时隙长度取决于接入无线传感器网络WSN的用户设备UE的数量以及所选择的分配策略。
在接入请求收集和分析之后，eNB经由下行链路蜂窝信令，将接入仲裁表(accessarbitration table)广播到用户设备UE。eNB经由物理下行链路控制信道或无线资源控制消息，将接入选择归属发送到用户设备UE。
用户设备UE使用由eNB分配的时隙，开始对簇头CH的随机接入过程。无线传感器网络WSN簇可以经由蜂窝链路，将它的剩余无线资源报告给eNB。
本发明的效果由图3和4中的仿真性能图图示出，其中图3图示出成功的接入概率性能，并且图4图示出吞吐量性能。主要的仿真参数是：
·1个簇头；
·10个接入时隙；
·传感器节点的数量＝2和5；
·用户设备UE的数量从0到20变化。
根据图3，接入概率的性能主要取决于用户设备UE的数量。当接入无线传感器网络的用户设备UE的数量增加时，协调的接入方案表现优于传统的竞争方案。在有足够接入时隙的环境中，接入概率能够被维持在相对稳定的水平。如果接入时隙的数量不足，由此使该簇饱和，因为eNB将禁止新用户接入簇头，新用户设备UE试图接入簇头CH将总是失败。成功接入比率的概率降低了，但是仍然优于传统的竞争方案的成功接入比率的概率。
如图4中图示出的，吞吐量的性能也取决于用户设备UE的数量。当用户设备UE的数量增加时，协调的方案表现优于传统的竞争方案。协调方案的吞吐量随着足够的接入时隙的数量而线性地增加。在簇已经饱和之后，因为eNB将禁止新用户设备UE接入簇头，吞吐量能够被维持在相对稳定的水平。
本发明降低了用户设备UE对无线传感器网络的接入内的冲突概率，提高了无线传感器网络WSN密度，并且增加了频谱效率。本发明改进了无线传感器网络WSN性能和蜂窝用户体验。
本发明的实施例可以被实施在软件、硬件、应用逻辑或软件、硬件和应用逻辑的组合中。在示例实施例中，应用逻辑、软件或指令集被保持在各种常规的计算机可读介质的任一种上。在本文献的上下文中，“计算机可读介质”可以是任何介质或装置，该介质或装置能够包含、存储、通信、传播或传送用于由指令执行系统、装置或设备，比如计算机使用，或者连同指令执行系统、装置或设备，比如计算机使用的指令。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，计算机可读存储介质可以为任何能够包含或存储指令的介质或装置，该指令用于由指令执行系统、装置或设备，比如计算机使用，或者连同指令执行系统、装置或设备，比如计算机使用。示例性的实施例能够存储涉及本文描述的各种过程的信息。该信息能够被存储在一个或多个存储器中，比如硬盘、光盘、磁光盘、RAM等。一个或多个数据库能够存储用于实施本发明的示例性实施例的信息。数据库能够使用包括在一个或多个本文中所列出的存储器或存储设备中的数据结构(例如，记录、表、阵列、场、图、树、列表等)而被组织。关于示例性实施例而描述的过程能够包括适当的数据结构，这些数据结构用于存储由一个或多个数据库中的示例性实施例的设备或子系统的过程所收集和/或所生成的数据。
如将由计算机和/或软件领域的技术人员意识到的，所有或部分的示例性实施例能够使用根据本发明的示例性实施例的教导而被编程的一个或多个通用处理器、微处理器、数字信号处理器、微控制器等而被便利地实施。如将由软件领域的技术人员意识到的，适当的软件能够由普通技术的程序员基于示例性实施例的教导而容易地准备。此外，如将由电子领域的技术人员意识到的，示例性实施例能够由专用集成电路的准备，或者通过将常规组件电路的适当网络相互连接而被实施。因此，示例性实施例不限于硬件和/或软件的任何特定组合。
如果需要，本文讨论的不同功能可以以不同顺序和/或相互并发地被执行。
此外，如果需要，上面所描述功能的一个或多个可以是可选的或者可以被合并。尽管本发明的各种方面在独立权利要求中被陈述，但是本发明的其他方面包括来自所描述的实施例的特征，和/或来自具有独立权利要求的特征的从属权利要求的特征的其他组合，并且不仅仅是权利要求书中明确陈述的组合。
对本领域的技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实施。本发明及其实施例因此不限于上面所描述的示例；替代地，它们可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (19)

1.一种用于无线通信的方法，包括：
用户设备接收由无线传感器网络所广播的信息；
从移动数据网络的基站请求针对所述无线传感器网络的接入信息；
从所述基站接收所述接入信息，所述接入信息包括由所述移动数据网络的所述基站针对所述用户设备所确定的接入时隙；以及
使用所述接入信息接入所述无线传感器网络；
其中针对所述用户设备的所述接入时隙具有接入时隙长度，所述接入时隙长度由所述移动数据网络的所述基站根据接入所述无线传感网络的用户设备的数量所确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中多个用户设备尝试接入所述无线传感网络，并且针对所述用户设备的所述接入时隙由所述移动数据网络的所述基站所确定和分配以协调由所述多个用户设备到所述无线传感网络的接入。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述广播的无线网络信息包括同步信息或簇头标识中的至少一项。
4.根据权利要求1所述的方法，其中从所述基站请求接入信息包括将至少一个无线传感器网络的相关信息元素发送到所述基站。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述用户设备从所述基站接收的接入信息包括接入仲裁表。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述基站是演进型节点B。
7.根据权利要求1所述的方法，包括所述无线传感器网络簇头或信宿将无线资源报告给所述基站。
8.一种用于无线通信的装置，包括至少一个处理器和至少一个包括计算机程序代码的存储器，其中所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使得所述装置：
接收由无线传感器网络所广播的信息；
从移动数据网络的基站请求针对所述无线传感器网络的接入信息；
从所述基站接收所述接入信息，所述接入信息包括由所述移动数据网络的所述基站针对所述装置所确定的接入时隙；以及
使用所述接入信息接入所述无线传感器网络；
其中针对所述装置的所述接入时隙具有接入时隙长度，所述接入时隙长度由所述移动数据网络的所述基站根据接入所述无线传感网络的用户设备的数量所确定。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述广播的无线传感器网络信息包括簇头标识和同步信息。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述处理器被配置为使得所述装置当从所述基站请求接入信息时，将至少一个无线传感器网络的相关信息元素发送到所述基站。
11.根据权利要求8所述的装置，其中从所述基站接收到的接入信息包括接入仲裁表。
12.根据权利要求8所述的装置，其中所述处理器被配置为使得所述装置与作为演进型节点B的所述基站通信。
13.一种用于无线通信的设备，所述设备包括：
用于接收由无线传感器网络所广播的信息的装置；
用于从移动数据网络的基站请求针对所述无线传感器网络的接入信息的装置；
用于从所述基站接收所述接入信息的装置，所述接入信息包括由所述移动数据网络的所述基站针对所述设备所确定的接入时隙；以及
用于使用所述接入信息接入所述无线传感器网络的装置；
其中针对所述设备的所述接入时隙具有接入时隙长度，所述接入时隙长度由所述移动数据网络的所述基站根据接入所述无线传感网络的用户设备的数量所确定。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述广播的无线传感器网络信息包括簇头标识。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述广播的无线网络信息包括同步信息。
16.根据权利要求13所述的设备，其中从所述基站请求接入信息包括将至少一个无线传感器网络的相关信息元素发送到所述基站。
17.根据权利要求13所述的设备，其中从所述基站接收到的接入信息包括接入仲裁表。
18.根据权利要求13所述的设备，其中所述基站是演进型节点B。
19.根据权利要求13所述的设备，包括所述无线传感器网络簇头或信宿将无线资源报告给所述基站。
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