CN103517443B - 一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效可靠的基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法及装置。通常，在无线传感器网络的每个信道上，存在协调器节点和多个采集节点，其中节点必须工作在一个相同的信道上。优选地，所述采集节点可以是各种类型的无线移动终端。采集节点通过树状的通信链路逐层地将其采集的数据发送给协调器节点，以达到数据汇聚采集的效果。

Description

一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法及装置

技术领域

一般地，本发明涉及无线传感器网络，并且具体地，涉及一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法及装置。

背景技术

现代社会已经使用并正变得依赖于无线通信技术，由于无线通信设备的快速开发，出现了能够实现完全新类型的通信应用的多个领域。蜂窝网络便于在大型地理区域上的通信。这些网络技术通常按世代来划分，从二十世纪七十年代晚期开始，到二十世纪八十年代早期提供基本语音通信的第一代(1G)模拟蜂窝电话，再到当代的数字蜂窝电话。GSM是广泛采用的2G数字蜂窝网络的实例，它在欧洲以900MHZ／1.8GHZ的频带通信而在美国以850MHz和1.9GHZ通信。尽管例如GSM的远距离通信网络是用于发送和接收数据的被普遍接受的手段，但是由于成本、业务和法律问题，这些网络可能不适合于所有数据应用。

短距离通信技术提供了避免在大型蜂窝网络中出现的某些问题的通信方案。通用的短距离通信技术包括蓝牙、IEEE802.11无线局域网(WLAN)、无线USB(WUSB)、超宽带(UWB)、ZigBee(IEEE802.15.4、IEEE802.15.4a)、和超高频射频识别(UHF RFID)技术。所有这些无线通信技术具有使得它们适合于各种应用的特征和优点。

其中，基于IEEE802.15.4的无线传输技术，例如Zigbee，由于其低能量消耗、低速率传输、低成本的特点，近年来被大量地应用于环境数据采集，工业监控，军事等领域中一些对数据率要求不高但功耗要求较高的应用场景。

目前传统的无线传感器数据采集网络，主要采取如下的工作方式：网络中存在一个无线网关和若干个无线数据采集节点，无线网关和多个无线数据采集节点都工作在一个无线信道上，采集节点周期性地向无线网关发送采集的数据。这样的工作方式，当网络中采集节点的数量达到一定规模时，将导致大量无线信道的竞争访问，使一些网络节点长期无法获取信道的使用权，从而使其数据丢失，造成整个网络性能的下降。为了避免在单一的物理信道上发生过多的信道竞争访问，需要对信道进行调度，使一些节点工作在一个信道上另一些节点工作在另一个不同的信道上，以此降低单一信道上节点对物理信道访问的冲突。而现存的一些无线信道调度方法，大多需要大量的网络原始信息，使得信道调度这个过程本身会消耗大量的网络资源和计算资源。并且，在实际的应用场景中，无线网络中的网关节点和数据采集节点大多使用廉价的处理器芯片，芯片内部资源大多非常有限。大量的数据计算一方面可能带来较高的能耗，另一方面有可能芯片本身就无法进行高数据量的计算操作。

例如，杭州电子科技大学的专利“一种面向容量扩充的无线传感网多信道调度方法”(专利申请号：201210179612.2)。该专利公开了一种无线传感网的多信道调度方法，给每棵子树分配不同的信道，通过引入协调节点，来减少节点信道切换次数和工作在不同信道上节点间的通信频率，从而使各子树的网络负载达到平衡，提高整个网络的吞吐量。该专利公开的设备存在的不足是，在进行信道调度之前，需要收集的信息较多，过于复杂。例如，在子树建立时，节点发送的Beacon包需要包括送节点到网关节点的跳数、路径期望传输次数PETX和发送节点ID。这就要求节点必须具有一定的处理能力，并且节点本身应该对网络的拓扑结构具有一定的感知。而该事实在实际的应用中并不一定成立。因此，该专利所提出的方法具有一定的局限性。

为了解决现有技术中的缺陷，需要提供一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种高效可靠的基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法及装置。通常，在无线传感器网络的每个信道上，存在一个协调器(例如，无线网关)节点和多个采集节点，其中节点必须工作在一个相同的信道上。优选地，所述采集节点可以是各种类型的无线移动终端。采集节点通过树状的通信链路逐层地将其采集的数据发送给协调器节点，以达到数据汇聚采集的效果。

然而，在实际环境中，如果在单一信道上聚集的采集节点过多，将导致该信道上的信道竞争冲突加剧，从而使部分采集节点始终难以获得物理信道的使用权，进而导致采集节点发送数据的丢失。因此，在实际中，无线传感器网络通常采用多个信道，每个信道上都设置一个协调器负责该信道上数据的采集。显然，每个信道在逻辑上形成了一棵通信树，而整个无线传感器网络就是由每个信道上的树组成的森林，如图1所示。如何将每个采集节点分配到合适的子树上，就是信道分配所要解决的问题。

根据本发明的信道分配方法需要每个无线网关(例如，Zigbee网关)收集一些简单的网络数据，并且这些网络数据来自无线通信终端(例如，Zigbee通信终端)发送给无线网关的数据包。通常来说，一般的数据传输包即可实现本发明的目标。因此，收集这些数据的过程与网络的工作过程可以并行进行。收集到所需的信息之后，由多个无线网关进行分布式地计算。得到一个最优的信道调度方案，最终交由其中的一个无线网关执行信道分配操作。之后，所有的无线传感器数据采集网络中的无线通信终端都将工作在无线网关为其分配的最优的信道上。

本发明的信道调度的基础为每个无线通信终端到每个无线网关的链路质量指示值(LQI)。该值的取值范围为0～255。已有的实验结果已经证实，LQI值的大小与无线通信终端的数据率、数据丢失率、数据送达延迟等网络性能指标相关。在LQI值较高的链路上进行数据通信时，无线通信终端所能达到的最大数据率较高、数据丢失率较低并且数据送达延迟较低。因此，本发明以LQI的值作为每个无线通信终端进行信道选择的依据。但是应当了解的是，LQI的值可能受到周围环境的干扰，从而导致少量的LQI值不具有参考价值。而当LQI均值在一定的范围内时，LQI的均值与实际的数据包接收率也不存在明显的线性关系。所以本发明收集每个无线通信单元的多个(例如，至少20个、至少30个、至少40个)LQI值，计算其均值与方差。将所述均值和方差输入到根据本发明的链路质量评估模型，得出当前链路数据包接收率的概率估值，并以这个概率估计值作为最终进行信道调度的依据。

所有的无线网关维护信道信息记录表，信道信息记录表包含每个无线通信终端的最优信道和最优信道的数据包接收率估值。初始时，每个无线通信终端的最优信道的数据包接收率估值均为0。当统计某个信道的LQI值时，无线网关将提取每个数据包中记录的LQI值。当收集到足够数量的LQI探测包后，计算每个无线通信终端的LQI均值和方差，将所述均值和方差输入到预先设定的评估模型中，计算该信道上的数据包接收率估值，并与已收到的信道信息记录表进行对比。如果这个无线通信终端在当前信道上的数据包接收率估值大于信道记录表中记录的之前信道的数据包接收率估值，则更新该无线通信终端在信道信息记录表的对应记录，并且将其最优信道设为当前信道。网关对每个无线通信单元执行同样的操作，当更新完当前信道的信道信息记录表后，将更新后的信道信息记录表通过TCP网络发送给下一个无线网关，再向当前信道上的所有无线通信终端发送信道切换报文，使当前信道上的所有无线通信终端切换到下一个无线网关的工作信道上，之后下一个无线网关重复以上步骤继续进行信道信息记录表的更新操作。

根据本发明的第一方面，一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法，所述无线传感器网络包括多个无线网关和多个无线通信终端，所述多个无线网关中的每个无线网关能够使用近距离无线通信技术与所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端进行通信，其中每个无线网关在任意时刻只能在一个信道上工作，并且每个无线通信终端在任意时刻只能在一个信道上工作，所述方法包括：A.设置所述多个无线网关中每个无线网关的工作信道并且为工作信道分配信道标识，其中每个无线网关的工作信道不同；B.通过双向链路连接所述多个无线网关中的每个无线网关，所述多个无线网关中的每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址和相邻无线网关工作的信道的信道标识；C.将多个无线网关中选择的第一无线网关设置为当前无线网关，初始化信道信息记录表；D.将所述当前无线网关的工作信道设置为所述多个无线通信终端的当前工作信道；E.将所述多个无线通信终端连接到当前工作信道，所述当前无线网关根据当前工作信道的网络状况确定每个无线通信终端应当收集的链路质量指示探测包的设定数量，所述链路质量指示探测包包括至少一个链路质量指示值；F.每个无线通信终端分别收集与链路质量相关的链路质量指示值并且将所述链路质量指示值置入链路质量指示探测包，当每个无线通信终端收集到设定数量的链路质量指示探测包时，将收集的链路质量指示探测包发送给当前无线网关；G.所述当前无线网关接收每个无线通信终端发送的链路质量指示探测包，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，并且根据所述均值和标准差来更新信道记录表；H.当前无线网关向无线传感器网络中相邻的下一无线网关发送信道信息记录表，将所述下一无线网关设置为当前无线网关并且将所述下一无线网关的工作信道设置为当前工作信道；I.当所述下一个无线网关不是所述选择的第一无线网关时，返回步骤E；当所述下一个无线网关是所述选择的第一无线网关时，所述选择的第一无线网关根据收集的信道记录表，根据信道记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道，第一无线网关发送信道切换报文给所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端，所述每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

优选地，其中无线网关是Zigbee网关，其中无线通信终端是与Zigbee网关通过Zigbee通信协议进行无线网络通信的Zigbee通信终端，其中多个Zigbee网关之间能够通过TCP／IP协议进行通信。

优选地，所述信道信息记录表包括：无线通信终端的物理地址、当前最高的数据包接收率估计值和／或当前最优信道的信道标识，其中最优信道为数据包接收率估计值最高的信道。

优选地，当无线网关收集了所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端的设定数量的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差之后还包括：根据链路质量估计值模型和所述每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，计算每个无线通信终端在当前信道的数据包接收率估计值，并且将计算的当前信道的数据包接收率估计值与信道信息记录表中相应的无线通信终端的最优数据包接收率估空值进行比较，如果当前信道的数据包接收率估即值大于最优数据包接收率估计值，则在信道信息记录表中将当前信道的数据包接收率估计值设置为最优数据包接收率估计值并且修改最优信道标识，从而更新信道记录表。

优选地，对于无线传感器网络中的所有无线网关，所述多个无线通信终端在所述多个无线网关中任意一个无线网关的通信范围之内。

根据本发明的另一方面，一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度系统，所述无线传感器网络包括多个无线网关和多个无线通信终端，所述多个无线网关中的每个无线网关能够使用近距离无线通信技术与所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端进行通信，其中每个无线网关在任意时刻只能在一个信道上工作，并且每个无线通信终端在任意时刻只能在一个信道上工作，所述系统包括：

信道设置单元，设置所述多个无线网关中每个无线网关的工作信道并且为工作信道分配信道标识，其中每个无线网关的工作信道不同；依次将多个无线网关中的每个无线网关设置为当前无线网关；将所述当前无线网关的工作信道设置为所述多个无线通信终端的当前工作信道；

网络管理单元，通过双向链路连接所述多个无线网关中的每个无线网关，每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址和相邻无线网关工作的信道的信道标识；将所述多个无线通信终端连接到当前工作信道，所述当前无线网关根据当前工作信道的网络状况确定每个无线通信终端应当收集的链路质量指示探测包的设定数量，所述链路质量指示探测包包括至少一个链路质量指示值；

信道信息记录单元，初始化信道信息记录表；促使每个无线通信终端分别收集与链路质量相关的链路质量指示值并且将所述链路质量指示值置入链路质量指示探测包，当每个无线通信终端收集到所述设定数量的链路质量指示探测包时，促使将收集的链路质量指示探测包发送给当前无线网关；

信道信息分析单元，当所述当前无线网关接收每个无线通信终端发送的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，并且根据所述均值和标准差来更新信道记录表；

信道切换单元，根据信道记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道，第一无线网关发送信道切换报文给所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端，所述每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

优选地，其中无线网关是Zigbee网关，其中无线通信终端是与Zigbee网关通过Zigbee通信协议进行无线网络通信的Zigbee通信终端，其中多个Zigbee网关之间能够通过TCP／IP协议进行通信。

优选地，所述信道信息记录表包括：无线通信终端的物理地址、当前最高的数据包接收率估值和／或当前最优信道的信道号，其中最优信道为数据包接收率估值最高的信道。

优选地，当无线网关收集了所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端的设定数量的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差之后还包括：根据链路质量估计值模型和所述每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，计算每个无线通信终端在当前信道的数据包接收率估计值，并且将计算的当前信道的数据包接收率估计值与信道信息记录表中相应的无线通信终端的最优数据包接收率估空值进行比较，如果当前信道的数据包接收率估即值大于最优数据包接收率估计值，则在信道信息记录表中将当前信道的数据包接收率估计值设置为最优数据包接收率估计值并且修改最优信道标识，从而更新信道记录表。

优选地，其特征在于，对于无线传感器网络中的所有无线网关，所述多个无线通信终端在所述多个无线网关中任意一个无线网关的通信范围之内。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用了链路质量指示值作为信道调度的依据，一方面能够可靠地作出信道调度的依据，另一方面，链路质量指示值相对于其他的网络原始数据，更易于收集而不需要其他额外的信息。因此，采用本发明的方式，能够高效地进行信道的分配，不需要每个节点对网络的结构有过多的了解。

第二，由于在Zigbee网络中每个数据包都有其链路质量指示值，因此，在计算信道调度方案时，一般的数据传输报文也可作为链路质量指示探测包，使得信道调度的过程对无线传感网中的采集节点完全透明，不需要采集节点作出任何特殊的动作，只需按照既定的程序发送数据即可。由网关去统计收到数据包的链路质量指示值。这样一方面避免网络中的采集节点进行额外的操作导致可能的错误，另一方面也使得信道分配的过程并不干扰网络需要一直进行的数据采集作业。

第三，由于本发明采用了分布式的方法计算每个节点的最优信道，多个Zigbee网关轮流更新信道信息记录表，最终交由一个网关向所有的Zigbee通信模块分发信道调度方案。这样的信道信息计算方式，有效地降低了每个Zigbee网关的计算负载。因此，该方案对Zigbee网关和Zigbee通信模块的硬件要求很低，只需要具备一般的计算性能即可。

附图说明

已经大致地描述了本发明，现在参照附图，其不必按照规定比例绘制，其中：

图1示出了现有技术中的无线通信系统的示意图；

图2示出了根据本发明优选实施方式的在无线传感器网络系统中收集信道信息的一个示意图；

图3示出了根据本发明优选实施方式的在无线传感器网络系统中收集信道信息的另一示意图；

图4示出了根据本发明优选实施方式的LQI均值与节点数据包接收率均值的关系；

图5示出了根据本发明优选实施方式的节点LQI均值与节点数据包接收率标准差的关系；

图6示出了根据本发明优选实施方式的无线传感器网络信道调度方法的流程图；以及

图7示出了根据本发明优选实施方式的无线传感器网络信道调度系统的结构示意图。

具体实施方式

以下，参照附图更完整地描述本发明实施方式，在附图中，示出本发明的一些实施方式，而并非所有实施方式。当然，本发明的各种实施例可通过许多不同形式实现，并且不应理解为限制为这里阐述的实施方式；而是，提供这些实施方式使得所述公开内容将满足可适用的合法要求。其中类似的标号表示类似的元素。其中，术语“数据”、“内容”、“信息”和类似术语可交换使用，以表示能够根据本发明实施方式发送、接收和／或存储的数据。因此，任意这样术语的使用不应被用来限制本发明实施方式的精神和范围。

此外，如这里使用的，术语“电路”指的是(a)仅硬件电路方案(例如用模拟电路和／或数字电路的方案)；(b)包括在一个或多个计算机可读存储器上存储的软件和／或固件指令的电路和计算机程序产品的组合，其在一起工作以使得正在执行这里所述的一个或多个功能；以及(c)需要用于操作的软件或固件(即使软件或固件非物理存在)的电路，例如微处理器或微处理器的一部分。“电路”的这个定义应用于在此，包括任意权利要求，对这个术语的所有使用。作为其他实例，这里，术语“电路”还包括含有一个或多个处理器和／或其部分以及伴随软件和／或固件的方案。作为另一实例，这里使用的术语“电路”还包括，例如用于移动电话的基带集成电路或应用处理器集成电路，或服务器、蜂窝网络设备、其他网络设备、和／或其他计算设备中的类似集成电路。

如此处定义的，指代物理存储介质(例如，易失性或非易失性存储器设备)的“计算机可读存储介质”，可能与指代电磁信号的“计算机可读传输介质”不同。

图2示出了根据本发明优选实施方式的在无线传感器网络系统收集信道信息的一个示意图。如图2所示，无线传感器网络包括多个无线网关，例如，无线网关1、无线网关2、无线网关3、无线网关4，...，以及无线网关N。优选地所述无线传感器网络包括多个无线通信终端，例如，无线通信终端1、无线通信终端2、无线通信终端3、无线通信终端4，...，以及无线通信终端M。优选地，所述无线通信终端可以是任意类型的移动终端、固定终端、或便携式终端，包括移动手持机、站、单元、设备、导航设备、多媒体计算机、多媒体平板电脑、因特网节点、发信机、桌上型计算机、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、音频／视频播放器、数字照相机／摄像机、定位设备、电视接收机、无线电广播接收机、电子书设备、游戏设备或其任意组合。

优选地，所述多个无线网关中的每个无线网关均在不同的信道上工作。优选地，为每个无线网关设置单独的工作信道。所述多个无线网关中的每个能够使用近距离无线通信技术与所述多个无线通信终端中的任意一个进行通信。优选地，所述无线通信终端中的每个无线通信终端可以在上述信道中的任意一个上工作并且如在所述信道上工作的无线网关进行通信。优选地，其中所述多个无线网关中的任意一个在同一时刻只能在同一信道上工作，并且所述多个无线通信终端中的每个在同一时刻只能同一信道上工作。通常，设置多个无线网关中每个无线网关的工作信道，其中每个无线网络的工作信道不同。

如图2所示，根据本发明的实施方式，首先要进行网络的初始设置。根据本发明的一个实施方式，将所述多个无线网关通过双向链路形成预定结构的网络拓扑。优选地，所述预定结构的网络拓扑可以是环形结构、星形结构、树状结构、图状结构。本发明以环状结构为例进行说明。优选地，无线网关1和无线网关2通过双向通信链路连接；无线网关2和无线网关3通过双向通信链路连接；无线网关3和无线网关4通过双向通信链路连接；中间所有节点的连接关系以此类推，无线网关N和无线网关1通过双向通信链路连接，由此形成环状结构。

根据本发明的一个实施方式，每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址。优选地，无线网关1存储无线网关N和无线网关2的IP地址。无线网关2存储无线网关1和无线网关3的IP地址。可替换地，无线网关2存储无线网关1、无线网关3和无线网关4的IP地址。或者，无线网关2存储无线网关1、无线网关N、无线网关3和无线网关4的IP地址。根据本发明的实施方式，无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址指的是在物理上和／或逻辑上相邻的无线网关的IP地址。无线网关首先存储直接相邻的无线网关的IP地址，然后可选地存储与其距离为1、2、3等的无线网关的IP地址。

根据本发明的优选实施方式，在网络的初始设置之后，进行网络信息的收集，例如链路质量指示值LQI。链路质量指示值指示接收数据帧的能量与质量。所述链路质量指示值的大小基于信号强度以及检测到的信噪比(SNR)。IEEE802.15.4标准定义了链路质量：指示(LQI)计量的就是所收到的数据包的强度和／或质量。

如图2所示，多个无线网关分别工作在不同的信道上。将多个无线通信终端的当前工作信道设置为环状结构中无线网关1的工作信道1。优选地，在设置了当前工作信道后，可以设置每个无线网关的下一个待测试信道。由无线网关1初始化信道信息记录表，所述信道信息记录表包含每个无线通信终端的64位硬件地址、当前最优信道号和当前最优数据包接收率估值。

根据本发明的优选实施方式，所述多个无线通信终端连接到当前工作信道。优选地，无线网关1根据当前的网络状况(即，工作信道1的网络状况)确定每个无线通信终端应当收集包括链路质量指示值的链路质量指示探测包的数量。优选地，当网络状况比较稳定时，无线网关1可将数量设置得低一些，例如30。优选地，当网络状况比较稳定时，无线网关1可将数量设置得低一些，例如40。优选地，所述网络状况可包括：网络延迟、信噪比、丢包率、信噪干比等。

根据本发明的优选实施方式，多个无线通信终端中的每个都在工作信道1上工作。每个无线通信终端分别进行数据采集并将采集到的链路质量指示值通过链路质量指示探测包发送给无线网关1。当多个无线通信终端中的每个无线通信终端分别收集了设定数量(例如，30或40)的链路质量指示探测包时，将收集的链路质量指示探测包发送给无线网关1。

根据本发明的优选实施方式，无线网关1接收所有无线通信终端的无线通信终端的链路质量指示探测包。例如，设定数量为30并且无线通信终端为20的情况下，则接收600个链路质量指示探测包。无线网关1提取每个链路质量指示探测包中饿链路质量指示值，对所有链路质量指示值进行处理，并更新信道记录表。

根据本发明的优选实施方式，无线网关1将所述多个无线通信单元的当前工作信道设置为环状结构中的下一无线网关的工作信道，[f1]即无线网关2的工作信道2，并且向无线网关2发送更新的信道信息记录表。无线网关2重复与无线网关1相同的过程。优选地，在其他预定结构的网络拓扑中，例如星形结构、树状结构、图状结构中，可以根据不同结构中的不同遍历方法来确定下一无线网关。例如，在树状结构(二叉树)中的先序、中序和后序遍历。

图3示出了根据本发明优选实施方式的在无线传感器网络系统中收集信道信息的另一示意图。如图3所示，当下一无线网关为所述第一个无线网关时，即当无线网关N执行了相同的过程并且将更新的信道信息记录表发送给无线网关1，无线网关1接收的信道信息记录表。优选地，无线网关1根据所述信道信息记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道。无线网关1根据每个无线通信终端的最优工作信道，发送信道切换报文给每个无线通信终端。优选地，多个无线通信终端中的每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

例如，无线通信终端1和2的最优工作信道为无线网关1工作的信道1；无线终端3的最优工作信道为无线网关2工作的信道2；并且无线终端4-5的最优工作信道为无线网关4工作的信道4等。

根据本发明的一个实施方式，将Zigbee作为实例进行阐述，但是所属领域技术人员应当了解的是本发明并不限于Zigbee。

通常地，步骤1，设置初始信息。

按照图2和3所示的无线传感器网络，网络中至少存在两个Zigbee网关和至少两个Zigbee通信模块。根据无线传感器网络的性质，网络中的Zigbee通信模块在同一时刻只能工作在一个无线信道之上。同时，Zigbee网关由一个Zigbee网络协调器、一个S3C2440最小核心板和相应的外围电路构成，由于使用的Zigbee协调器在同一时刻只能监听一个网络上的Zigbee数据，因此，我们的Zigbee网关在同一时刻只能工作在一个信道上，收集一个信道上的Zigbee网络数据。

在初始化时，首先需要指定每个Zigbee网关的工作信道C_i，使其在信道C_i上监听网络数据。另一方面，由于该信道调度算法采用了分布式的信道优化方法，因此，每个网关还需要记录一个与之直接通信的另一个Zigbee网关的IP地址和该Zigbee网关工作的信道C_j。对于所有Zigbee网关所设定的另一个网关的IP地址，最终构成一个环路，使得从任意的Zigbee网关开始，通过依次与其相邻的网关进行通信，能够最终将数据返回至该Zigbee网关本身。在初始化所有Zigbee网关之后，需要将所有的Zigbee通信模块的工作信道设置为同一个“默认信道”，并且，需要有一个Zigbee网关工作在该默认信道上。至此，初始化配置完成。

步骤2，收集当前信道上所有Zigbee通信模块的链路质量指示值

在初始化配置之后，所有的Zigbee网关和Zigbee通信模块开始工作。Zigbee通信模块初始工作在默认信道上。默认信道上的Zigbee网关创建信道信息记录表结构，该结构包含每个Zigbee通信模块的64位硬件地址、当前最优信道号和当前最优数据包接收率估值。如果该Zigbee网关不是默认的网关，则其首先等待它的上一个网关发送信道信息记录表。之后，开始在当前信道上的进行数据采集，并且收集每个Zigbee通信模块的链路质量指示值(LQI)。在对每个Zigbee通信模块收集了一定数量的链路质量指示值之后(至少30个LQI值)，对其进行平均，带入公式一、公式二、公式三，即得出了该Zigbee通信模块在该信道上的数据包接收率估值。如果该估计值优于当前记录在信道信息记录表中的对应Zigbee通信模块的估计值，则更新信道信息记录表。

当该Zigbee网关收集了更新了信道信息记录表中的所有Zigbee通信模块的记录之后，向其相邻的Zigbee网关发起TCP连接请求，在TCP连接建立之后，将它更新后的信道信息记录表发送给其相邻的Zigbee网关。发送完毕之后，向各个Zigbee通信模块发送信道切换消息，使其工作信道切换到下一个Zigbee网关的工作信道上。

步骤3，所有的Zigbee网关重复步骤步骤2，直到更新了全部信道上的信道信息记录表。并且，最终该信道记录表通过Zigbee网关之间的通信环，回到了默认的Zigbee网关上。

步骤4，信道分配

当所有的Zigbee通信模块再一次回到默认信道上时，说明每个Zigbee网关都在其信道上对所有的Zigbee通信模块进行了LQI测试并更新了信道信息记录表。此时，默认Zigbee网关根据收集的信道记录表中的每个条目，按照每个Zigbee通信模块最优工作信道，向其发送信道切换报文。最终，所有的Zigbee通信模块都将工作在最优的信道上。

图4示出了根据本发明优选实施方式的LQI均值与节点数据包接收率均值的关系。并且图5示出了根据本发明优选实施方式的节点LQI均值与节点数据包接收率标准差的关系。下面结合图4和5对本发明作进一步的描述：

现有的理论已经证实，链路质量指示值(LQI)与节点的数据包接收率有着一定的对应关系，一般而言，在较高LQI的信道上进行数据传输，数据包的接收率较高。然而LQI值可能存在波动，因此单一的几个LQI值不宜直接作为信道调度的依据。同样，LQI的均值与节点数据包的接收率也不存在一种直接的对应关系。通过我们之前大量的实验，得出节点LQI均值与节点数据包接收率的关系如附图4所示。可以看出，离散点呈平滑增加趋势。当LQI均值低于70时，节点数据包接收率基本趋于0，而当LQI均值在70到100之间时，节点数据包接收率呈不稳定状态。经过SPSS软件的分析，我们认为节点平均数据包接收率可以被拟合为如下的函数：

公式一：

μ＝-1*10^-6*LQI_Avg ³+0.0656*LQI_Avg-4.1948，70≤LQI_Avg≤110

为了建立我们的节点数据接收率估计模型，我们还需要建立节点LQI的标准差。经过我们实验的测试，节点LQI均值与节点包接收率标准差的关系如图5所示。同样，使用SPSS软件，我们得到如下的函数：

公式二：

σ＝-0.001*LQI_Avg ²+0.1704*LQI_Avg-6.5652

由以上的节点数据包接收率的期望式与标准差式，我们得到节点数据包接收率的正态分布模型：

公式三：

图6示出了根据本发明优选实施方式的无线传感器网络信道调度方法的流程图。根据本发明的优选实施方式，在第1步骤，设置所述多个无线网关中每个无线网关的工作信道并且为工作信道分配信道标识，其中每个无线网关的工作信道不同。在第2步骤，通过双向链路连接所述多个无线网关中的每个无线网关，所述多个无线网关中的每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址和相邻无线网关工作的信道的信道标识。在第3步骤，将多个无线网关中选择的第一无线网关设置为当前无线网关，初始化信道信息记录表。在第4步骤，将所述当前无线网关的工作信道设置为所述多个无线通信终端的当前工作信道，设置每个无线网关的下一个待测试信道。在第5步骤，将所述多个无线通信终端连接到当前工作信道，所述当前无线网关根据当前工作信道的网络状况确定每个无线通信终端应当收集的链路质量指示探测包的设定数量。在第6步骤，每个无线通信终端分别收集指示链路质量相关的链路质量指示值并且将所述链路质量指示值置入链路质量指示探测包，当每个无线通信终端收集到所述设定数量的链路质量指示探测包时，将收集的链路质量指示探测包发送给当前无线网关。在第7步骤，所述当前无线网关接收每个无线通信终端的链路质量指示探测包，提取链路质量指示值，计算链路质量指示值的均值和标准差，并且根据所述均值和标准差来更新信道记录表。在第8步骤，当前无线网关向无线传感器网络中相邻的下一无线网关发送信道信息记录表，将所述下一无线网关设置为当前无线网关并且将所述下一无线网关的工作信道设置为当前工作信道。在第9步骤，当所述下一个无线网关不是所述选择的第一无线网关时，返回第5步骤；否则，当所述下一个无线网关是所述选择的第一无线网关时，所述选择的第一无线网关根据收集的信道记录表，根据信道记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道，第一无线网关发送信道切换报文给所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端，所述每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

图7示出了根据本发明优选实施方式的无线传感器网络信道调度系统的结构示意图。优选地，所述无线传感器网络包括多个无线网关和多个无线通信终端，所述多个无线网关中的每个无线网关能够使用近距离无线通信技术与所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端进行通信，其中每个无线网关在任意时刻只能在一个信道上工作，并且每个无线通信终端在任意时刻只能在一个信道上工作，所述系统包括：信道设置单元、网络管理单元、信道信息记录单元、信道信息分析单元和信道切换单元。

优选地，信道设置单元设置所述多个无线网关中每个无线网关的工作信道并且为工作信道分配信道标识，其中每个无线网关的工作信道不同；依次将多个无线网关中的每个无线网关设置为当前无线网关；将所述当前无线网关的工作信道设置为所述多个无线通信终端的当前工作信道，设置每个无线网关的下一个待测试信道。

优选地，通过双向链路连接所述多个无线网关中的每个无线网关，每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址和相邻无线网关工作的信道的信道标识；将所述多个无线通信终端连接到当前工作信道，所述当前无线网关根据当前工作信道的网络状况确定每个无线通信终端应当收集的链路质量指示探测包的设定数量，所述链路质量指示探测包包括至少一个链路质量指示值。

优选地，信道信息记录单元初始化信道信息记录表；促使每个无线通信终端分别收集指示链路质量相关的链路质量指示值并且将所述链路质量指示值置入链路质量指示探测包，当每个无线通信终端收集到所述设定数量的链路质量指示探测包时，促使将收集的链路质量指示探测包发送给当前无线网关。

优选地，信道信息分析单元当所述当前无线网关接收每个无线通信终端的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算链路质量指示值的均值和标准差，并且根据所述均值和标准差来更新信道记录表。

优选地，信道切换单元根据信道记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道，第一无线网关发送信道切换报文给所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端，所述每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

在先前的说明书和相关附图中呈现的教导下，本发明涉及的领域内普通技术人员将得知在此阐述的本发明的许多修改和其他实施方式。因此，可以理解，本发明实施方式不限于这里公开的特定实施方式，并且其修改和其他实施方式也被包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管以上说明书和相关附图描述了在元件和／或功能的某些示例性组合的环境下的示例性实施方式，但是应理解可通过备选实施方式提供元件和／或功能的不同组合，而不脱离所附权利要求的范围。在这点上，例如，如可在所附权利要求中阐述的那样，也可设想除了以上明确所述的元件和／或功能之外的不同组合。尽管这里采用的特定术语，但是它们可仅通过一般性和描述性概念来使用，并非用于限制的目的。

Claims (10)

1.一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度方法，所述无线传感器网络包括多个无线网关和多个无线通信终端，所述多个无线网关中的每个无线网关能够使用近距离无线通信技术与所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端进行通信，其中每个无线网关在任意时刻只能在一个信道上工作，并且每个无线通信终端在任意时刻只能在一个信道上工作，所述方法包括：

A.设置所述多个无线网关中每个无线网关的工作信道并且为工作信道分配信道标识，其中每个无线网关的工作信道不同；

B.通过双向链路连接所述多个无线网关中的每个无线网关，所述多个无线网关中的每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址和相邻无线网关工作的信道的信道标识；

C.将多个无线网关中选择的第一无线网关设置为当前无线网关，初始化信道信息记录表；

D.将所述当前无线网关的工作信道设置为所述多个无线通信终端的当前工作信道；

E.将所述多个无线通信终端连接到当前工作信道，所述当前无线网关根据当前工作信道的网络状况确定每个无线通信终端应当收集的链路质量指示探测包的设定数量，所述链路质量指示探测包包括至少一个链路质量指示值；

F.每个无线通信终端分别收集与链路质量相关的链路质量指示值并且将所述链路质量指示值置入链路质量指示探测包，当每个无线通信终端收集到设定数量的链路质量指示探测包时，将收集的链路质量指示探测包发送给当前无线网关；

G.所述当前无线网关接收每个无线通信终端发送的链路质量指示探测包，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，并且根据所述均值和标准差来更新信道记录表；

H.当前无线网关向无线传感器网络中相邻的下一无线网关发送信道信息记录表，将所述下一无线网关设置为当前无线网关并且将所述下一无线网关的工作信道设置为当前工作信道；

I.当所述下一个无线网关不是所述选择的第一无线网关时，返回步骤E；

当所述下一个无线网关是所述选择的第一无线网关时，所述选择的第一无线网关根据收集的信道记录表，根据信道记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道，第一无线网关发送信道切换报文给所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端，所述每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中无线网关是Zigbee网关，其中无线通信终端是与Zigbee网关通过Zigbee通信协议进行无线网络通信的Zigbee通信终端，其中多个Zigbee网关之间能够通过TCP/IP协议进行通信。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道信息记录表包括：无线通信终端的物理地址、当前最高的数据包接收率估计值和/或当前最优信道的信道标识，其中最优信道为数据包接收率估计值最高的信道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当无线网关收集了所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端的设定数量的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差之后还包括：根据链路质量估计值模型和所述每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，计算每个无线通信终端在当前信道的数据包接收率估计值，并且将计算的当前信道的数据包接收率估计值与信道信息记录表中相应的无线通信终端的最优数据包接收率估空值进行比较，如果当前信道的数据包接收率估即值大于最优数据包接收率估计值，则在信道信息记录表中将当前信道的数据包接收率估计值设置为最优数据包接收率估计值并且修改最优信道标识，从而更新信道记录表。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于无线传感器网络中的所有无线网关，所述多个无线通信终端在所述多个无线网关中任意一个无线网关的通信范围之内。

6.一种基于链路质量指示值的无线传感器网络信道调度系统，所述无线传感器网络包括多个无线网关和多个无线通信终端，所述多个无线网关中的每个无线网关能够使用近距离无线通信技术与所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端进行通信，其中每个无线网关在任意时刻只能在一个信道上工作，并且每个无线通信终端在任意时刻只能在一个信道上工作，所述系统包括：

信道设置单元，设置所述多个无线网关中每个无线网关的工作信道并且为工作信道分配信道标识，其中每个无线网关的工作信道不同；依次将多个无线网关中的每个无线网关设置为当前无线网关；将所述当前无线网关的工作信道设置为所述多个无线通信终端的当前工作信道；

网络管理单元，通过双向链路连接所述多个无线网关中的每个无线网关，每个无线网关存储至少两个相邻无线网关的IP地址和相邻无线网关工作的信道的信道标识；将所述多个无线通信终端连接到当前工作信道，所述当前无线网关根据当前工作信道的网络状况确定每个无线通信终端应当收集的链路质量指示探测包的设定数量，所述链路质量指示探测包包括至少一个链路质量指示值；

信道信息记录单元，初始化信道信息记录表；促使每个无线通信终端分别收集与链路质量相关的链路质量指示值并且将所述链路质量指示值置入链路质量指示探测包，当每个无线通信终端收集到所述设定数量的链路质量指示探测包时，促使将收集的链路质量指示探测包发送给当前无线网关；

信道信息分析单元，当所述当前无线网关接收每个无线通信终端发送的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，并且根据所述均值和标准差来更新信道记录表；

信道切换单元，根据信道记录表确定所述多个无线通信终端中每个无线通信终端的最优工作信道，第一无线网关发送信道切换报文给所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端，所述每个无线通信终端根据所述切换报文将工作信道切换到各自的最优工作信道。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，其中无线网关是Zigbee网关，其中无线通信终端是与Zigbee网关通过Zigbee通信协议进行无线网络通信的Zigbee通信终端，其中多个Zigbee网关之间能够通过TCP/IP协议进行通信。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信道信息记录表包括：无线通信终端的物理地址、当前最高的数据包接收率估值和/或当前最优信道的信道号，其中最优信道为数据包接收率估值最高的信道。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当无线网关收集了所述多个无线通信终端中的每个无线通信终端的设定数量的链路质量指示探测包时，提取链路质量指示值，计算每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差之后还包括：根据链路质量估计值模型和所述每个无线通信终端的链路质量指示值的均值和标准差，计算每个无线通信终端在当前信道的数据包接收率估计值，并且将计算的当前信道的数据包接收率估计值与信道信息记录表中相应的无线通信终端的最优数据包接收率估空值进行比较，如果当前信道的数据包接收率估即值大于最优数据包接收率估计值，则在信道信息记录表中将当前信道的数据包接收率估计值设置为最优数据包接收率估计值并且修改最优信道标识，从而更新信道记录表。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，对于无线传感器网络中的所有无线网关，所述多个无线通信终端在所述多个无线网关中任意一个无线网关的通信范围之内。