CN103686944B

CN103686944B - 一种蜂窝网与多跳无线传感网络互联的网关选择方法

Info

Publication number: CN103686944B
Application number: CN201310584441.6A
Authority: CN
Inventors: 仇洪冰; 郑霖; 冯健; 葛微; 符杰林; 刘争红; 李晓记; 樊孝明
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103686944A

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网与多跳无线传感网络互联的网关选择方法，包括：根据WSN端的路由情况、网关或链路情况相关的参数，结合蜂窝网侧的及时可用资源和蜂窝网侧的信道状况参数进行蜂窝网与WSN网互联的网关选择；WSN节点将选择和更新的网关路由信息通知WSN位置服务器。本发明能够保证无线传感网络QoS的同时，也保证了信息在蜂窝网侧的有效传输以及蜂窝网侧的资源优化利用，更好的优化网络与提高整个异构网络的性能，并且解决了网关的移动性问题，不必对现有蜂窝网系统做任何修改。

Description

一种蜂窝网与多跳无线传感网络互联的网关选择方法

技术领域

本发明涉及异构无线网络互联应用技术领域，具体涉及一种蜂窝网与多跳无线传感网络互联的网关选择方法。

背景技术：

现代蜂窝移动网络通信，包括GSM、GPRS、3G（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX）和LTE等，获得了长足的进步，但仍存在覆盖盲区的问题，在出现灾害等情况下，基站系统也是最易受损害的关键设备。蜂窝网与多跳无线传感网络（WSN）融合是现今无线通信领域中新兴的研究领域之一，在军事抗毁通信、传感信息接入、灾后紧急救援应急通信、偏远、野外地区或临时场合应急通信上有广泛的实用价值。采用蜂窝网和WSN双模制式实现互联网关设备既具有与蜂窝网通信的接口也具有在无线传感网络进行通信的接口,但因为蜂窝网络和WSN在网络拓扑体制、资源分配方法和路由方式等方面存在较大差异，造成互联的复杂性。而且随着互联信息量的增加，在多网关环境下，多跳WSN节点与蜂窝网节点、甚至通过蜂窝网与互联网主机的通信，存在多路径路由和多网关的最优选择问题。对于网关选择有基于单参数考虑以及基于多参数均衡考虑的方式，但不管是基于单参数还是多参数的方式，当前可查阅到的资料中所提出的优化方法考虑的都是根据WSN端的路由情况、网关或链路情况相关的参数。以这种网关选择方法实现蜂窝网与多跳WSN之间互相通信虽然能较好的保证优化了WSN的性能，但这样选择出来的互联网关在移动蜂窝网侧的通信资源和质量并不理想的话，例如由于被选择网关在蜂窝网的信道情况不佳导致基站分配或可分配资源受限，便会导致整体异构互联性能的下降。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明把网关在蜂窝网侧的资源和信道状况参数考虑进来，作为多网关最优选择的参数之一，同时兼顾蜂窝网与无线传感网络来选择网关，保证无线传感网络QoS的同时，也保证了信息在蜂窝网侧的有效传输以及蜂窝网侧的资源优化利用，更好的优化网络与提高整个异构网络的性能。

本发明的技术方案如下所述。

一种蜂窝网与多跳无线传感网络互联的网关选择方法，包括：

根据WSN端的路由情况、网关或链路情况相关的参数，结合蜂窝网侧的及时可用资源和蜂窝网侧的信道状况参数进行蜂窝网与WSN网互联的网关选择。

还包括：WSN节点将选择和更新的网关路由信息通知WSN位置服务器。

所述蜂窝网侧的及时可用资源包括功控余量和信道余量。

所述蜂窝网侧的信道状况参数包括终端所处位置的信干噪声比（SINR）状况。

网关选择的过程包括网关路由更新过程、WSN节点通信上行过程和WSN节点通信下行过程，并且把每个网关的负载、在蜂窝网侧所获的及时可用资源、当前WSN节点至各个互联网关的最小跳数作为三个归一化路由参量分别用表示，表示WSN节点本地维护的网关，并用矢量表示上述三个归一化路由参量的权重因子，，且。

所述的网关选择使用下述算法更新和选择：

；

其中：表示所选择的网关，为候选网关个数。

所述网关路由更新过程包括：

（1）在网络初始化和WSN节点加入拓扑条件下由WSN节点发起路由更新；

（2）网络拓扑发生变化，由WSN自组织路由算法本身发起各WSN节点的路由更新；

（3）在网关节点的小区切换，以及归一化路由参量变化超过50％条件下由WSN节点发起网关路由更新；

（4）网关定时发起路由更新，将最近网关状态发送给个WSN节点，WSN节点根据与原路由表比较发起路由更新。

所述WSN节点通信上行过程包括：

（1）WSN节点从本节点维护的路由表中提取各个网关的负载、在蜂窝网侧所获的及时可用资源以及本节点至各个网关的最小跳数这三个归一化参量；

（2）在网络初始化、以及收到网络拓扑变化、网关移动通知的条件下，使用下述算法计算和选择网关：

；

其中：表示所选择的网关，为候选网关个数。

（3）确定了所选网关作为目的网关之后，根据路由表的路由信息把数据发送至目的网关；

（4）目的网关收到数据后进行数据帧协议转换，以及地址映射，将WSN节

点地址映射为互联网关的蜂窝网侧终端地址或终端IP地址，通过蜂窝网络把数据发送至基站，基站系统再将数据帧发送至目的用户或者互联网主机。

所述WSN节点通信下行过程包括：

（1）蜂窝网用户或者互联网主机首先在WSN位置服务器上查找目标WSN节点对映的网关地址或终端IP地址，以及此网关所在的小区和所对映的基站；

（2）按照所查找的网关地址或终端IP地址，将数据分发到所查找的网关对映的基站，并将数据帧下发至指定网关；

（3）指定网关将接收数据帧进行协议转换，并按照当前其维护的WSN多跳节点路由表，将数据发往WSN节点。

本发明的有益效果：

（1）把网关在蜂窝网侧所获资源预留情况也加入选择网关的参数中，能够兼顾信息在蜂窝网侧的有效传输以及蜂窝网侧的资源优化利用，保证整个互联网络的高效运行，提高整个异构网络的容量。

（2）采用WSN位置服务器以及最优网关更新策略，解决了网关的移动性问题，不必对现有蜂窝网系统做任何修改，提高了本发明的适用范围。

附图说明

图1为蜂窝网络与多跳传感网络互联的示意图。

具体实施方式

以三互联网关为例，图1中节点GW0、GW1和GW2是位于蜂窝网覆盖下的多模移动终端，同时具备蜂窝网络数据接入和传感网数据通信的能力，在本应用中能够完成互联网关的功能。传感节点是多跳WSN节点，需要完成到蜂窝网端数据节点的通信，或者通过蜂窝网络实现互联网络的访问。

根据新一代蜂窝移动网络的特性，终端数据接入容量受到蜂窝网络中多方面因素的影响，其中包括网络中剩余无线资源量（例如功控余量、信道余量等），终端所处位置的信干噪声比（SINR）状况，例如在蜂窝网络覆盖边缘的网关，由于较低的SINR，通常分配的上下行数据信道容量也要低得多。因此，异构网络互联的多网关路由选择中，兼顾考虑到网关在蜂窝网接入中的无线资源分配情况会优化整个互联系统的综合性能，这是本发明最具特色之处。

具体多网关路由选择算法和步骤分为路由更新步骤、以及从传感网节点通信分为上行和下行路由过程，如下所示：

根据典型移动网络空中资源分配原理，定义网关在移动蜂窝网侧的及时可用资源由其所在的位置（SNR）、干扰情况（SIR）、小区的可用信道数和基站功控余量所决定，并将该资源以蜂窝小区单用户最大容量作为参考进行归一化。将网关负载按照其及时功耗进行归一化，工作最低功耗参考为1，全速工作参考为0。将网关至WSN节点的跳数做归一化，设跳数为，各跳数归一化为。把每个网关的负载、在蜂窝网侧所获及时可用资源,以及当前节点至各个网关的最小跳数作为三个关键路由参量，分别用表示，表示传感节点本地维护的网关的第个参量。给这三个参量赋予一个重要性权重因子并用矢量表示，，且。

（1）路由更新过程和方法：

在以下四种情况下由WSN节点发起路由更新：

A.网络初始化和WSN节点加入拓扑条件下；

B.网络拓扑发生变化，由WSN自组织路由算法本身发起各WSN节点的路由更新；

C.网关节点的小区切换，以及网关参量变化超过50％条件下发起网关路由更新。

D.网关定时发起路由更新，将最近网关状态发送给个WSN节点，WSN节点根据与原路由表比较发起路由更新。

使用以下计算方法更新和选择路由网关：

其中表示所需选择最佳网关，为候选网关个数。

WSN节点将更新的最佳路由网关信息通知WSN位置服务器，更新路由和位置信息。

（2）传感节点数据发往蜂窝网节点、甚至通过蜂窝网发往互联网主机：

①WSN节点从本节点维护的路由表中提取各个网关的负载、在蜂窝网侧所获预留资源（可根据蜂窝网端全网资源使用情况以及网关位置预测算法由基站分配预留资源)以及本节点至各个网关的最小跳数这三个归一化参量。其网关路由表格式如下：

②

③在网络初始化、以及收到网络拓扑变化、网关移动通知的条件下，使用以上网关选择算法计算和选择网关。

④确定了所选网关作为目的节点之后，根据路由表的路由信息使用最短路径路由把数据发送至目的网关。

⑤目的网关收到数据后进行数据帧协议转换，以及地址映射，将WSN节点地址映射为互联网关的蜂窝网侧终端地址（或终端IP地址），通过蜂窝网络把数据发送至基站，基站系统再将数据帧发送至目的用户或者互联网主机。

（3）蜂窝网数据通过网关发往传感网节点：

①蜂窝网用户或者互联网主机首先在WSN位置服务器上查找目标WSN节点对映的最佳网关地址（或终端IP地址），以及此网关所在的小区和所对映的基站。

②按查找地址，将数据分发到所查找的网关对映的基站，并将数据帧下发至指定网关。

③网关将接收数据帧进行协议转换，并按照当前其维护的WSN多跳节点路由表，将数据发往WSN节点。

Claims

1.一种蜂窝网与多跳无线传感网络互联的网关选择方法，包括：

根据WSN端的路由情况、网关或链路情况相关的参数，结合蜂窝网侧的及时可用资源和蜂窝网侧的信道状况参数进行蜂窝网与WSN网互联的网关选择；

所述网关选择的过程包括网关路由更新过程、WSN节点通信上行过程和WSN节点通信下行过程，并且把每个网关的负载、在蜂窝网侧所获的及时可用资源、当前WSN节点至各个互联网关的最小跳数作为三个归一化路由参量分别用x_ij(j＝1，2，3)表示，i表示WSN节点本地维护的网关，并用矢量W表示上述三个归一化路由参量的权重因子，W＝(w₁，w₂，w₃)，且

所述的网关路由更新过程包括：

(1)在网络初始化和WSN节点加入拓扑条件下由WSN节点发起路由更新；

(2)网络拓扑发生变化，由WSN自组织路由算法本身发起各WSN节点的路由更新；

(3)在网关节点的小区切换，以及归一化路由参量x_ij(j＝1，2，3)变化超过50％条件下由WSN节点发起网关路由更新；

(4)网关定时发起路由更新，将最近网关状态发送给WSN节点，WSN节点根据与原路由表比较发起路由更新；

所述的WSN节点通信上行过程包括：

(1)WSN节点从本节点维护的路由表中提取各个网关的负载、在蜂窝网侧所获的及时可用资源以及本节点至各个网关的最小跳数这三个归一化参量{x_ij}；

(2)在网络初始化、以及收到网络拓扑变化、网关移动通知的条件下，使用下述算法计算和选择网关：

其中：I_G表示所选择的网关，M为候选网关个数；

(3)确定了所选网关作为目的网关之后，根据路由表的路由信息把数据发送至目的网关；

(4)目的网关收到数据后进行数据帧协议转换，以及地址映射，将WSN节点地址映射为互联网关的蜂窝网侧终端地址或终端IP地址，通过蜂窝网络把数据发送至基站，基站系统再将数据帧发送至目的用户或者互联网主机；

所述WSN节点通信下行过程包括：

(1)蜂窝网用户或者互联网主机首先在WSN位置服务器上查找目标WSN节点对映的网关地址或终端IP地址，以及此网关所在的小区和所对映的基站；

(2)按照所查找的网关地址或终端IP地址，将数据分发到所查找的网关对映的基站，并将数据帧下发至指定网关；

(3)指定网关将接收数据帧进行协议转换，并按照当前其维护的WSN多跳节点路由表，将数据发往WSN节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述蜂窝网侧的及时可用资源包括功控余量和信道余量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述蜂窝网侧的信道状况参数包括终端所处位置的信干噪声比(SINR)状况。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，还包括：WSN节点将选择和更新的网关路由信息通知WSN位置服务器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的WSN节点通信上行过程(3)是使用最短路径路由把数据发送至目的网关。