CN103874079A - 一种短程无线网络中网络拓扑控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短程无线网络中网络拓扑控制的方法，属于无线通信技术领域。首先短程无线网络中的设备通过射频接口接收无线网络中发送设备设备发出的射频信号；对射频接口接收的射频信号进行信号分流操作，得到射频分量信号；对射频分量信号进行信号衰减操作，得到射频衰减分量信号和单跳衰减系数；射频接口接收射频衰减分量信号发送给无线网络中接收设备；计算单跳传输衰减系数两两乘积，得到多跳衰减系数集合；计算多跳衰减系数集合的最大值，得到射频接口的隔离度；比较单跳衰减系数和射频接口的隔离度值域范围，判断其是否满足拓扑控制需求。本方法的优点是，在小空间内准确的模拟实际物理通信环境，无需对无线网络中的设备程序进行修改实现网络拓扑控制，具备通用性，在研究测试过程中能构建一个比较理想的环境，消除外部信号的影响，促进短程无线网路的研究与测试。

Description

一种短程无线网络中网络拓扑控制的方法

技术领域

本发明涉及一种短程无线网络中网络拓扑控制的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

外界物理通信环境影响着短程无线网络中设备之间信号传递情况，使得有些设备相互间能直接通信，有些则不能，需要通过网络内其它设备中继来完成信息交互。这就形成不同的网络拓扑情况。在对短程无线网络研究、测试及调试时，就需要对不同的网络拓扑情况进行分析。这就要求网络中的设备能按照需求形成特定的网络拓扑。在小空间内实现短程无线网络的网络拓扑控制对于网络的研究测试具有非常重要的意义。

短程无线网络中网络拓扑控制的过程就是设备间信息传递结果控制的过程。传统的网络拓扑控制的方法是由设备内部程序实现，采用黑名单技术。网络中中的设备接收到其黑名单内的设备发送的信号时，就将此信号丢弃。这只是在逻辑上实现网络拓扑控制，实际上并没有对相应设备间传输的信号进行约束，即此时设备间可以交互信号，只是设备对收到的信号不处理而已。这与实际物理环境情况下形成的网络拓扑有一定的差别，并不能完全模拟相应物理环境下网络的情况，比如不能直接通信的设备同时发送信号的情况。而且这样建立的网络拓扑是固定的，对调相应的设备也不会对网络拓扑产生影响，但是在实际情况中当设备位置发生变化后，原本不能直接通信的设备也许能进行信号传递。

另外，采用黑名单方法需要对设备原来的程序做一定的修改，不是一种比较通用的方法。如果有不同的厂家设备在一起测试时，而对厂家设备的程序进行修改是不可行的，此时黑名单方法就无效了。

为了在小空间内更好的模拟实际物理环境，具备更好的通用性，需要设计新的网络拓扑控制的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线网络中网络拓扑控制的方法，在诸如实验室内的有限空间下能够准确的模拟实际物理环境，通用地实现特定的网络拓扑。在网络拓扑控制中，采用转换为有线连接，添加衰减因子的方式，约束设备间的通信关系。

本发明提出的短程无线网络中网络拓扑控制的方法，包括以下各步骤：

（1）N个射频接口接收短程无线网络中发送设备发出的射频信号，射频接口i接收的射频信号记为S_i。

（2）对上述射频接口接收的射频信号进行信号分流操作，得到射频接口i接收的射频信号流向射频接口j的射频分量信号，记为S_ij，j=1,2……N。

（3）对上述射频分量信号进行信号衰减操作，得到射频衰减分量信号为S'_ij和射频接口i流向射频接口j的单跳衰减系数A_ij。

（4）射频接口接收上述射频衰减分量信号，并发送给短程无线网络中接收设备。

（5）计算射频接口i的所有的转播衰减值TA_jk=A_ji×A_ik，其中j,k=1,2,…,N且j≠k≠i，得到射频接口i的转播衰减值集合C_i={TA ₁₂,TA₁₃,…,TA_jk,…}。

（6）计算上述射频接口i的转播衰减值集合的最大值，得到射频接口i的隔离度，记为E_i=MAX(C_i)。

（7）若任意值不为零的单跳衰减系数A_ij大于等于连通阀值Y₁，且任意的射频接口的隔离度E_i均小于等于阻隔阀值Y₂，则完成网络拓扑控制。

（8）若存在值不为零的单跳衰减系数小于Y₁或者射频接口的隔离度大于Y₂，调整相应的单跳衰减系数值使得所有的单跳衰减系数和射频接口的隔离度满足（6）所述条件。

上述对射频接口传输的射频信号进行信号分流操作的方法，其特征在于：

（1）根据期望实现的网络拓扑约束，通过有线方式将射频接口i与期望同它有连接关系的射频接口连接起来，得到射频分量信号S_i1,S_i2,…,S_iN。

（2）上述射频分量信号满足S_i=S_i1+S_i2+……+S_iN，且S_ii=0，S_ik=0，k为与射频接口i无连接关系的射频接口。

上述对射频分量信号进行信号衰减操作的方法，其特征在于：

（1）将射频接口i流向射频接口j的射频分量信号进行衰减使得射频接口j接收的射频分量信号S'_ij=A_ij×S_ij，为A_ij射频接口i流向射频接口j的单跳衰减系数。

（2）上述衰减倍数A_ij满足0≤A_ij≤1，且A_ij=A_ji，如果S_ij=0，则A_ij =0。

上述连通阀值Y₁和阻隔阀值Y₂获取的方法，其特征在于：

（1）在射频接口数目N为2的情况下，短程无线网络设备1与射频接口1连接，短程无线网络设备2与射频接口2连接，射频接口1和射频接口2之间存在连接关系（即S₁₂≠0），射频接口1流向射频接口2的单跳传输衰减系数为A₁₂。

（2）短程无线网络设备1以规定的最大功率发送射频信号，短程无线网络设备2接收射频信号。

（3）调节单跳传输衰减系数A₁₂，使得无线网络设备1发送的射频信号无线网络设备2能够正确接收。此时A₁₂的临界值定义为Y₁。

（4）调节单跳传输衰减系数A₁₂，使得无线网络设备2无法接收无线网络设备1发送的射频信号。此时A₁₂的临界值定义为Y₂。

本发明提出的短程无线网络中网络拓扑控制的方法，具有以下优点：

（1）本发明利用有线连接及衰减因子实现对于无线网路设备通信信号的控制，能更真实地模拟物理环境状况，使得测试结果更准确。

（2）本发明对网络拓扑控制的实现不需要对无线网络设备内部程序做任何修改，使得设备测试更便捷通用。

（3）本发明的网络拓扑控制方法对相同类型的短程无线网络设备均适用，并且可以根据实际情况进行扩展，使得拓扑控制更灵活。

附图说明

图1是本发明的网络拓扑控制信号流方向示意图；

图2是本发明的网络拓扑控制结构示意图。

具体实施方法

本发明提出的短程无线网络中网络拓扑控制的方法，首先短程无线网络中的设备通过射频接口接收无线网络中发送设备设备发出的射频信号；对射频接口接收的射频信号进行信号分流操作，得到射频分量信号；对射频分量信号进行信号衰减操作，得到射频衰减分量信号和单跳衰减系数；射频接口接收射频衰减分量信号发送给无线网络中接收设备；计算单跳传输衰减系数两两乘积，得到多跳衰减系数集合；计算多跳衰减系数集合的最大值，得到射频接口的隔离度；比较单跳衰减系数和射频接口的隔离度值域范围，判断其是否满足拓扑控制需求。

上述网络拓扑控制的方法中，网络拓扑控制过程包含以下各步骤：

（1）N个射频接口接收短程无线网络中发送设备发出的射频信号，射频接口i接收的射频信号记为S_i。

（2）对上述射频接口接收的射频信号进行信号分流操作，得到射频接口i接收的射频信号流向射频接口j的射频分量信号，记为S_ij，j=1,2……N。

（3）对上述射频分量信号进行信号衰减操作，得到射频衰减分量信号为S'_ij和射频接口i流向射频接口j的单跳衰减系数A_ij。

（4）射频接口接收上述射频衰减分量信号，并发送给短程无线网络中接收设备。

（5）计算射频接口i的所有的转播衰减值TA_jk=A_ji×A_ik，其中j,k=1,2,…,N且j≠k≠i，得到射频接口i的转播衰减值集合C_i={TA ₁₂,TA₁₃,…,TA_jk,…}。

（6）计算上述射频接口i的转播衰减值集合的最大值，得到射频接口i的隔离度，记为E_i=MAX(C_i)。

（7）若任意值不为零的单跳衰减系数A_ij大于等于连通阀值Y₁，且任意的射频接口的隔离度E_i均小于等于阻隔阀值Y₂，则完成网络拓扑控制。

（8）若存在值不为零的单跳衰减系数小于Y₁或者射频接口的隔离度大于Y₂，调整相应的单跳衰减系数值使得所有的单跳衰减系数和射频接口的隔离度满足（6）所述条件。

上述的对射频接口传输的射频信号进行信号分流操作的方法，包括以下各步骤：

（1）根据期望实现的网络拓扑约束，通过有线方式将射频接口i与期望同它有连接关系的射频接口连接起来，得到射频分量信号S_i1,S_i2,…,S_iN。

（2）上述射频分量信号满足S_i=S_i1+S_i2+……+S_iN，且S_ii=0，S_ik=0，k为与射频接口i无连接关系的射频接口。

上述的对射频分量信号进行信号衰减操作的方法，包括以下各步骤：

（1）将射频接口i流向射频接口j的射频分量信号进行衰减使得射频接口j接收的射频分量信号S'_ij=A_ij×S_ij，为A_ij射频接口i流向射频接口j的单跳衰减系数。

（2）上述衰减倍数A_ij满足0≤A_ij≤1，且A_ij=A_ji，如果S_ij=0，则A_ij =0。

上述的连通阀值Y₁和阻隔阀值Y₂获取的方法，包括以下各步骤：

（1）在射频接口数目N为2的情况下，短程无线网络设备1与射频接口1连接，短程无线网络设备2与射频接口2连接，射频接口1和射频接口2之间存在连接关系（即S₁₂≠0），射频接口1流向射频接口2的单跳传输衰减系数为A₁₂。

（2）短程无线网络设备1以规定的最大功率发送射频信号，短程无线网络设备2接收射频信号。

（3）调节单跳传输衰减系数A₁₂，使得无线网络设备1发送的射频信号无线网络设备2能够正确接收。此时A₁₂的临界值定义为Y₁。

（4）调节单跳传输衰减系数A₁₂，使得无线网络设备2无法接收无线网络设备1发送的射频信号。此时A₁₂的临界值定义为Y₂。

以下详细介绍本发明的一个实施例：

以基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络为例。无线传感器网络一个主要的特点就是通过多跳传输的方式实现远距离信号的传递。线性拓扑对于无线传感器网络的研究和测试来说是一个非常基础的拓扑结构。这就需要约束网络中的设备的射频覆盖区域只包括邻近的设备。在本发明的实施例中，利用射频同轴线和射频衰减器，采用屏蔽技术，实现线性拓扑约束，控制设备组建线性网络拓扑。下面以控制四个设备组建线性网络拓扑进行说明。

首先四个频接口与相应的无线传感器网络设备连接，接收设备发出的射频信号，得到射频信号S₁、S₂、S₃、S₄。根据需要实现的线性拓扑拓扑需求将上述射频接口接收的射频信号进行信号分流操作，得到射频分量信号S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄、S₃₁、S₃₂、S₃₃、S₃₄、S₄₁、S₄₂、S₄₃、S₄₄，满足如下关系：

S₁=S₁₁+S₁₂+S₁₃+S₁₄

S₂=S₂₁+S₂₂+S₂₃+S₂₄

S₃=S₃₁+S₃₂+S₃₃+S₃₄

S₄=S₄₁+S₄₂+S₄₃+S₄₄

S₁₁=S₁₃=S₁₄=S₂₂=S₂₄=S₃₁=S₃₃=S₄₁=S₄₂=S₄₄=0

对各个射频衰减信号进行衰减操作，得到射频衰减分量信号以及对应的单跳衰减系数：A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄、A₂₁、A₂₂、A₂₃、A₂₄、A₃₁、A₃₂、A₃₃、A₃₄、A₄₁、A₄₂、A₄₃、A₄₄，满足如下关系：

A₁₂=A₂₁=a1，0≤a1≤1

A₂₃=A₃₂=a2，0≤a2≤1

A₃₄=A₄₃=a3，0≤a3≤1

A₁₁=A₁₃=A₁₄=A₂₂=A₂₄=A₃₁ =A₃₃=A₄₁=A₄₂=A₄₄=0

然后射频接口接收上述射频衰减分量信号，并发送给无线传感器网络设备。计算各个射频接口的所有的转播衰减值，得到射频接口i的转播衰减值集合：

C₁={TA₂₃,TA₂₄,TA₃₂,T₃₄,T₄₂,T₄₃}={A₂₁×A₁₃,A₂₁×A₁₄,A₃₁×A₁₂,A₃₁×A₁₄,A₄₁×A₁₂,A₄₁×A₁₃}={0,0,0,0,0,0}

C₂={TA₁₃,TA₁₄,TA₃₁,T₃₄,T₄₁,T₄₃}={A₁₂×A₂₃,A₁₂×A₂₄,A₃₂×A₂₁,A₃₂×A₂₄,A₄₂×A₂₁,A₄₂×A₂₃}={0,0,a2·a1,0,0,0}

C₃={TA₁₂,TA₁₄,TA₂₁,T₂₄,T₄₁,T₄₂}={A₁₃×A₃₂,A₁₃×A₃₄,A₂₃×A₃₁,A₂₃×A₃₄,A₄₃×A₃₁,A₄₃×A₃₂}={0,0,0,a2·a3,0,0}

C₄={TA₁₂,TA₁₃,TA₂₁,T₂₃,T₃₁,T₃₂}={A₁₄×A₄₂,A₁₄×A₄₃,A₂₄×A₄₁,A₂₄×A₄₃,A₃₄×A₄₁,A₃₄×A₄₂}={0,0,0,0,0,0}

计算上述各个射频接口的转播衰减值集合的最大值，得到各个射频接口的隔离度：

E₁=E₄=0

E₂=a2·a1

E₃=a2·a3

判断单跳衰减系数a1，a2，a3是否大于等于连通阀值Y₁，E₁,E₂,E₃,E₄是否小于等于阻隔阀值Y₂，如果满足条件则完成网络拓扑控制，否则调整单跳衰减系数值直到满足条件。

为了获取连通阀值Y₁和阻隔阀值Y₂，将网络设备1与射频接口1连接，网络设备2与射频接口2连接，射频接口1和射频接口2之间用射频同轴线连接，再在射频同轴线上加入一个射频衰减器，衰减系数为A₀。设定网络设备1以规定的最大功率发送射频信号，网络设备2接收射频信号。调整射频衰减器的衰减系数A₀，使得设备2能准确接收设备1发送的射频信号，比如误包率小于1%，此时衰减系数A₀的临界值即为连通阀值Y₁；使得设备2不能接收到设备1发送的射频信号，比如丢包率大于等于99.9%，此时衰减系数A₀的临界值即为阻隔阀值Y₂。

Claims (4)

1.一种短程无线网络中网络拓扑控制的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

（1）N个射频接口接收短程无线网络中发送设备发出的射频信号，射频接口i接收的射频信号记为S_i。

（2）对上述射频接口接收的射频信号进行信号分流操作，得到射频接口i接收的射频信号流向射频接口j的射频分量信号，记为S_ij，j=1,2……N。

（3）对上述射频分量信号进行信号衰减操作，得到射频衰减分量信号为S'_ij和射频接口i流向射频接口j的单跳衰减系数A_ij。

（4）射频接口接收上述射频衰减分量信号，并发送给短程无线网络中接收设备。

（5）计算射频接口i的所有的转播衰减值TA_jk=A_ji×A_ik，其中j,k=1,2,…,N且j≠k≠i，得到射频接口i的转播衰减值集合C_i={TA ₁₂,TA₁₃, …,TA_jk, …}。

（6）计算上述射频接口i的转播衰减值集合的最大值，得到射频接口i的隔离度，记为E_i=MAX(C_i)。

（7）若任意值不为零的单跳衰减系数A_ij大于等于连通阀值Y₁，且任意的射频接口的隔离度E_i均小于等于阻隔阀值Y₂，则完成网络拓扑控制。

（8）若存在值不为零的单跳衰减系数小于Y₁或者射频接口的隔离度大于Y₂，调整相应的单跳衰减系数值使得所有的单跳衰减系数和射频接口的隔离度满足（6）所述条件。

2.如权利要求1所述的对射频接口传输的射频信号进行信号分流操作的方法，其特征在于：

（1）根据期望实现的网络拓扑约束，通过有线方式将射频接口i与期望同它有连接关系的射频接口连接起来，得到射频分量信号S_i1,S_i2,…,S_iN。

（2）上述射频分量信号满足S_i= S_i1+ S_i2+……+ S_iN，且S_ii=0，S_ik=0，k为与射频接口i无连接关系的射频接口。

3.如权利要求3所述的对射频分量信号进行信号衰减操作的方法，其特征在于：

（1）将射频接口i流向射频接口j的射频分量信号进行衰减使得射频接口j接收的射频分量信号S'_ij=A_ij×S_ij，为A_ij射频接口i流向射频接口j的单跳衰减系数。

（2）上述衰减倍数A_ij满足0≤A_ij≤1，且A_ij = A_ji，如果S_ij=0，则A_ij=0。

4.如权利要求1所述的连通阀值Y₁和阻隔阀值Y₂获取的方法，其特征在于：

（1）在射频接口数目N为2的情况下，短程无线网络设备1与射频接口1连接，短程无线网络设备2与射频接口2连接，射频接口1和射频接口2之间存在连接关系（即S₁₂≠0），射频接口1流向射频接口2的单跳传输衰减系数为A₁₂。

（2）短程无线网络设备1以规定的最大功率发送射频信号，短程无线网络设备2接收射频信号。

（3）调节单跳传输衰减系数A₁₂，使得无线网络设备1发送的射频信号无线网络设备2能够正确接收。此时A₁₂的临界值定义为Y₁。

（4）调节单跳传输衰减系数A₁₂，使得无线网络设备2无法接收无线网络设备1发送的射频信号。此时A₁₂的临界值定义为Y₂。

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