CN103997793B - 数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法，包括如下步骤：规划星型短波通信网络地理覆盖区域，其中包括N个传感器节点，每个传感器节点对应连接一个短波半双工电台；根据覆盖区域内传感器节点有效数据发生概率，将传感器节点划分M个簇；对星型拓扑结构的短波通信网络的各传感器节点进行站点设备部署，构成点对多点短波信道共享网络，实现下行全双工配置和上行半双工配置网络结构；下行为数据收集中心到传感器节点，上行为传感器节点到数据收集中心；将传感器节点划分M个时隙，数据收集中心通过短波通信网络广播分簇竞争指令；各传感器节点的短波半双工电台根据当前分簇竞争指令包含的竞争簇地址判断是否有上报权限。

Description

数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法

技术领域

本发明涉及一种数据通信领域，特别是基于业务统计特性的短波网络的数据接入方法。

背景技术

短波通信网络作为主要利用电离层反射实现数据通信传输，是一种典型的窄带通信手段，数据速率有限，短波电台通常采用半双工配置。但其具有建设成本低、部署灵活、抗毁性强等独特优点，不需要建立中继站即可实现中、远距离通信，特别适合通信基础设施受限，且传输业务量较小的业务环境。

侦察与监视系统通常通过部署位置分散，覆盖范广的声学、光电、雷达等传感器节点完成目标数据收集，并将处理后获得的监视数据通过通信网络上报到数据收集中心，完成中心对监控区域内敏感数据的实时或近实时掌控。侦察与监视系统有效数据具有突发性、业务量有限，且各传感器节点业务量不均匀分布等特点，仅在发现有效目标时上报监视数据，但对数据时延和可靠性具有较高的要求。

窄带短波通信网络通常作为资源受限、传感器节点分布广阔的监控系统的敏感监视数据接入和传输通信手段，而典型短波通信网络结构是采用点对点配置方式，即每套传感器节点配置一套短波半双工电台，数据收集中心配置一套与其对应短波半双工电台或短波接收机。这种形式下数据收集中心部署的短波电台数量需要等于网络传感器节点数量，容易造成互相干扰、资源冗余和成本提高。因此，将星型拓扑结构的短波通信网络作为监控系统的数据接入方式在该领域具有较高的应用价值。

由于信道带宽受限弱点，对于星型拓扑结构的短波通信网络通常采用两种接入策略：(1)竞争接入策略：传感器节点有有效数据时，即通过短波半双工电台传输监视数据，具有传输时延小、网络控制方便的特点。但是因为多个传感器节点共享短波信道，在传感器节点较多且业务量较大时容易产生数据碰撞，造成监视数据丢失。(2)轮询接入策略：传感器节点仅在被轮询时隙上报监视数据，可以有效避免碰撞造成的数据丢失，提高传输可靠性。但该方法带来较大传输时延，同时因为传感器节点数据稀疏，会造成短波通信网络资源的严重浪费。

对于监控系统，通常需要充分考虑系统成本，同时提高传输可靠性，并将系统时延控制在可接受范围。基于监控系统的监视数据产生特点，以及可靠性和实时性需求，针对窄带短波同通信网络特性，需要研制一种有效的短波通信网络的数据接入手段，在有限短波通信设备配置环境下，构建一种低成本星型短波通信网络结构，解决多电台、天线共址干扰问题，采用有效的数据接入策略，提高竞争突发策略的可靠性以及降低轮询传输策略的延时。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法，满足监控系统对数据传输时延性和可靠性的要求，降低短波通信网络设备成本，解决多短波电台共址干扰问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：规划星型短波通信网络地理覆盖区域，其中包括N个传感器节点，每个传感器节点对应连接一个短波半双工电台；

步骤2：根据覆盖区域内传感器节点有效数据发生概率，将传感器节点划分M个簇；

步骤3：对星型拓扑结构的短波通信网络的各传感器节点进行站点设备部署，构成点对多点短波信道共享网络，实现下行全双工配置和上行半双工配置网络结构；下行为数据收集中心到传感器节点，上行为传感器节点到数据收集中心；

步骤4：将传感器节点划分M个时隙，数据收集中心通过短波通信网络广播分簇竞争指令；

步骤5：各传感器节点的短波半双工电台根据当前分簇竞争指令包含的竞争簇地址判断是否有上报权限，如果该传感器节点没有上报权限，则继续等待下一个分簇竞争指令；如果该传感器节点有上报权限，则判断本地是否有监视数据，如果本地没有数据监控数据，则继续等待下一个分簇竞争指令；如果本地有数据监控数据，则该传感器节点仅允许在对应簇时隙内上传本地监视数据；各簇内传感器节点采用簇时隙内竞争方式上报监视数据，实现共享短波信道环境下的数据接入。

本发明步骤2中，采用传感器节点分簇方法是根据一段日期内(通常设置为30天)覆盖区域内各传感器节点全天内监视到数据的次数，统计出每个传感器节点的数据业务概率(即平均全天监视到数据的次数)；依据传感器节点数据业务概率进行排序，选出数据业务概率大的前M个传感器节点对应划分为M个簇，M<＝1/2×N，将剩余其他传感器节点平均分配到M个簇内。

本发明步骤3中数据收集中心部署一部短波接收机和短波发射机，每个传感器节点连接一个短波半双工电台完成异频收发。

本发明步骤5包括以下步骤：

步骤51，传感器节点连接短波半双工电台处于接收状态，持续接收数据收集中心下行分簇竞争指令；

步骤52，短波半双工电台接收到下行广播，判断是否为分簇竞争指令，如果是，进行下一步，否则，返回步骤51；

步骤53，短波半双工电台对分簇竞争指令分析，判断是否为对应的分簇竞争簇，如果不是，返回步骤51，否则进行下一步；

步骤54，短波半双工电台读取本地缓存，判断是否有有效监控数据需要上报，如果是，进行步骤55，否则返回步骤51；

步骤55，数据上报完成，则回到步骤51。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：通过构建点对多点星型拓扑结构短波通信网络，降低网络硬件成本和设备规模，避免中心站收发之间的干扰，解决多短波电台共址干扰问题，节约短波信道频谱资源。采用分簇竞争的数据接入策略，满足监控系统对实时性和可靠性的性能要求。与传统轮询接入策略相比，降低数据传输时延；与传统竞争接入策略相比，降低共享信道下数据传输的碰撞概率，实现数据收集中心与传感器节点数据的接入控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的应用场景与传感器节点分簇方法示意图。

图2为本发明的一种基于业务统计特性的短波网络数据接入策略的实施步骤。

图3为本发明的数据收集中心和传感器节点短波设备配置。

图4为本发明的数据接入策略判断方法的流程图。

图5为本发明的中心网络结构与传统网络结构对比。

图6为本发明的数据接入策略与竞争接入策略的信道利用率对比。

图7为本发明的数据接入策略与竞争接入策略的系统丢包率对比。

图8为本发明的数据接入策略与轮询、竞争接入策略的系统最大可能时延对比。

具体实施方式

结合图1、图2本发明的一种基于业务统计特性的短波网络数据接入策略，包括以下步骤：

步骤1：根据短波信道特性，规划星型短波通信网络地理覆盖区域，包含N(根据短波信道容量，N通常小于20)个传感器节点，使数据收集中心到各传感器节点具有类似的信道特性，保证星型网络点对多点可通性一致。

步骤2：根据覆盖区域内各传感器节点全天内监视到数据的次数，统计出其数据发生概率，依据节点业务概率进行排序(概率从大到小排序)，选出业务概率大(序列中的前M个传感器节点)的1～M个传感器节点，然后划分M+1～2M，依次类推，将所有传感器节点均匀地划分成M(M<＝1/2×N)个簇，使得各簇内节点上报业务概率均衡，把数据发生概率高的传感器节点平均划分到M个不同簇内，并将其他业务概率较低节点平均分配到各簇内，同时尽量避免临近节点分配到一个簇内，降节点同时发现目标的概率。

步骤3：对星型拓扑结构的短波通信网络各节点设备部署，构成点对多点短波信道共享网络，实现下行(数据收集中心到传感器节点)全双工配置和上行(传感器节点到数据收集中心)半双工配置网络结构。结合图3，本发明具体站点设备部署为：

1)数据收集中心连接一部短波接收机和短波发射机，完成中心短波设备全双工配置。

2)传感器节点分别连接一部短波半双工电台，获取监视数据。

3)系统上行和下行信道采用不同的频率，并保持必要的频率间隔，避免干扰。

步骤4：根据步骤2将N个传感器节点划分到M个簇中，数据收集中心分别在M个时隙依次发送对各个簇的分簇竞争指令，短波半双工电台通过接收指令，决定上报监视数据。

步骤5：各传感器节点短波半双工电台根据分簇竞争指令包含的竞争簇地址判断是否有上报权限，如果本地有有效监视数据，仅允许在对应簇时隙内上传本地数据。各簇内传感器节点采用时隙内竞争方式上传数据，实现共享短波信道环境下的数据接入。如图4所示，具体步骤为：

1)传感器节点短波半双工电台处于接收状态，持续接收数据收集中心下行分簇竞争指令；

2)短波半双工电台接收到下行广播，辨识是否为分簇竞争指令(可能是管理数据)；否则，返回步骤1)；

3)对分簇竞争指令分析，判断是否为对应的分簇竞争簇；如果不是，返回步骤1)；

4)如果是该簇，则短波半双工电台读取本地缓存，是否有有效监控数据需要上报；如果无则返回步骤1)；

5)数据上报完成，则回到步骤1)。

通过点对多点星型拓扑结构短波通信网络可以减少中心短波电台数量，降低系统硬件成本，同时避免接收机和发射机之间的近距离干扰。采用分簇竞争的数据接入策略，降低数据传输时延和碰撞概率，满足监控系统对实时性和可靠性的性能要求。

下面结合实施举例对本发明做进一步详细的描述：

实施例：

下面结合一个监控系统仿真场景对本发明做进一步详细描述。传感器节点覆盖某扇区跨度600km，扇区上连续部署传感器节点实现对扇区附件的全面监控，单个传感器节点最大监视半径为15km，为实现全区域覆盖，共部署30个传感器节点。数据收集中心部署在扇区中心位置，到各传感器节点距离为600～800km。

每个传感器节点配置1部短波半双工电台；数据收集中心仅配置1套短波发射机和1部短波接收机，完成中心短波设备全双工配置，采用本发明系统通信设备配置如下表所示。同时图5给出了采用本发明网络结构和传统网络结构的数据收集中心典型设备配置数量对比。例如，采用传统网络结构数据收集中心需要配置30部短波电台，需要占用60U机柜尺寸(一部典型短波电台尺寸为2U)，而采用本发明网络结构的数据收集中心设备尺寸为5U，有力降低建设和维护成本，同时解决了短波设备和天线的共址干扰问题。

表1采用本发明策略的通信设备配置

序号	设备	数量(部)
			1	短波接收机	1
2	短波发射机	1
			4	短波半双工电台	30

短波通信网络上行和下行信道采用不同的频率，其他参数如下表所示。

表2短波电台配置参数

序号	参数	参数值
			1	业务传输速率	600bps
2	报文长度	480bit
			3	报文传输时间	800ms
4	空间传输时延	4ms
			5	处理时延	100ms
6	发射功率	125W
			7	最大功耗	400W

在各传感器节点配置消息模拟软件，模拟传感器节点产生有效监视数据，设置业务产生服从泊松分布Poisson(ρ)，即业务产生统计周期为ρ，产生数据通过配置在传感器节点的短波半双工电台发送往数据收集中心。扇区内部署的N＝30(A₁,A₂,……，A₃₀)个传感器节点，各节点会因部署区域敏感性不同产生不同的业务量数据，设置普通业务量节点数24个，业务产生统计周期为ρ₁；设计业务量大即数据产生概率高的节点数为6个(A₁,A₈,A₁₀,A₁₅,A₂₀,A₂₈)，业务产生统计周期为ρ₂＝ρ₁/5。根据节点业务分布特点，首先将30个节点分成M个簇(M＝3/6)，两种分簇方式对应的用户关系如下表所示：

表3传感器节点分簇方式

根据短波电台配置参数，监视数据从传感器节点发出，到数据收集中心获取完成数据所需时间约为1s，则定义该时间为单位时隙。数据收集中心依次在单位时隙分别发送分簇竞争指令，即在0、M、2M、3M、……时隙允许簇1内传感器节点竞争上传数据；在1、M+1、2M+1、3M+1、……时隙允许簇2内传感器节点竞争上传数据，依次类推。短波半双工电台根据图4的控制逻辑，控制上报监视数据。

设置ρ₁依次为6、12、30、48、60、120、300单位时间，通过外站消息模拟软件产生业务报文数量和数据收集中心接收业务报文数量来统计信道利用率和网络丢包率，比较不采用竞争簇划分和根据本发明方法划分成3个簇和6个簇的系统信道利用率和网络丢包率，结果分别如图5和图6所示。同时，比较与采用轮询接入策略对应的数据传输时延，如图7所示。

如图6所示，仿真数据显示，传感器节点业务量均较大时，采用本发明提出的根据业务分布进行分簇划分的接入策略，可以有力提高系统信道利用率，且信道利用率随分簇数量M增大而增加，并可将系统最大信道利用率提高到0.27；而继续随着业务产生统计周期为ρ₁的增大，系统传感器节点业务量很低，所以此时继续增大M，对信道利用率改善并不明显。

对于网络丢包率而言，采用本发明提出的策略，能够持续改善网络丢包率，且随着M增大，网络丢包率不断降低，如图7所示，可见本发明明显降低竞争接入策略下突发数据的碰撞概率。

如果采用竞争接入策略，在无冲突数据传输方式下，数据传输时延为1s，而采用轮询接入策略，数据最大传输时延为30s。采用本发明所提出的方案，数据传输时延为M倍单位时间，30个传感器节点分成3个簇时，数据接入的最大时延为3s；分成6个簇时，最大传输时延为6s，如图8所示。将时延控制在可接受范围，牺牲一定实时性，换取了网络传输更高的可靠性。

本发明提供了数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种数据通信中基于业务统计特性的短波网络数据接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：规划星型短波通信网络地理覆盖区域，其中包括N个传感器节点，每个传感器节点对应连接一个短波半双工电台；

步骤2：根据覆盖区域内传感器节点有效数据发生概率，将传感器节点划分M个簇；

步骤3：对星型拓扑结构的短波通信网络的各传感器节点进行站点设备部署，构成点对多点短波信道共享网络，实现下行全双工配置和上行半双工配置网络结构；下行为数据收集中心到传感器节点，上行为传感器节点到数据收集中心；

步骤4：将传感器节点划分M个时隙，数据收集中心通过短波通信网络广播分簇竞争指令，具体为：根据步骤2将N个传感器节点划分到M个簇中，数据收集中心分别在M个时隙依次发送对各个簇的分簇竞争指令，短波半双工电台通过接收指令，决定上报监视数据；

步骤5：各传感器节点的短波半双工电台根据当前分簇竞争指令包含的竞争簇地址判断是否有上报权限，如果该传感器节点没有上报权限，则继续等待下一个分簇竞争指令；如果该传感器节点有上报权限，则判断本地是否有监视数据，如果本地没有数据监控数据，则继续等待下一个分簇竞争指令；如果本地有数据监控数据，则该传感器节点仅允许在对应簇时隙内上传本地监视数据；各簇内传感器节点采用簇时隙内竞争方式上报监视数据，实现共享短波信道环境下的数据接入；

步骤2中，采用传感器节点分簇方法是根据一段日期内覆盖区域内各传感器节点全天内监视到数据的次数，统计出每个传感器节点的数据业务概率即平均全天监视到数据的次数；依据传感器节点数据业务概率进行排序，选出数据业务概率大的前M个传感器节点对应划分为M个簇，M<＝1/2×N，将剩余其他传感器节点平均分配到M个簇内；

步骤3中数据收集中心部署一部短波接收机和短波发射机，每个传感器节点连接一个短波半双工电台完成异频收发；

步骤5包括以下步骤：

步骤51，传感器节点连接短波半双工电台处于接收状态，持续接收数据收集中心下行分簇竞争指令；

步骤52，短波半双工电台接收到下行广播，判断是否为分簇竞争指令，如果是，进行下一步，否则，返回步骤51；

步骤53，短波半双工电台对分簇竞争指令分析，判断是否为对应的分簇竞争簇，如果不是，返回步骤51，否则进行下一步；

步骤54，短波半双工电台读取本地缓存，判断是否有有效监控数据需要上报，如果是，进行步骤55，否则返回步骤51；

步骤55，数据上报完成，则回到步骤51。