CN105049356B - 监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法，包括以下步骤：利用本地邻居节点信息，确定转发节点集合Ci；计算转发节点集合中各候选转发节点优先级：终端通过计算各候选转发节点所产生的时延，选择合适的路由方式：其中，Tdi为终端通过候选转发节点发送数据所需的时延，prj为根据监控业务的QoS要求得到候选转发节点的收包率，β0为业务数据包单跳转发可靠性门限，Ri为终端的数据发送速率，B是无线信道带宽，Irj为终端和中继转发节点间的信道容量；终端在自己的发送频带上广播业务数据包到候选转发节点处，并在数据包报头中包含各转发节点优先级列表。本发明能够选择最合适的节点进行数据分发。

Description

监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法
技术领域
本发明涉及信息技术领域，特别是涉及一种监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法。
背景技术
网络监控通信系统可以提供被监控区域实时监控数据，并能满足数据业务不同QoS的需求。例如，在电力传输系统中，大量的电力输电塔安装在多个变电站之间，负责长的传输线的输电工作。电力传输系统需要始终保持接通的，低延时的连接，以有效地运作。
输电线路监控系统，由于其上传感器节点分布呈线性拓扑结构，利用目前成熟的蜂窝网络通信技术，其缺陷主要以下两点：1.蜂窝网络传输信息成本高，蜂窝状小区通信的方式应用与线性拓扑网络中，大部分能量被浪费；2.距离中心控制塔较远的监控节点与中心控制塔的通信会受到小区半径的限制。基于以上两点，输电线路监控系统单纯采用蜂窝通信的成本太高。
此外，采用传统的自组织通信技术，信息时延要求难以得到保证。输电线路上采集的数据根据性质不同，可以有多个QoS的划分。一般说有以下三种：1.一般的监控数据，此类数据对时延不敏感，一般为周期性采集传输；2.紧急突发事件的监控数据，此类数据需要及时传输到控制中心，对延时要求很高；3.应用需要数据，根据实际需要获取的输电线路上的信息数据，一般对延时要求较高。单纯的自组织网络则没有考虑输电线路监控系统中，采集的数据之间QoS要求的不同，因而不能提供很好的监控服务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法，能够选择最合适的节点进行数据分发。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法，包括以下步骤：
(1)利用本地邻居节点信息，确定转发节点集合Ci；
(2)计算转发节点集合中各候选转发节点优先级：终端通过计算各候选转发节点所产生的时延，选择合适的路由方式：其中，Tdi为终端通过候选转发节点发送数据所需的时延，prj为根据监控业务的QoS要求得到候选转发节点的收包率，β0为业务数据包单跳转发可靠性门限，Ri为终端的数据发送速率，B是无线信道带宽，Irj为终端和中继转发节点间的信道容量；
(3)终端在自己的发送频带上广播业务数据包到候选转发节点处，并在数据包报头中包含各转发节点优先级列表。
所述候选转发节点按照分配的优先级来转送封包，对于每一个候选转发节点，如果有一个候选转发节点已经正确地接收数据包，则每一个候选转发节点会启动一个定时器，定时器的时间取决于它的优先级，优先级越高，定时器的时间会越短。
候选转发节点的定时器超时后会回复一个确认机制，通知发件人以及所有其他候选转发节点取消他们的定时器，该候选转发节点就成为下一跳发送者。
所述确认机制扮演两个角色：一个是承认数据接收的发送者，另一个是压制其他候选转发节点转发复制数据包。
如果没有候选转发节点成功接收到数据包，发件人将重传数据包。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明从业务QoS出发，数据采集节点可以选择不同转发中继及时有效地将采集信息转发至数据中心。通过定义各个转发备选节点的传输延时和传输带宽，通过对不同数据业务QoS要求的比较，选择最合适的节点进行数据分发。
附图说明
图1是线性网络拓扑图；
图2是实施例中各中继节点转发时延图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
用G(N,E)表示监控网络拓扑，其中N为各监控终端设备集合，E为终端设备间链路集合。对于终端设备i和j(i,j∈N)而言，当终端设备i和j可以直接通信联系，则链路(i,j)存在，并(i,j)∈E；否则不存在。若监控网络中有N个终端设备，为了方便起见，给每个终端设备依次编号为1,2,3,…,N-1,N。用0表示监控网络的数据收集中心点，如图1。
为了避免无线传输干扰，每个终端设备在一个给定的时隙上，利用分配的信道进行数据传输。这里将终端设备分成两组。编号为奇数的终端设备作为一组，编号为偶数的则是另一组。在一个发送时隙内，一组的节点发送它们的数据，而另一组的接收数据。
监控网络根据用户的需求，可以提供多种数据服务，如表1所示。
表1监控网络中各类业务对于通信系统的要求
业务类型 传输时延 可靠性
日常监控 时延长 一般
用户定制监控 时延一般 强
紧急报警监控 时延短 好
一般日常监控中，距离中心点远的终端通过多跳方式将其采集的监控数据传回数据中心用于后台的操作控制处理。网络中当出现用户实时指定监控某处信息和紧急报警状况时，逐级多跳通信方式显然不能满足它们的要求。用户定制监控往往是信息量大的视频信息，通信可靠性要求高。而报警信息则需要及时快速传递到数据中心，因此要求传输时延短。于是，当出现紧急信息需要迅速传输至控制中心时，发送该数据的终端则不再选择下一跳节点作为中继节点。本发明则是要引入QoS保障下的监控数据采集系统，以实现网络中各类业务的成功开展。
监控网络中各种终端设备铺设好后，其地理位置一般固定或缓慢变化(如，某处发生施工致使终端设备移位或新增等)。因此，本发明中认为各终端知道自己以及周边邻近终端的地理位置，从而可以计算两邻近终端间欧式距离。对于终端i而言，j是终端i距离控制中心更近的邻居节点，用dij表示其间距离：
dij＝Dist(i)-Dist(j)
其中，Dist(i)表示终端i到控制中心的欧式距离。
用Ci表示终端i在数据发送速率Ri下所有可选中继节点集合。若任意终端最大传输跳数为M，则集合Ci的元素个数为其中表示向下取整。
用pij表示终端i到j的正确接收数据包概率(packetreceptionratio，PRR)。对于任意邻居终端j，终端i在其邻居列表中均保存一对信息(dij,pij)。
Pti为终端i的发送功率，n(t)表示零均高斯白噪声，其功率为Pn，j为终端i转发节点集合Ci的一个备选转发终端。则j处的接收功率为：
其中，K为系统传输参数，由传输系统和环境确定。
j处的接收信噪比SNRj为：
则终端i和j间信道容量Irj为：
链路(i,j)的中断概率po(rj)为：
po(rj)＝Pr(Iij≤η0)
其中，η0为链路利用率门限值。
因而，j处的PRR pij＝1-po(rj)，可以表示为：
根据监控业务的QoS要求可以得到终端j的PRR应满足：
pij≥β0
其中，β0为业务数据包单跳转发可靠性门限。
一般而言，不同的数据传输速率达到不同的传输范围，从而导致不同的数据传输延迟。在同一发射功率下，终端发送数据速率高则其可以传输的距离更近；而数据发送速率下降则传输距离增加。于是终端节点需要根据当前提供业务数据的特性选择合适的中继终端转发其数据。终端发送数据的速率不能超过所占信道的最大速率：
Ri≤B·Irj
其中，B是无线信道带宽。
于是，终端i发送数据量所需时延为：
其中，TACK和Th是无线信道中ACK信号传输时延和控制协议传输时延。
终端i通过计算各中继转发终端所产生的时延，选择合适的路由方式：
QoS保障下的多跳路由过程可以描述如下：当终端i有数据需要发送至控制中心，通过多跳方式。首先，利用本地邻居节点信息，确定转发节点集合Ci，计算各候选转发节点优先级。按照数据业务的QoS要求，终端i在自己的发送频带上广播业务数据包到候选转发节点处，并在数据包报头中包含各转发节点优先级列表。这些候选中继按照分配的优先级来转送封包。对于每一个候选中继，如果已经正确地接收数据包，它会启动一个定时器，其价值取决于它的优先级。优先级越高，计时器会越短。转发候选人的定时器超时后会回复一个ACK，通知发件人以及所有其他候选人取消他们的定时器。随后，该转发候选对象就成为实际的下一跳发送者。转发过程重复进行，直到到达sink节点。如果没有转发候选人已成功接收到的数据包，发送方将重传的数据包，如果重传已启用。在确认机制，ACK扮演两个角色：一个是承认数据接收的发送者，另一个是压制其他候选人的形式转发复制的数据包。
下面以一个具体的实施例进一步说明本发明。
假设两个电网杆塔间布置50个监控终端，每两个终端间距离为20米。假设信道是Nakagami衰弱模型，于是PRR和两终端间距离直接相关。设终端最大通信范围为200米，相关参数如下表1：
参数 值
终端个数 20
传输范围 200米
终端发送功率Pt 20dbm
系统参数K 0.0028
接收功率门限 -100dbm
表2给出各类业务QoS要求：
业务类型 延时 可靠性
日常监控 5ms 0.85
用户定制监控 1ms 0.92
紧急报警监控 0.75ms 0.90
设终端9处有数据业务需要传输，此时偶数编号终端{4,6,8}，可以做其转发中继节点，此时计算各中继节点转发时延，如图2所示，当紧急报警业务出现，终端9则选择能满足延时要求的终端4作为其转发节点。

Claims (2)

1.一种监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用本地邻居节点信息，确定转发节点集合Ci；
(2)计算转发节点集合中各候选转发节点优先级：终端通过计算各候选转发节点所产生的时延，选择合适的路由方式：其中，Tdi为终端通过候选转发节点发送数据所需的时延，prj为根据监控业务的QoS要求得到候选转发节点的收包率，β0为业务数据包单跳转发可靠性门限，Ri为终端的数据发送速率，B是无线信道带宽，Irj为终端和中继转发节点间的信道容量；其中，所述候选转发节点按照分配的优先级来转送封包，对于每一个候选转发节点，如果有一个候选转发节点已经正确地接收数据包，则每一个候选转发节点会启动一个定时器，定时器的时间取决于它的优先级，优先级越高，定时器的时间会越短；候选转发节点的定时器超时后会回复一个确认机制，通知发件人以及所有其他候选转发节点取消他们的定时器，该候选转发节点就成为下一跳发送者；所述确认机制扮演两个角色：一个是承认数据接收的发送者，另一个是压制其他候选转发节点转发复制数据包；
(3)终端在自己的发送频带上广播业务数据包到候选转发节点处，并在数据包报头中包含各转发节点优先级列表。
2.根据权利要求1所述的监控网络中基于业务服务质量的数据多跳路由采集方法，其特征在于，如果没有候选转发节点成功接收到数据包，发件人将重传数据包。
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