回风巷超宽带无线自组网通信方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及无线定位领域,特别是指一种回风巷超宽带无线自组网通信方法、装置和系统。
背景技术
无线自组织网络即MANET(Mobile Ad HocNetwork),是一种不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络,需要固定的网络设备如基地站的支持,进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持,各通信节点即用户终端自行组网,通信时,由其他用户通信节点进行数据的转发。
无线自组织网络是一个由几个到上百个通信节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络,无线自组织网络的自组织算法包括洪泛算法和层次型自组织算法等。
洪泛算法是最早最简单的路由协议。通信节点以广播的形式发送消息,接收到消息的通信节点再以广播形式转发数据包给所有的邻通信节点,这个过程重复执行,直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。
由于通信节点都是接收和发送广播信息,故洪泛算法存在消息“内爆”和“重叠”的缺陷。
发明内容
本发明提供一种回风巷超宽带无线自组网通信方法、装置和系统,本发明能够避免数据发送中出现的“内爆”和“重叠”的缺陷,可以更加准确的传输数据,更加节能。
为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
一种回风巷超宽带无线自组网通信方法,所述无线自组网包括多个通信节点,所述通信方法包括:
步骤11:向下级通信节点发送探测信号;
步骤12:接收所述下级通信节点返回的数据包,所述数据包包括所述下级通信节点的服务速率;
步骤13:判断所述下级通信节点的服务速率是否大于服务速率门限,若是,确定所述下级通信节点为目标传输节点,并执行步骤14,否则,选择另一个下级通信节点,并转至步骤11;
步骤14:将要传输的数据发送到所述目标传输节点。
进一步的,第k个下级通信节点的服务速率φ(k)通过如下公式计算得到:
其中,B(k)为要传输的数据大小,T(k)为总传输时间,Td为实际传输时间,Rk为实际传输速率,Tp为探测时间;
所述总传输时间为从最开始向下级通信节点发送探测信号到将要传输的数据全部发送到所述目标传输节点所经历的时间;
所述实际传输时间为将要传输的数据全部发送到所述目标传输节点所经历的时间;
所述实际传输速率为与目标传输节点之间的数据传输速率;
所述探测时间为向下级通信节点发送一次探测信号并收到数据包的时间。
进一步的,所述服务速率门限Thresh通过如下公式计算得到:
其中,所有下级通信节点的服务速率为:
φ(0),φ(1),φ(2),…,φ(K)
这些服务速率是离散分布的,每个服务速率对应的分布概率为:
q0,q1,q2,...,qK,0≤k≤K。
一种通信节点,包括:
探测信号发送模块,用于向下级通信节点发送探测信号;
数据包接收模块,用于接收所述下级通信节点返回的数据包,所述数据包包括所述下级通信节点的服务速率;
判断模块,用于判断所述下级通信节点的服务速率是否大于服务速率门限,若是,确定所述下级通信节点为目标传输节点,并执行传输模块,否则,选择另一个下级通信节点,并转至探测信号发送模块;
传输模块,用于将要传输的数据发送到所述目标传输节点。
进一步的,第k个下级通信节点的服务速率φ(k)通过如下公式计算得到:
其中,B(k)为要传输的数据大小,T(k)为总传输时间,Td为实际传输时间,Rk为实际传输速率,Tp为探测时间;
所述总传输时间为从最开始向下级通信节点发送探测信号到将要传输的数据全部发送到所述目标传输节点所经历的时间;
所述实际传输时间为将要传输的数据全部发送到所述目标传输节点所经历的时间;
所述实际传输速率为与目标传输节点之间的数据传输速率;
所述探测时间为向下级通信节点发送一次探测信号并收到数据包的时间。
进一步的,所述服务速率门限Thresh通过如下公式计算得到:
其中,所有下级通信节点的服务速率为:
φ(0),φ(1),φ(2),…,φ(K)
这些服务速率是离散分布的,每个服务速率对应的分布概率为:
q0,q1,q2,...,qK,0≤k≤K。
一种回风巷超宽带无线自组网通信系统,包括基站、服务器和多个上述的通信节点,所述基站和服务器通过以太网连接,所述基站和通信节点之间,以及多个通信节点之间通过超宽带通信。
进一步的,所述通信节点拥有相应的级别,所述级别通过如下方法确定:
步骤21:所述通信节点向所述基站发出请求分配级别指令;
步骤22:若所述通信节点在设定时间内接收到基站分配的级别信息,则将自身信息以及级别信息发送到所述基站,否则,转至步骤21。
进一步的,还包括:
步骤23:若所述通信节点向所述基站发出请求分配级别指令的次数已经达到设定次数,则所述通信节点向整个无线自组网发送广播信息;
步骤24:所述通信节点接收整个无线自组网的应答信息;
步骤24:所述通信节点根据所述应答信息,确定自身的级别。
本发明具有以下有益效果:
本发明中,上级通信节点先向所有下级通信节点中任一个发送探测信号,该下级通信节点在接收到探测信号后,会把自身的服务速率通过数据包的形式发送到上级通信节点。上级通信节点判断该下级通信节点的服务速率是否大于上级通信节点的服务速率门限,若是,确定该下级通信节点为目标传输节点,并将要传输的数据发送到目标传输节点;否则,上级通信节点向另一个下级通信节点发送探测信号,重复上述步骤。即上级通信节点通过比较自身的服务速率门限和下级通信节点的服务速率,选择出一个下级通信节点,并将数据发送到该下级通信节点,该下级通信节点再将数据发送到再下级的通信节点,以此类推,直至传输完毕。
由此可知,本发明能够避免数据发送中出现的“内爆”和“重叠”的缺陷,可以更加准确的传输数据,更加节能。
附图说明
图1为本发明的回风巷超宽带无线自组网通信方法一个实施例的示意图;
图2为本发明中的无线自组网一个实施例的示意图;
图3为本发明的通信节点的一个实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面,本发明提供一种回风巷超宽带无线自组网通信方法,应用于煤矿等井下回风巷道中各个通信节点的数据传输。煤矿安全生产标准规定,煤矿井下回风巷道不能安装电气设备,但对于进入回风巷道的操作人员可携带便携设备(这里的便携设备即为本发明的通信节点)进入。回风巷道的结构多是直巷,即使有拐角,拐角后通的巷道也是直巷。
回风巷道下的无线自组网包括基站(一般是一个)、服务器和多个通信节点,通信节点由操作人员携带,进入回风巷道,基站和服务器可以通过以太网连接,基站和通信节点之间,以及多个通信节点之间优选通过超宽带通信。
并且,通信节点拥有其相应的级别,如果数据从通信节点一发送到通信节点二,则通信节点一相对通信节点二是上级通信节点,通信节点二相对通信节点一是下级通信节点,上级通信节点和下级通信节点是相对来说的,并且每一个上级通信节点可以有多个下级通信节点。那么,上级通信节点和下级通信节点的通信方法包括下面的步骤,如图1所示:
步骤11:上级通信节点向下级通信节点发送探测信号,下级通信节点在接收到探测信号后,会把自身的服务速率通过数据包的形式发送到上级通信节点。
步骤12:上级通信节点接收下级通信节点返回的数据包,数据包包括下级通信节点的服务速率。
步骤13:上级通信节点判断下级通信节点的服务速率是否大于上级通信节点的服务速率门限,若是,确定下级通信节点为目标传输节点,并执行步骤14,否则,选择另一个下级通信节点,并转至步骤11。
步骤14:上级通信节点将要传输的数据发送到目标传输节点。
下面以一个简单直观的例子来对本发明和现有技术的洪泛算法进行阐述,并说明本发明的有益效果:
如图2所示,数据需要从通信节点S发送到通信节点D,且S和D之间有多个通信节点R0……RK,S是R0……RK的上级通信节点,R0……RK是S的下级通信节点。
现有技术的洪泛算法中,S以广播的形式向全部下级通信节点R0……RK发送数据,R0……RK接收到数据后再通过广播的形式发送给D。发送一次数据要周围所有通信节点都参与进来,每次发送任务都要动员周围所有通信节点,这样显然不节能。并且存在消息“内爆”和“重叠”的缺陷。
而本发明中,S先向R0……RK中任一个下级通信节点发送探测信号,该下级通信节点在接收到探测信号后,会把自身的服务速率通过数据包的形式发送到S。S判断该下级通信节点的服务速率是否大于S的服务速率门限,若是,确定该下级通信节点为目标传输节点,并将要传输的数据发送到目标传输节点;否则,S向另一个下级通信节点发送探测信号,重复上述步骤。即S通过比较自身的服务速率门限和下级通信节点的服务速率,选择出一个下级通信节点,并将数据发送到该下级通信节点,该下级通信节点再将数据发送到D。
由此可知,本发明能够避免数据发送中出现的“内爆”和“重叠”的缺陷,可以更加准确的传输数据,更加节能。
作为本发明的回风巷超宽带无线自组网通信方法的一种改进,设上级通信节点的下级通信节点为K+1个,第k个下级通信节点的服务速率φ(k)通过如下公式计算得到:
其中,这里的第0个下级通信节点是指上级通信节点第1次发送探测信号的下级通信节点,以此类推。
B(k)为要传输的数据大小,单位可以为Mb等,T(k)为总传输时间,Td为实际传输时间,Rk为实际传输速率,Tp为探测时间;
总传输时间为从最开始向下级通信节点发送探测信号到将要传输的数据全部发送到目标传输节点所经历的时间;即前述的步骤11到步骤14的总时间。
实际传输时间为将要传输的数据全部发送到目标传输节点所经历的时间;即前述的步骤14的总时间。
实际传输速率为与目标传输节点之间的数据传输速率;即数据大小除以实际传输时间。
探测时间为向下级通信节点发送一次探测信号并收到数据包的时间;即步骤11和步骤12的时间。
进一步的,上级通信节点的服务速率门限Thresh通过如下公式计算得到:
其中,所有下级通信节点的服务速率为:
φ(0),φ(1),φ(2),…,φ(K)
这些服务速率是离散分布的,每个服务速率对应的分布概率为:
q0,q1,q2,...,qK,0≤k≤K。
下级通信节点的服务速率和上级通信节点的服务速率门限决定了上级通信节点选择哪个下级通信节点进行通信,选择的依据为最优停止理论选择算法:
每次传输数据均有几次探查和一次传输数据,我们所期望的是平均单位时间内最大的传输速率大于所有的时间。设探查(probe)时间是Tp,从探测信号发送到收到一个数据包,代表探查所需的时间成本;Td是不同下级传输节点传输数据实际所需的时间;RK探测到该节点能够提供服务的传输速率,传输速率值{R0,R1……RK},满足概率分布。如果在Td时间内某一节点持续传输数据,且传输速率为Rk,传输一条数据所需的时间是总探查时间(k+1个Tp)和传输数据实际所需的时间(Td)之和。
假设探测k+1次,第k+1次传输被接受,其传输速率为Rk,则实际服务速率则如下公式所示:
所有下级通信节点的服务速率为:
φ(0),φ(1),φ(2),…,φ(K)
这些服务速率是离散分布的,每个服务速率对应的分布概率为:
q0,q1,q2,...,qK,0≤k≤K。
则上级通信节点的服务速率门限为:
上级通信节点的服务速率门限也可以称为最优停止阈值,即一旦某个下级通信节点提供的速率高于此阈值,则停止探测,并接受这个下级通信节点提供服务。如此能够保障最大的数据吞吐量。
另一方面,本发明提供通信节点,即上级通信节点(由于通信节点的上下级是相对的,并且也不是固定不变的,上级通信节点和下级通信节点也可以互相变化,上级通信节点的特征即为所有通信节点的特征),如图3所示,包括:
探测信号发送模块101,用于向下级通信节点发送探测信号;
数据包接收模块102,用于接收下级通信节点返回的数据包,数据包包括下级通信节点的服务速率;
判断模块103,用于判断下级通信节点的服务速率是否大于服务速率门限,若是,确定下级通信节点为目标传输节点,并执行传输模块4,否则,选择另一个下级通信节点,并转至探测信号发送模块1;
传输模块104,用于将要传输的数据发送到目标传输节点。
本发明能够避免数据发送中出现的“内爆”和“重叠”的缺陷,可以更加准确的传输数据,更加节能。
作为本发明的通信节点的一种改进,第k个下级通信节点的服务速率φ(k)通过如下公式计算得到:
其中,B(k)为要传输的数据大小,T(k)为总传输时间,Td为实际传输时间,Rk为实际传输速率,Tp为探测时间;
总传输时间为从最开始向下级通信节点发送探测信号到将要传输的数据全部发送到目标传输节点所经历的时间;
实际传输时间为将要传输的数据全部发送到目标传输节点所经历的时间;
实际传输速率为与目标传输节点之间的数据传输速率;
探测时间为向下级通信节点发送一次探测信号并收到数据包的时间。
进一步的,上级通信节点的服务速率门限Thresh通过如下公式计算得到:
其中,所有下级通信节点的服务速率为:
φ(0),φ(1),φ(2),…,φ(K)
这些服务速率是离散分布的,每个服务速率对应的分布概率为:
q0,q1,q2,...,qK,0≤k≤K。
上级通信节点的服务速率门限也可以称为最优停止阈值,即一旦某个下级通信节点提供的速率高于此阈值,则停止探测,并接受这个下级通信节点提供服务。如此能够保障最大的数据吞吐量。
再一方面,一种回风巷超宽带无线自组网通信系统,包括基站、服务器和多个通信节点,基站和服务器通过以太网连接,基站和通信节点之间,以及多个通信节点之间通过超宽带通信。
本发明能够避免数据发送中出现的“内爆”和“重叠”的缺陷,可以更加准确的传输数据,更加节能。
作为本发明的回风巷超宽带无线自组网通信系统的一种改进,通信节点拥有相应的级别,级别通过如下方法确定:
步骤21:通信节点向基站发出请求分配级别指令;
步骤22:若通信节点在设定时间内接收到基站分配的级别信息,则将自身信息以及级别信息发送到基站,否则,转至步骤21。
每隔一段时间,通信节点向首先会向基站发出请求分配级别的命令,然后进入接收状态,并打开定时器,若收到基站分配的级别,该通信节点向就会向基站发送自组织信息的数据包,包括自身信息和级别信息。如果在设定时间内没有收到基站分配的级别,该通信节点向再次发送请求分配级别的命令,如此循环。
现有技术的层次型自组织算法(LEACH,Low Energy Adaptive ClusteringHierarchy)。LEACH是低功耗自适应聚类路由算法,主要通过随机选择聚类首领、平均分摊中继通信业务来实现。层次性自组织算法在拓扑变换时,为维护网络拓扑会产生大量广播的额外开销,增大功耗。而本发明解决了这个问题。
进一步的,还包括:
步骤23:若通信节点向基站发出请求分配级别指令的次数已经达到设定次数,则通信节点向整个无线自组网发送广播信息;
步骤24:通信节点接收整个无线自组网的应答信息;
步骤24:通信节点根据应答信息,确定自身的级别。
通信节点发出请求基站分配级别的命令达到设定上限的次数后,仍然没有确定自己在网络中的级别时,该通信节点就会向全网发出广播命令。当通信节点发射广播的次数达到设定的上限值时,该通信节点就会将接收到的应答信息进行整理,确定自己在网络中的级别,并确定上级、同级和下级通信节点的相关信息。该通信节点再向上级通信节点发送包含这些信息的数据包,直到数据包传送到基站,从而确定整个网络的拓扑结构。
以上所述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,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。