CN111405611B - 无线通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种无线通信方法及系统,其中,所述方法包括:通信终端设备发送路由查询RREQ数据帧;若所述通信终端设备在预设时间段内接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;在路由发现成功并顺利建立路由连接之后,所述通信终端设备按照应用层数据帧结构传输数据;所述通信终端设备在完成数据传输后,进入休眠状态,并利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短。本发明实施例具有免人工部署、超低功耗、并能满足大量通信负载的特点,解决了在基础设施缺乏、环境恶劣等条件下,通信设备工作的实用性、可靠性和稳定性问题,不需要蜂窝网络,根据自身即可进行自组网覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,更具体地,涉及一种无线通信方法及系统。
背景技术
在建筑工地中,如果在工地进行通信,通常面临着以下几个方面的挑战:基础设施缺乏,暂时还未有蜂窝网络覆盖;作业现场杂物堆积并不适合在地面进行通信节点部署;通信节点面临着电能功耗等挑战,这是由于在工地必须得满足长时间内不需要维护的条件;施工人员较多,通信负载量较大。
因此,为了在基础设施缺乏、环境恶劣等条件下,解决通信设备工作的实用性、可靠性和稳定性问题,亟需提供一种免人工部署、超低功耗、并能满足大量通信负载的一种无线通信方法或系统。
发明内容
为了解决或者至少部分地解决上述问题,本发明实施例提供一种线通信方法及系统。
第一方面,本发明实施例提供一种无线通信方法,包括:
通信终端设备发送路由查询RREQ数据帧;
若所述通信终端设备在预设时间段内接收到网关发送的路由回复 RREP数据帧,则路由发现成功;
在路由发现成功并顺利建立路由连接之后,所述通信终端设备按照应用层数据帧结构传输数据;
所述通信终端设备在完成数据传输后,进入休眠状态,并利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短。
其中,所述利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短,具体为:
采用邻居自适应策略和/或位置感知策略计算各个通信终端设备的重要性;
基于所述各个通信终端设备的重要性,采用负载均衡算法计算得出各个通信终端设备的休眠时间。
其中,所述通信终端设备发送路由查询RREQ数据帧的步骤之后,还包括:
若所述通信终端设备在预设时间段内没有接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则重发路由查询RREQ数据帧,并将等待应答时间变为原来的两倍,若所述通信终端设备在所述等待应答时间内收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;或者,
若所述通信终端设备在所述等待应答时间内没有收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则在路由表中标记网关不可达,并通知应用层,同时所述通信终端设备按照所述自适应休眠算法进入休眠状态。
其中,所述RREQ数据帧包括以下字段:帧类型、序列号、源地址、目的地址、路由路径、已转发数量和电量;
所述RREP数据帧和所述RREQ数据帧具有相同的帧结构;
所述应用层数据帧结构包括以下字段:设备信息、位置信息和控制信息。
其中,还包括:
在路由发现的过程中,所述通信终端设备根据接收到的或者转发的RREQ数据帧和RREP数据帧进行路由更新,缓存最新路由信息至路由表,并更新路由生成时间;
其中,所述路由表包括以下字段:网络地址、网络掩码、网关、接口和跃点数。
所述采用邻居自适应策略和/或位置感知策略计算各个通信终端设备的重要性,具体为:
将基于邻居自适应策略求得的各个通信终端设备的重要性设为P1, P1的计算公式为:
和/或,
将基于位置感知策略求得的各个通信终端设备的重要性设为P2, P2的计算公式为:
其中,m为所述通信终端设备的邻居数量,d为所述路由表中的跃点数。
其中,所述基于所述各个通信终端设备的重要性,采用负载均衡算法计算得出各个通信终端设备的休眠时间,具体为:
通过转发记录,获得与通信终端设备直连的通信节点中,转发数量最大的值,记为N;
利用如下公式计算当前通信终端设备的休眠时间:
其中,P为通信终端设备的重要性,T为周期长度,n为数据帧中的已转发数量字段的值。
第二方面,本发明实施例提供一种无线通信系统,包括:由若干执行如第一方面所述无线通信方法的通信终端设备所组成的终端设备网络、网关和控制中心,其中,
每个通信终端设备是由人随身携带,并且会随着人的自由移动而移动,每个所述通信终端设备通过单一无线信道与所述网关进行通信;
所述网关具备多信道无线数据收发功能,用于将所述终端设备网络发送的数据转发至控制中心,以实现所述通信终端设备与控制中心的通信;
所述控制中心用于获取每个通信终端设备发送的信息,并向所述通信终端设备下达指令。
其中,所述通信终端设备包括:电源模块、主控单元和一个无线收发单元,所述网关包括:电源模块、主控单元和多个无线收发单元。
第三方面,本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的无线通信方法的步骤。
本发明实施例提供的无线通信方法及系统,具有免人工部署、超低功耗、并能满足大量通信负载的特点,解决了在基础设施缺乏、环境恶劣等条件下,通信设备工作的实用性、可靠性和稳定性问题,不需要蜂窝网络,根据自身即可进行自组网覆盖,同时解决了地面信号不佳、能耗挑战以及通信负载量等问题和需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的无线通信方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的无线自组织网络结构示意图;
图3为单个通信终端设备的结构示意图
图4为网关的结构示意图
图5为通信终端设备工作的占空比;
图6为关于邻居数量和跃点数两个量的示意图;
图7为本发明另一实施例提供的无线通信方法的流程示意图;
图8为本发明实施例提供的无线通信方法的实际应用场景示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的无线通信方法的流程示意图,包括:
步骤100、通信终端设备发送路由查询RREQ数据帧;
具体地,为了解决在基础设施缺乏、环境恶劣等条件下,通信设备工作的实用性、可靠性和稳定性问题,本发明实施例采用无线自组织网络结构。
无线自组织网络具有动态网状拓扑结构、信息多跳接力传输的特点,网络内任意两个通信节点之间存在多个冗余信息路径,即使中间有通信节点故障或损坏,依靠周边节点之间的协作仍然能修复信息传输路径,达到可靠通信的效果。基于上述特点,无线自组网络适合用于环境恶劣或无蜂窝网络的场景,通过现场部署若干无线通信节点,即可在作业人员之间建立一个稳定性高、抗毁性强的信息传输通道。采用无线自组网将会非常便于实现感知工作人员当前的位置信息,以及控制台下达撤退指令等操作。
图2为本发明实施例提供的无线自组织网络结构示意图。本发明实施例提供的无线通信方法应用在如图2所示的无线自组织网络结构中,所述无线自组织网络结构包括三个部分:终端设备网络、网关和控制中心。
在所述网络结构中,每个通信终端设备是由人随身携带,并且会随着人的自由移动而移动,因此终端设备网络结构会随时间变化而变化。
图3为单个通信终端设备的结构示意图,如图3所示,每个通信终端设备包括:电源模块310、主控单元320和一个无线收发单元330,通过单一无线信道进行数据的收发。
网关起到连接通信终端设备和控制中心的作用,图4为网关的结构示意图,如图4所示,网关包括电源模块410、主控单元420和多个无线收发单元430。与所述通信终端设备不同的是,网关具备多信道无线数据收发功能,用于将所述终端设备网络发送的数据转发至控制中心,以实现所述通信终端设备与控制中心的通信。
所述控制中心用于获取每个通信终端设备发送的信息,并在必要时向所述通信终端设备下达指令。
综上,本实施例中,无线自组织网络包括若干通信终端设备、一个网关以及控制中心。每一个工作人员会佩戴通信终端设备,各个通信终端设之间组成的网络,这样可以将信号覆盖到绝大部分区域,从而使得每个通信终端设都能实现与网关的通信。而网关则是直接与控制中心相连,这样控制中心就可以直接获得每位工作人员的设备信息,同时也可以在必要时候直接下达指令。
基于上述无线自组织网络结构,通信终端设备开始工作时,向网关发送路由查询RREQ数据帧,以进行路由发现。
所述RREQ数据帧的结构如表1所示,所述RREQ数据帧包括以下字段:帧类型、序列号、源地址、目的地址、路由路径、已转发数量和电量。
表1 RREQ数据帧的结构
帧类型 | 序列号 | 源地址 | 目的地址 | 路由路径 | 已转发数量 | 电量 | …… |
其中,各个字段的含义分别为:
帧类型:帧的类型;
序列号:帧的唯一标识;
源地址:数据帧的来源地址;
目的地址:数据帧的目的地址;
路由路径:从源地址到目的地址的具体路径;
已转发数量:当前终端已经转发了的路由数量;
电量:电池剩余电量。
步骤101、若所述通信终端设备在预设时间段内接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;
具体地,理想情况是网关顺利收到通信终端设备发送的RREQ数据帧,并回复RREP数据帧,通信终端设备在预设时间段t内接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,此时路由发现成功。
进一步地,若所述通信终端设备在预设时间段内没有接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则重发路由查询RREQ数据帧,并将等待应答时间变为原来的两倍(即t*2),若所述通信终端设备在所述等待应答时间内收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;或者,
若所述通信终端设备在所述等待应答时间内没有收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则在路由表中标记网关不可达,并通知应用层,同时所述通信终端设备按照自适应休眠算法进入休眠状态。
其中,所述RREP数据帧和所述RREQ数据帧具有相同的帧结构。
在一个实施例中,所示无线通信方法还包括:
在路由发现的过程中,所述通信终端设备根据接收到的或者转发的RREQ数据帧和RREP数据帧进行路由更新,缓存最新路由信息至路由表,并更新路由生成时间;
其中,所述路由表包括以下字段:网络地址、网络掩码、网关、接口和跃点数。
具体地,本实施例中,每个通信终端设备不仅有自身的数据传输任务,同时还要帮助转发来自于其他通信终端设备的网络数据。每个通信终端设备本地都维护着一张路由表,存储着可以到达的网络目的地址范围和如何到达的路由信息。路由表结构如表2所示。
表2路由表结构
网络地址 | 网络掩码 | 网关 | 接口 | 跃点数 |
其中,各个字段的含义分别为:
网络地址、网络掩码:网络地址和网络掩码共同决定可以到达的目的地址范围;
网关:定义了针对特定的网络目的地址,数据包发送到的下一跳服务器;
接口:针对特定的网络目的地址,本地计算机用于发送数据包的网络接口;
跃点数:指出路由的成本,通常情况下代表到达目标地址所需要经过的跃点数量,一个跃点代表经过一个路由器。
当通信终端发送数据时,能按照路由表中的路径到达指定位置。
在路由发现的过程中,所述通信终端设备根据接收到的或者转发的RREQ数据帧和RREP数据帧进行路由更新,缓存最新路由信息至路由表,并更新路由生成时间。
步骤102、在路由发现成功并顺利建立路由连接之后,所述通信终端设备按照应用层数据帧结构传输数据;
具体地,在路由发现成功顺利建立路由连接之后,所述通信终端设备通知应用层可以开始传输具体的数据,这些数据是根据使用者自定义的。常用的包括操作人员的位置信息、当前设备的设备状态信息以及控制中心下达的指令等。由于应用层数据是高度可定制化,所以这个可以根据实际使用需要而调整。
值得说明的是,本实施例中,应用层数据帧结构如表3所示,包括以下字段:设备信息、位置信息和控制信息。
表3应用层数据帧结构
设备信息 | 位置信息 | 控制信息 | …… |
其中,设备信息包括设备当前的工作状态等,位置信息则具体指经纬度和高度,控制信息则是在传达指令时需要使用到的。
步骤103、所述通信终端设备在完成数据传输后,进入休眠状态,并利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短。
具体地,本实施例中,每个通信终端设备不仅有自身的数据传输任务,同时还要帮助转发来自于其他通信终端设备的网络数据。为了让所有通讯终端的工作时间更长,减少维护成本,终端需要不定时进行休眠以节省电能。本发明实施例提出自适应休眠算法,可以根据通信终端设备当前的地理位置和网络信号强弱等信息,来实时调整休眠时间长短。
图5为通信终端设备工作的占空比。可以看出,每次休眠的时间都有所不同,这是因为在终端顺利传输数据之后,将根据自适应休眠算法计算最佳休眠时间。
为了延长通信终端设备的使用时间,我们需要这些通信终端设备在不工作的时候进行休眠以节省电量。在实际应用场景中,工作人员佩戴着终端,同时其位置会随着时间变化而变化,因此无线网络结构也是不断变化。为了确保各个通信终端设备的休眠不影响整个系统网络的运行,在休眠之前,需要根据通信终端设备当前在网络中的位置和重要性来计算最佳休眠时间。在实际应用场景中,如果一个通信终端设备越靠近网关,同时周围没有其他节点,那么这个通信终端设备的重要性就非常高,因为其余终端与网关的通信都得依靠它来转发,显然这些终端的休眠时间需要相对短一些。
为此,本发明实施例采用自适应休眠算法。首先采用邻居自适应策略和/或位置感知策略计算各个通信终端设备的重要性;基于各个通信终端设备的重要性,采用负载均衡算法计算得出各个通信终端设备的休眠时间。将每个通信终端设备的邻居数量表示为m,将路由表中的字段“跃点数”记为d,图6为关于邻居数量和跃点数两个量的示意图。
邻居自适应策略主要是依据终端在一个网络结构中的位置来判断,根据当前终端周围通信节点邻居数量多少来判断。
若邻居数量m较大,则表明当前通信终端设备的重要性没有那么高,可以适当让周围节点来实现转发功能,这里使用负载均衡策略来选择合适的其他节点,因此通信终端设备的休眠时间可以多一些。
如果邻居数量m较小,则需要判断当前通信终端设备能否与网关直连,那么,如果在路由表中没有找到对应网关的路由项,或者存在路由记录但d的值相对较大,那么说明该通信终端设备远离设备,需要借助其他终端才能实现与网关的通信,再加上邻居节点又少,这类节点称为“孤立节点”,对于这类节点来说,休眠时间可以多一些,因为它对于网络的重要性不大;
如果路由表中存在网关项目并且d=0,再加上邻居数量m较小,则说明当前节点非常重要,因为其他终端都需要利用当前节点转发数据,从而实现与网关的通信,所以休眠时间需要相对较短。
在一个实施例中,将基于邻居自适应策略求得的各个通信终端设备的重要性设为P1,P1的计算公式为:
位置感知策略:
终端的地理位置,也是决定其休眠时间的重要因素,根据当前终端的地理位置来判断,如果距离网关越远,则相对来说重要性就更低。
如果d=0或者d值较小,说明距离网关中继设备较近,对于这类终端节点,重要性相对来说更高,所以休眠时间较短;
如果d值较大或不存在,说明距离中继设备越远,这类终端的重要性则相对来说低一些,所以休眠时间可以更长。
为了量化这些节点的重要性,将基于位置感知策略求得的值设为 P2,可得P2的计算公式为:
针对每一个节点,可以单独基于邻居自适应策略或位置感知策略计算器重要性,也可以将基于邻居自适应策略和位置感知策略所求得的重要性相结合,得到每个节点的重要性。
在选择哪些节点休眠、哪些节点工作时,需要采用负载均衡。因为每个终端节点都会作为网络传输的一部分,需要转发其他节点传输过来的消息,而这需要耗能。将数据帧中的“已转发数量”字段值记为n,总的原则就是在同等考虑条件下,n值大的节点优先考虑更长时间休眠,n值小的休眠时间短一些或者依然维持工作。
在计算休眠时间时,我们是计算在一个周期T内休眠时间,这里的T设置为10分钟。为了保证通信节点的功耗,具体休眠时间计算步骤如下:计算出通信终端设备的重要性P值;通过转发记录,得到与该通信终端设备直连的通信节点中,转发数量最大的值N;则当前节点的休眠时间为:
本发明实施例提供的无线通信方法,具有免人工部署、超低功耗、并能满足大量通信负载的特点,解决了在基础设施缺乏、环境恶劣等条件下,通信设备工作的实用性、可靠性和稳定性问题,不需要蜂窝网络,根据自身即可进行自组网覆盖,同时解决了地面信号不佳、能耗挑战以及通信负载量等问题和需求。
图7为本发明另一实施例提供的无线通信方法的流程示意图。
图8为本发明实施例提供的无线通信方法的实际应用场景示意图。如图8所示,一个实际的应用案例则是智慧工地,工人佩戴的安全帽集成了无线自组网系统的通信终端,网关中继设备安装在塔吊上,而指挥中心则设在工地旁边的现场指挥小楼里。通过这样的一套系统,指挥中心能获取到工人每隔一段时间的位置、高度、姿态等数据,为工人的安全提供一份保障;同时,在遇上特殊情况时,指挥中心也能直接向每个工人发送命令,极大提高了沟通效率。
本发明另一实施例,提供一种无线通信系统,包括:由若干执行如前所述无线通信方法的通信终端设备所组成的终端设备网络、网关和控制中心,其中,
每个通信终端设备是由人随身携带,并且会随着人的自由移动而移动,每个所述通信终端设备通过单一无线信道与所述网关进行通信;
所述网关具备多信道无线数据收发功能,用于将所述终端设备网络发送的数据转发至控制中心,以实现所述通信终端设备与控制中心的通信;
所述控制中心用于获取每个通信终端设备发送的信息,并向所述通信终端设备下达指令。
对于本发明实施例中通信终端设备的理解可以参照前述无线通信方法实施例,在此不再赘述。
其中,所述通信终端设备包括:电源模块、主控单元和一个无线收发单元,所述网关包括:电源模块、主控单元和多个无线收发单元。
本发明实施例提供的无线通信系统,具有免人工部署、超低功耗、并能满足大量通信负载的特点,解决了在基础设施缺乏、环境恶劣等条件下,通信设备工作的实用性、可靠性和稳定性问题,不需要蜂窝网络,根据自身即可进行自组网覆盖,同时解决了地面信号不佳、能耗挑战以及通信负载量等问题和需求。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例提供的无线通信方法,例如包括:通信终端设备发送路由查询RREQ 数据帧;若所述通信终端设备在预设时间段内接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;在路由发现成功并顺利建立路由连接之后,所述通信终端设备按照应用层数据帧结构传输数据;所述通信终端设备在完成数据传输后,进入休眠状态,并利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种无线通信方法,其特征在于,包括:
通信终端设备发送路由查询RREQ数据帧;
若所述通信终端设备在预设时间段内接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;
在路由发现成功并顺利建立路由连接之后,所述通信终端设备按照应用层数据帧结构传输数据;
所述通信终端设备在完成数据传输后,进入休眠状态,并利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短;
所述利用自适应休眠算法实时调整休眠时间长短为:
采用邻居自适应策略和/或位置感知策略计算各个通信终端设备的重要性;
基于所述各个通信终端设备的重要性,采用负载均衡算法计算得出各个通信终端设备的休眠时间。
2.根据权利要求1所述的无线通信方法,其特征在于,所述通信终端设备发送路由查询RREQ数据帧的步骤之后,还包括:
若所述通信终端设备在预设时间段内没有接收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则重发路由查询RREQ数据帧,并将等待应答时间变为原来的两倍,若所述通信终端设备在所述等待应答时间内收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则路由发现成功;或者,
若所述通信终端设备在所述等待应答时间内没有收到网关发送的路由回复RREP数据帧,则在路由表中标记网关不可达,并通知应用层,同时所述通信终端设备按照所述自适应休眠算法进入休眠状态。
3.根据权利要求1所述的无线通信方法,其特征在于,所述RREQ数据帧包括以下字段:帧类型、序列号、源地址、目的地址、路由路径、已转发数量和电量;
所述RREP数据帧和所述RREQ数据帧具有相同的帧结构;
所述应用层数据帧结构包括以下字段:设备信息、位置信息和控制信息。
4.根据权利要求1所述的无线通信方法,其特征在于,还包括:
在路由发现的过程中,所述通信终端设备根据接收到的或者转发的RREQ数据帧和RREP数据帧进行路由更新,缓存最新路由信息至路由表,并更新路由生成时间;
其中,所述路由表包括以下字段:网络地址、网络掩码、网关、接口和跃点数。
7.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述无线通信方法的步骤。
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