CN111465075B - 一种基于5g通信的双级传感器网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G通信的双级传感器网络，所述传感器网络包括：物理信号采集第一网络，和，数据融合第二网络，所述物理信号采集第一网络由多个传感器节点和至少一个第一通信节点构成，所述数据融合第二网络由多个第二通信节点构成；所述第一通信节点基于5G通信技术进行通信；所述第二通信节点基于4G或5G通信技术进行通信。本发明通过设定其具体的第一通信节点的结构和双极传感器网络的部署策略，可以极大地提升数据采集能力和数据通信能力，降低通信成本，具备很好的使用前景。

Description

一种基于5G通信的双级传感器网络

技术领域

本发明涉及5G通信领域，尤其涉及一种基于5G通信的双级传感器网络。

背景技术

第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术，其以高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接成为通信领域的未来主要科研方向。5G通信具有广阔的使用前景，其相关技术还不甚成熟，因此，对于通信细节的软硬件和相关算法都需要进行研究。

发明内容

本发明提供了一种基于5G通信的双级传感器网络。

一种基于5G通信的双级传感器网络，所述传感器网络包括：

物理信号采集第一网络，和，数据融合第二网络，所述物理信号采集第一网络由多个传感器节点和至少一个第一通信节点构成，所述数据融合第二网络由多个第二通信节点构成；所述第一通信节点基于5G通信技术进行通信；所述第二通信节点基于4G或5G通信技术进行通信；

所述数据融合第二网络所覆盖的网络区域为圆形，将所述圆形区域等宽度划分为多个圆环和包括圆心的中心圆，每个圆环中的节点构成多个传播簇，每个所述传播簇中包括多个簇节点和一个簇首节点；所述中心圆中设置有数据融合节点，所述数据融合节点用于融合来自不同簇首节点的数据；

所述物理信号采集第一网络包括多个采集簇，每个采集簇包括多个传感器源节点，多个传感器中间节点、至少一个第一通信节点和一个传感器终节点；所述传感器终节点是所述传播簇的其中一个簇节点；一个簇节点只作为一个采集簇的传感器终节点；信号经由所述采集簇中的传感器源节点采集，经过传感器中间节点和/或第一通信节点传输至传感器终节点，由传感器终节点所在的传播簇将数据汇集到簇首节点，并由所述簇首节点将数据传输至数据融合节点。簇首节点之间也可以进行通信以最终将数据传输至数据综合处理节点。

优选的，所述第一通信节点内置有5G天线，以便于进行基于5G的数据交互。所述第二通信节点可以与所述第一通信节点具有相同或不同结构。

优选的，还包括：

所述天线单元由馈电结构和辐射结构组成。所述辐射结构整体呈正方形，由四个带有折叠结构的金属环组成。馈电结构由两组正交的顶层寄生枝节和两根同轴线组成，顶层寄生枝节通过Y形结构利用电磁耦合给辐射结构馈电，实现良好的阻抗匹配；所述天线单元的剖面高度0.08个波长，边长为0.3个波长。

优选的，所述采集簇包括至少一个传感器源节点，多个传感器中间节点、至少一个第一通信节点和一个传感器终节点，每个第一通信节点均可以直接和所述传感器终节点通信，每个传感器源节点和每个传感器中间节点均只能够与位于其通信半径内的相邻传感器中间节点、第一通信节点或传感器终节点进行通信。

优选的，传感器源节点可以通过多个传感器中间节点逐跳将数据传输至传感器终节点，也可以通过0个或至少一个传感器中间节点将数据逐跳传输至一个第一通信节点，由所述第一通信节点直接将数据传输至传感器终节点。

优选的，对于采集簇的部署满足下述公式：

在约束条件

下，/>

取得最小值。

其中，β标识采集簇中的第一通信节点数量，N标识采集簇中所有节点的总数量，其中(x_o,y₀)标识采集簇中的传感器终节点位置，v₀标识传感器终节点，令采集簇中传感器节点位置集合V＝{(x_i,y_i),1≤i≤N}，令采集簇中节点总集合为V^*＝{v_i,0≤i≤N}，其位置集合为(X^*,Y^*)＝{(x_i,y_i),0≤i≤N}；

令，p₀＝1，

d_i,j＝min(d¹ _i,j,d² _i,j)，其中d¹ _i,j表征v_i∈V处部署节点中的数据经由部署在v_j∈V^*的第一通信节点后被直接传输至传感器终节点所经过的最小距离，d² _i,j表征v_i∈V处部署节点中的数据通过沿相邻节点逐跳被传输至传感器终节点的经过的最小距离。

本发明实施例公开一种基于5G通信的双级传感器网络，通过设定其具体的第一通信节点的结构和双极传感器网络的部署策略，可以极大地提升数据采集能力和数据通信能力，降低通信成本，具备很好的使用前景。

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和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它附图。

图1是本发明提供的一种拥有5G通信能力的传感器节点构成的传感器网络示意图；

图2是本发明提供的所述5G天线的天线单元的具体结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开了一种基于5G通信的双级传感器网络，如图1所示，所述传感器网络包括：

物理信号采集第一网络，和，数据融合第二网络，所述物理信号采集第一网络由多个传感器节点和至少一个第一通信节点构成，所述数据融合第二网络由多个第二通信节点构成；所述第一通信节点基于5G通信技术进行通信；所述第二通信节点基于4G或5G通信技术进行通信；

所述数据融合第二网络所覆盖的网络区域为圆形，将所述圆形区域等宽度划分为多个圆环和包括圆心的中心圆，每个圆环中的节点构成多个传播簇，每个所述传播簇中包括多个簇节点和一个簇首节点；所述中心圆中设置有数据融合节点，所述数据融合节点用于融合来自不同簇首节点的数据；

所述物理信号采集第一网络包括多个采集簇，每个采集簇包括多个传感器源节点，多个传感器中间节点、至少一个第一通信节点和一个传感器终节点；所述传感器终节点是所述传播簇的其中一个簇节点；一个簇节点只作为一个采集簇的传感器终节点；信号经由所述采集簇中的传感器源节点采集，经过传感器中间节点和/或第一通信节点传输至传感器终节点，由传感器终节点所在的传播簇将数据汇集到簇首节点，并由所述簇首节点将数据传输至数据融合节点。簇首节点之间也可以进行通信以最终将数据传输至数据综合处理节点。

所述第一通信节点内置有5G天线，以便于进行基于5G的数据交互。所述第二通信节点可以与所述第一通信节点具有相同或不同结构，本发明实施例不对第二通信节点的结构进行限定。

为了使得第一通信节点可以适应5G通信的要求，减少其天线阵列中各个天线单元之间的耦合，并且减少天线阵列的占用空间，本发明实施例提供了一种新型天线单元结构，基于这种天线单元结构得到的天线阵列可以适应5G通信的要求。

如图2所示，所述天线单元由馈电结构和辐射结构组成。所述辐射结构整体呈正方形，由四个带有折叠结构的金属环组成。馈电结构由两组正交的顶层寄生枝节和两根同轴线组成，顶层寄生枝节通过Y形结构利用电磁耦合给辐射结构馈电，实现良好的阻抗匹配。所述天线单元的剖面高度仅0.08个波长，可以极大缩小基站的体积，节省安装空间；边长仅为0.3个波长，可以极大减小天线单元在天线阵列中的耦合，从而提高天线阵的工作效率。

所述采集簇包括至少一个传感器源节点，多个传感器中间节点、至少一个第一通信节点和一个传感器终节点，每个第一通信节点均可以直接和所述传感器终节点通信，每个传感器源节点和每个传感器中间节点均只能够与位于其通信半径内的相邻传感器中间节点、第一通信节点或传感器终节点进行通信。

传感器源节点可以通过多个传感器中间节点逐跳将数据传输至传感器终节点，也可以通过0个或至少一个传感器中间节点将数据逐跳传输至一个第一通信节点，由所述第一通信节点直接将数据传输至传感器终节点。

为了降低采集簇的能量传输消耗，达到在保证数据传输能力的前提下尽量减少能耗损失的目的，本发明实施例对于采集簇的部署满足下述公式：

在约束条件

下，/>

取得最小值。

其中，β标识采集簇中的第一通信节点数量，N标识采集簇中所有节点的总数量，其中(x_o,y₀)标识采集簇中的传感器终节点位置，v₀标识传感器终节点，令采集簇中传感器节点位置集合V＝{(x_i,y_i),1≤i≤N}，令采集簇中节点总集合为V^*＝{v_i,0≤i≤N}，其位置集合为(X^*,Y^*)＝{(x_i,y_i),0≤i≤N}；

令，p₀＝1

d_i,j＝min(d¹ _i,j,d² _i,j)，其中d¹ _i,j表征v_i∈V处部署节点中的数据经由部署在v_j∈V^*的第一通信节点后被直接传输至传感器终节点所经过的最小距离，d² _i,j表征v_i∈V处部署节点中的数据通过沿相邻节点逐跳被传输至传感器终节点的经过的最小距离。

在公开了采集簇的部署策略后，为了兼顾各个第二通信节点的能耗，尽可能避免能耗浪费，本发明实施例进一步公开传播簇中第二通信节点的部署策略，所述第i个圆环C_i的覆盖的区域面积为S_i，其中第二通信节点的密度为D_w，传播簇内的簇节点至其对应的簇首节点的距离为平均d_ch，相邻簇首节点间的平均距离为d_hh，R_i为第i层圆环的最大半径，距离阈值为d₀，则有：

第1个圆环C₁中部署的第二通信节点总数为N₁＝[D_w*S₁]；

第k个圆环C_k中部署的第二通信节点总数为N_k＝[D_w*S_k]；

当d_ch≤d₀且d_hh≤d₀时，第i个圆环C_i(i∈[2,...,k-1])中部署的第二通信节点总数为

当d_ch≤d₀且d_hh＞d₀时，第i个圆环C_i(i∈[2,...,k-1])中部署的第二通信节点总数为

其中，H_j标识第i个圆环C_i中具有的簇首数量的期望值。E_elec,E_DA,ε_fs均是通信节点能耗参数，本发明不做赘述。

本发明实施例公开一种基于5G通信的双级传感器网络，通过设定其具体的第一通信节点的结构和双极传感器网络的部署策略，可以极大地提升数据采集能力和数据通信能力，降低通信成本，具备很好的使用前景。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置和服务器实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于5G通信的双级传感器网络，其特征在于，所述传感器网络包括：物理信号采集第一网络，和，数据融合第二网络，所述物理信号采集第一网络由多个传感器节点和至少一个第一通信节点构成，所述数据融合第二网络由多个第二通信节点构成；所述第一通信节点基于5G通信技术进行通信；所述第二通信节点基于4G或5G通信技术进行通信；所述数据融合第二网络所覆盖的网络区域为圆形，将所述圆形区域等宽度划分为多个圆环和包括圆心的中心圆，每个圆环中的节点构成多个传播簇，每个所述传播簇中包括多个簇节点和一个簇首节点；所述中心圆中设置有数据融合节点，所述数据融合节点用于融合来自不同簇首节点的数据；所述物理信号采集第一网络包括多个采集簇，每个采集簇包括多个传感器源节点，多个传感器中间节点、至少一个第一通信节点和一个传感器终节点；所述传感器终节点是所述传播簇的其中一个簇节点；一个簇节点只作为一个采集簇的传感器终节点；信号经由所述采集簇中的传感器源节点采集，经过传感器中间节点和/或第一通信节点传输至传感器终节点，由传感器终节点所在的传播簇将数据汇集到簇首节点，并由所述簇首节点将数据传输至数据融合节点；簇首节点之间也可以进行通信以最终将数据传输至数据综合处理节点；

对于采集簇的部署满足下述公式：

在约束条件

下，/>

取得最小值；

其中，β标识采集簇中的第一通信节点数量，N标识采集簇中所有节点的总数量，其中(x₀，y₀)标识采集簇中的传感器终节点位置，v₀标识传感器终节点，令采集簇中传感器节点位置集合V＝{(x_i，y_i)，1≤i≤N}，令采集簇中节点总集合为V^*＝{v_i，0≤i≤N}，其位置集合为(X^*，Y^*)＝{(x_i，y_i)，0≤i≤N}：

令，p₀＝1

d_i，j＝min(d¹ _i，j，d² _i，j)，其中d¹ _i，j表征v_i∈V处部署节点中的数据经由部署在v_j∈V^*的第一通信节点后被直接传输至传感器终节点所经过的最小距离，d² _i，j表征v_j∈V处部署节点中的数据通过沿相邻节点逐跳被传输至传感器终节点的经过的最小距离。

2.根据权利要求1所述传感器网络，其特征在于：所述第一通信节点内置有5G天线，以便于进行基于5G的数据交互；所述第二通信节点可以与所述第一通信节点具有相同或不同结构。

3.根据权利要求2所述的传感器网络，其特征在于，还包括：所述天线由馈电结构和辐射结构组成；所述辐射结构整体呈正方形，由四个带有折叠结构的金属环组成；馈电结构由两组正交的顶层寄生枝节和两根同轴线组成，顶层寄生枝节通过Y形结构利用电磁耦合给辐射结构馈电，实现良好的阻抗匹配；所述天线的剖面高度0.08个波长，边长为0.3个波长。

4.根据权利要求1所述传感器网络，其特征在于：所述采集簇包括至少一个传感器源节点，多个传感器中间节点、至少一个第一通信节点和一个传感器终节点，每个第一通信节点均可以直接和所述传感器终节点通信，每个传感器源节点和每个传感器中间节点均只能够与位于其通信半径内的相邻传感器中间节点、第一通信节点或传感器终节点进行通信。

5.根据权利要求1所述的传感器网络，其特征在于：传感器源节点可以通过多个传感器中间节点逐跳将数据传输至传感器终节点，也可以通过0个或至少一个传感器中间节点将数据逐跳传输至一个第一通信节点，由所述第一通信节点直接将数据传输至传感器终节点。

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