CN112738759A - 一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法 - Google Patents

一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112738759A
CN112738759A CN202110364682.4A CN202110364682A CN112738759A CN 112738759 A CN112738759 A CN 112738759A CN 202110364682 A CN202110364682 A CN 202110364682A CN 112738759 A CN112738759 A CN 112738759A
Authority
CN
China
Prior art keywords
relay node
node
data acquisition
channel
nodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110364682.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112738759B (zh
Inventor
刘伟
许鸣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Ganshen Technology Co ltd
Original Assignee
Nanjing Ganshen Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Ganshen Technology Co ltd filed Critical Nanjing Ganshen Technology Co ltd
Priority to CN202110364682.4A priority Critical patent/CN112738759B/zh
Publication of CN112738759A publication Critical patent/CN112738759A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112738759B publication Critical patent/CN112738759B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W36/00—Hand-off or reselection arrangements
    • H04W36/24—Reselection being triggered by specific parameters
    • H04W36/30—Reselection being triggered by specific parameters by measured or perceived connection quality data
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/12—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on transmission quality or channel quality
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/22—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing using selective relaying for reaching a BTS [Base Transceiver Station] or an access point
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/24—Connectivity information management, e.g. connectivity discovery or connectivity update
    • H04W40/248—Connectivity information update
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks
    • H04W84/20—Master-slave selection or change arrangements

Abstract

本发明公开了一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法，通过额外配置中继节点副通信单元，在中继节点和数据采集节点之间构建了独立于默认传输信道的子信道，可显著降低主信道的拥堵，具有更高的吞吐量和更低的传输延时。此外，通过该方法数据采集节点和中继节点均能自主选择最高质量的链路进行通信，从而进一步提升了网络的传输效率。

Description

一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信和网络领域，具体涉及一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法。
背景技术
长链状网络结构是一种特殊的网络拓扑结构，常用于桥梁、隧道、地下管廊等基础设施结构监测、重要区域边界监测等领域。这种网络结构的突出特点是存在一条长链状、包含多个节点、多跳传输的主传输路径，同时还存在多条分支路径。主路径节点根据实际应用需求可以具备监测数据产生能力，或者仅充当数据中继的角色。分支路径节点采集的监测数据则需要通过主路径进行传输。
现有的长链状网络结构在主路径和分支路径通常使用同一个信道进行通信，当主路径上节点较多（即跳数较多）或分支路径节点较多（即数据源较多）时，主路径传输通常会面临很大的压力，特别是在分支路径节点的数据采集速率较高的情况下。分支路径节点需要将采集的监测数据传输给主路径节点，由于其与主路径节点、其他分支路径节点使用相同的信道，因此必然会与主路径和其他分支路径的数据传输相互影响，从而严重地降低网络的吞吐量，极大地增加数据传输延时。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了提供一种适用于长链状网络结构、有效地提高网络传输效率的多信道并行通信系统；本发明还有一个目的是提供基于前述系统实现的、用于长链状网络结构多通道并行通信的方法。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统，包括若干个依次连接的中继节点、以及设于中继节点终端的基站，每个中继节点各自地与若干数据采集节点通信连接；
所述数据采集节点包括：
传感器单元，用于感受物理量并输出电信号，实现目标数据采集，
处理单元，用于控制数据采集节点运行状态，
通信单元，用于与中继节点的主通信单元或副通信单元进行连接；
所述中继节点包括：
中继节点处理单元，用于控制中继节点运行状态，
中继节点副通信单元，与数据采集节点的通信单元连接，用于获取数据采集节点产生的传感器数据，默认处于关闭状态，
中继节点主通信单元，用于与其他中继节点主通信单元通信，将副通信单元所接收的来自数据采集节点的数据传输至基站，并在数据采集节点切换到可用子信道之前与之协调所用子信道的信息。
所述数据采集节点的传感器单元的功能为感知物理信号并输出低噪声、稳定的电信号，包含传感器电路与信号调理电路。传感器电路用于对应用所需的物理信号进行感知，并将该信号转换为电信号进行输出。由于传感器电路自身原因以及一些外部干扰，将产生不属于感知范围的信号，因此需要进行信号调理。信号调理电路用于对传感器电路所输出的电信号，进行滤波、放大等操作，以实现滤除噪声、提高输出阻抗和稳定输出信号等功能。
所述数据采集节点的处理单元用于根据任务需求，控制数据采集节点的运行状态，包括：
采样控制模块，用于获取传感器单元采集的数据，包括调整信号采样频率等；
数据通信模块，用于传输传感器数据、控制数据等；
信道切换模块，用于实现通信信道、传输速率的切换；以及
供电管理模块，用于改变供电单元的输出策略等，以实现降低功耗、延长节点运行时间和提高通信效率等目标。
所述数据采集节点的通信单元包括天线和可实现信道切换的射频电路。射频电路应具备可选择信道的功能，实现在中继节点告知可用子信道后，切换通信信道至对应子信道，与对应中继节点副通信单元进行通信。
所述数据采集节点的通信单元、中继节点主通信单元和中继节点副通信单元都包括天线和可实现信道切换的射频电路，所述天线为陶瓷天线、PCB天线、SMA天线的任意一种。
所述可实现信道切换的射频电路，为常用射频芯片及其外围电路构成，所述射频芯片包括但不限于如CC2420等低速率低功耗射频芯片，或ESP8266等高速率射频芯片。
进一步地，所述数据采集节点还配置相应的供电单元，为数据采集节点提供运行所需电源。供电单元的电路将提供传感器单元所需高精度参考电源、高精度供电电源以及处理单元、通信单元所需电源。
利用前述系统实现长链状网络结构多通道并行通信的方法，包括如下步骤：
S100：启动网络，每个中继节点默认只启动主通信单元并使用主信道，副通信单元默认关闭，依次统计每个信道下的噪声均值，经排序生成信道优先级列表；
S200：网络中的数据采集节点默认使用主信道，并使用主信道广播一段时间信标，各个中继节点计算其与附近N个数据采集节点的链路质量集合；
S300：网络中的中继节点使用主信道广播一段时间信标，计算其与上一跳中继节点的链路质量；
S400：中继节点将其与数据采集节点的链路质量集合、以及与上一跳中继节点的链路质量反向传播给对应的数据采集节点；
S500：所述对应的数据采集节点选择总链路质量最高的中继节点作为优选中继节点，所述优选中继节点响应后生成子节点列表；
S600：所有包含数据采集节点的中继节点，通过广播竞争声明信息，抢占尚未被其他中继节点占用的优选子信道；
S700：所述优选中继节点向数据采集节点广播优选子信道信息；
S800：优选中继节点启动副通信单元并采用所述优选子信道，数据采集节点将主信道变更为所述优选子信道，共同组成星型子网络。
进一步地，所述星型子网络采用时分多址的方式进行通信，中继节点为子网络中的数据采集节点划分不同的时隙，并通过子信道将划分结果发送给数据采集节点。
例如，某一子网络有l个数据采集节点{H 1, H 2, … , H l }，每个节点的传输时间为t，则节点H 1在0~t时刻进行传输，节点H 2在t~2t时刻进行传输，节点H l 则在(l-1)t~lt时刻进行传输。
进一步地，所述数据采集节点将采集获得的数据发送给中继节点，中继节点在接收到数据采集节点的数据后，检测主信道是否空闲，并在主信道空闲时将数据传输到基站。
进一步地，所述步骤S100中信道优先级列表的获得步骤包括：
S110：中继节点依次统计每个信道下的噪声均值，得到集合{N i1,N i2, … , N iN }，对应的信道为{i1,i2, … , iN}；
S120：根据噪声均值大小，由小到大对信道进行排序获得优先级表{j1,j2, … ,jN}。本发明通过提前扫描每个信道的噪声，并计算噪声均值的大小，对该环境下所有信道好坏进行优先级排序。该方法在不同环境下均能适用。
进一步地，所述步骤S200链路质量集合的计算方法是：中继节点统计相应的链路质量指标，并通过加权融合多个链路质量指标，获得中继节点与数据采集节点间链路质量。所述链路质量指标包括基于软度量的链路质量指标、基于硬度量的链路质量指标以及混合度量指标。基于软度量的链路质量指标包括但不限于PRR、RNP、ETX、LETX的任意一种，基于硬度量的质量指标链路包括但不限于RSSI、SNR、LQI的任意一种。考虑到节点的通用性，本发明优选PRR和SNR分别作为软度量和硬度量的链路质量指标。
具体地说，所述步骤S200各个中继节点计算其与附近N个数据采集节点的链路质量集合包括：
S210：记第i个中继节点附近的N个数据采集节点集合为{H 1, H 2, … , H N }，计算第i个中继节点与第j个数据采集节点H j 间基于软度量的链路质量指标为：
Figure 667319DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，PRR ij 的范围为0~1，m j 为第j个数据采集节点广播的数据包个数，m ij 为第i个中继节点接收到第j个数据采集节点的数据包个数；
S220：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间基于硬度量的链路质量指标：
Figure 810724DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，SNR ij 为第i个中继节点与第j个数据采集节点间的信噪比均值，SNR ijk 为第k个数据包的信噪比值；
S230：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间硬度量映射得到的PRR值：
Figure 19988DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，SNR ij 为第i个中继节点与第j个数据采集节点间的信噪比均值，SNR ijk 为第k个数据包的信噪比值；
S230：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间硬度量映射得到的PRR值：
Figure 405577DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，SNR ij 为第i个中继节点与第j个数据采集节点间的信噪比均值，SNR ijk 为第k个数据包的信噪比值；
S230：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间硬度量映射得到的PRR值：
Figure 508531DEST_PATH_IMAGE005
（5）
其中，SNR ij 为第i个中继节点与第j个数据采集节点间的信噪比均值，SNR ijk 为第k个数据包的信噪比值；
S230：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间硬度量映射得到的PRR值：
Figure 58723DEST_PATH_IMAGE006
（6）
其中，SNR (i-1)i 为两个节点间的信噪比均值，SNR (i-1)ik 为第k个数据包的信噪比值；
S330：计算第i个中继节点估计与第i-1个中继节点间硬度量映射得到的PRR值为：
Figure 755284DEST_PATH_IMAGE007
（7）
其中，PRRS i(i-1) 的范围为0~1；f(x)为特定物理层的误码率-信噪比映射函数，可使用理论模型或拟合模型；
S340：基于式（5）和式（7），计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间的链路质量：
Figure 702422DEST_PATH_IMAGE008
（8）
其中，β为权重系数，范围为0~1。
进一步地，所述对应的数据采集节点选择总链路质量最高的中继节点包括如下步骤：
S510：设第j个数据采集节点附近有(k+1)个中继节点收到了其广播的信号，这些中继节点距离基站由远至近依次记为{R i , R i+1, … , R i+k }；
S520：数据采集节点分别计算以{R i , R i+1, … , R i+k }中某一个节点作为中继节点后，传输到节点R i+k 的总链路质量：
第j个数据采集节点以节点R i 作为中继节点后，传输到节点R i+k 的总链路质量为：
Figure 128724DEST_PATH_IMAGE009
（9）
特别地，第j个数据采集节点以节点R i+k 作为中继节点后的总链路质量为：
Figure 646555DEST_PATH_IMAGE010
（10）。
S530：第j个数据采集节点生成不同节点作为中继节点后的总链路质量集合{LQA ij , LQA (i+1)j , … , LQA (i+k)j }，通过比较选择最高总链路质量对应的节点作为优选中继节点；
进一步地，所述优选子信道的竞争方法为：
S610：中继节点间使用主信道进行通信；
S620：中继节点基于所述信道优先级列表，选择优先级最高的子信道，并启动随机退避定时器进行倒计时；
S630：如果在定时器倒计时结束后，中继节点没有收到其他中继节点广播的使用目标信道的竞争声明信息，则向外广播自己使用目标信道的竞争声明信息；
S640：在倒计时过程中，中继节点和数据采集节点持续监听信道，同时数据采集节点会将自己监听的、其他中继节点广播的信道竞争声明信息转发给对应的中继节点；
S650：如果在定时器倒计时过程中，中继节点收到其他中继节点对目标信道的竞争声明信息，则将目标信道从信道优先级列表中剔除，并选择剔除后优先级最高的子信道，并重复步骤S620-S650。
本发明通过额外配置中继节点副通信单元，为中继节点和数据采集节点之间构建了独立于默认传输信道的子信道，可显著降低主信道的拥堵，具有更高的吞吐量和更低的传输延时。此外，通过该方法数据采集节点和中继节点均能自主选择最高质量的链路进行通信，从而进一步提升了网络的传输效率。
附图说明
图1为实施例1长链状网络结构的多信道并行通信系统的构架示意图；
图2为实施例1数据采集节点的结构框图；
图3为实施例1中继节点的结构框图；
图4为实施例2长链状网络结构多通道并行通信方法的流程图；
图5是图4中S100的子流程图；
图6是图4中S200的子流程图；
图7是图4中S300的子流程图；
图8是图4中S500的子流程图；
图9是图4中S600的子流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
图1展示了一种长链状网络结构的多信道并行通信系统，整个系统设有若干中继节点，相继传输至基站，每个中继节点对应0至多个数据采集节点，相应地，数据采集节点之间可以有0至多个中继节点。
图2展示了数据采集节点的结构框图，数据采集节点包括：
传感器单元，用于感受物理量并输出电信号，实现目标数据采集，
处理单元，用于控制数据采集节点运行状态，
通信单元，用于与中继节点的主通信单元或副通信单元进行连接。
图3展示了中继节点的结构框图，中继节点包括：
中继节点处理单元，用于控制中继节点运行状态，
中继节点副通信单元，与数据采集节点的通信单元连接，用于获取数据采集节点产生的传感器数据，默认处于关闭状态，
中继节点主通信单元，用于与其他中继节点主通信单元通信，将副通信单元所接收的来自数据采集节点的数据传输至基站，并在数据采集节点切换到可用子信道之前与之协调所用子信道的信息。
数据采集节点的传感器单元的功能为感知物理信号并输出低噪声、稳定的电信号，包含传感器电路与信号调理电路。传感器电路用于对应用所需的物理信号进行感知，并将该信号转换为电信号进行输出。由于传感器电路自身原因以及一些外部干扰，将产生不属于感知范围的信号，因此需要进行信号调理。信号调理电路用于对传感器电路所输出的电信号，进行滤波、放大等操作，以实现滤除噪声、提高输出阻抗、稳定输出信号等功能。
数据采集节点处理单元下设若干模块：采样控制模块，用于获取传感器单元采集的数据，包括调整信号采样频率等；数据通信模块，用于传输传感器数据、控制数据等；信道切换模块，用于实现通信信道、传输速率的切换；以及供电管理模块，用于改变供电单元的输出策略等，以实现降低功耗，延长节点运行时间，提高通信效率等目标。以上模块均为本领域技术人员容易获取的现有技术。
数据采集节点通信单元包括天线和可实现信道切换的射频电路。射频电路应具备可选择信道的功能，实现在中继节点告知可用子信道后，切换通信信道至对应子信道，与对应中继节点副通信单元进行通信。
数据采集节点通信单元、中继节点主通信单元和中继节点副通信单元都包括天线和可实现信道切换的射频电路，天线为陶瓷天线、PCB天线、SMA天线的任意一种。
可实现信道切换的射频电路为常用射频芯片及其外围电路构成，射频芯片为CC2420或ESP8266芯片。
数据采集节点还配置对应的供电单元，为数据采集节点提供运行所需电源。供电单元的电路将提供传感器单元所需高精度参考电源、高精度供电电源以及处理单元、通信单元所需电源。
实施例2
请参考图4所示，本实施例利用实施例1所述的系统实现长链状网络结构多通道并行通信，以基于IEEE 802.15.4标准的长链状无线传感器网络为例，包括如下步骤：
S100：启动网络，每个中继节点默认只启动主通信单元并使用主信道，副通信单元默认关闭，依次统计每个信道下的噪声均值，经排序生成信道优先级列表；
S200：网络中的数据采集节点默认使用主信道，并使用主信道广播一段时间信标，各个中继节点计算其与附近N个数据采集节点的链路质量集合；
S300：网络中的中继节点使用主信道广播一段时间信标，计算其与上一跳中继节点的链路质量；
S400：中继节点将其与数据采集节点的链路质量集合、以及与上一跳中继节点的链路质量反向传播给对应的数据采集节点；
S500：对应的数据采集节点选择总链路质量最高的中继节点作为优选中继节点，优选中继节点响应后生成子节点列表；
S600：所有包含数据采集节点的中继节点，通过广播竞争声明信息，抢占尚未被其他中继节点占用的优选子信道；
S700：优选中继节点向数据采集节点广播优选子信道信息；
S800：优选中继节点启动副通信单元并采用优选子信道，数据采集节点变更为优选子信道，共同组成星型子网络；
S900：星型子网络采用时分多址的方式进行通信，中继节点为子网络中的数据采集节点划分不同的时隙，并通过子信道结果发送给数据采集节点；
例如：某一子网络有l个数据采集节点{H 1, H 2, … , H l }，每个节点的传输时间为t，则节点H 1在0~t时刻进行传输，节点H 2在t~2t时刻进行传输，节点H l 则在(l-1)t~lt时刻进行传输。
S1000：数据采集节点将采集获得的数据发送给中继节点，中继节点在接收到数据采集节点的数据后，检测信道是否空闲，并在信道空闲时将数据传输到基站。
请进一步结合图5所示，步骤S100中信道优先级列表的获得步骤包括：
S110：中继节点依次统计每个信道下的噪声均值，得到集合{N i1,N i2, … , N iN }，对应的信道为{i1,i2, … , iN}；
S120：根据噪声均值大小，由小到大对信道进行排序获得优先级表{j1,j2, … ,jN}。
请进一步结合图6所示，步骤S200各个中继节点计算其与附近N个数据采集节点的链路质量集合包括：
S210：记第i个中继节点附近的N个数据采集节点集合为{H 1, H 2, … , H N }，计算第i个中继节点与第j个数据采集节点H j 间基于软度量的链路质量指标为：
Figure 158308DEST_PATH_IMAGE011
（1）
其中，PRR ij 的范围为0~1，m j 为第j个数据采集节点广播的数据包个数，m ij 为第i个中继节点接收到第j个数据采集节点的数据包个数；
S220：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间基于硬度量的链路质量指标：
Figure 324847DEST_PATH_IMAGE012
（2）
其中，SNR ij 为第i个中继节点与第j个数据采集节点间的信噪比均值，SNR ijk 为第k个数据包的信噪比值；
S230：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间硬度量映射得到的PRR值：
Figure 573032DEST_PATH_IMAGE013
（3-1）
其中，PRRS ij 的范围为0~1；Q(x) 为互补累计分布函数，
Figure 291458DEST_PATH_IMAGE014
；R b 为数据传输速率，B N 为带宽，Nbit为数据包的比特数；本实施例中B N 为384kHz，R b 为250kb/s。
S240：基于式（1）和式（3-1），计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间链路质量为：
Figure 260814DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，α为权重系数，范围为0~1；
S250：获得第i个中继节点与附近N个数据采集节点间链路质量集合{LQ i1, LQ i2,… , LQ iN }。
请进一步结合图7所示：步骤S300中继节点计算其与上一跳中继节点的链路质量包括：
S310：中继节点广播n i 个数据包，计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间基于软度量的链路质量指标：
Figure 231044DEST_PATH_IMAGE015
（5）
其中，PRR (i-1)i 为两个节点间的软度量链路质量指标PRR，范围为0~1；n (i-1)i 为第i个中继节点接收到第i-1个中继节点的数据包个数；
S320：计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间基于硬度量的链路质量指标：
Figure 864894DEST_PATH_IMAGE006
（6）
其中，SNR (i-1)i 为两个节点间的信噪比均值，SNR (i-1)ik 为第k个数据包的信噪比值；
S330：计算第i个中继节点估计与第i-1个中继节点间硬度量映射得到的PRR值为：
Figure 691905DEST_PATH_IMAGE016
（7-1）
其中，PRRS (i-1)i 的范围为0~1；Q(x) 为互补累计分布函数，
Figure 414135DEST_PATH_IMAGE017
；R b 为数据传输速率，B N 为带宽，Nbit为数据包的比特数；本实施例中B N 为384kHz，R b 为250kb/s。
S340：基于式（5）和式（7），计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间的链路质量：
Figure 47111DEST_PATH_IMAGE018
（8）
其中，β为权重系数，范围为0~1。
请进一步结合图8所示，步骤S500对应的数据采集节点选择最高总链路质量包括如下步骤：
S510：设第j个数据采集节点附近有(k+1)个中继节点收到了其广播的信号，这些中继节点距离基站由远至近依次记为{R i , R i+1, … , R i+k }；
S520：数据采集节点分别计算以{R i , R i+1, … , R i+k }中某一个节点作为中继节点后，传输到节点R i+k 的总链路质量：
第j个数据采集节点以节点R i 作为中继节点后，传输到节点R i+k 的总链路质量为：
Figure 269888DEST_PATH_IMAGE009
（9）
特别地，第j个数据采集节点以节点R i+k 作为中继节点后的总链路质量为：
Figure 205483DEST_PATH_IMAGE010
（10）。
S530：第j个数据采集节点生成不同节点作为中继节点后的总链路质量集合{LQA ij , LQA (i+1)j , … , LQA (i+k)j }，通过比较选择最高总链路质量对应的节点作为优选中继节点；
请进一步结合图9所示，步骤S600优选子信道的竞争方法为：
S610：中继节点间使用主信道（26信道）进行通信；
S620：中继节点基于信道优先级列表，选择优先级最高的子信道，并启动随机退避定时器进行倒计时；
S630：如果在定时器倒计时结束后，中继节点没有收到其他中继节点广播的使用目标信道的竞争声明信息，则向外广播自己使用目标信道的竞争声明信息；
S640：在倒计时过程中，中继节点和数据采集节点持续监听信道，同时数据采集节点会将自己监听的、其他中继节点广播的信道竞争声明信息转发给对应的中继节点；
S650：如果在定时器倒计时过程中，中继节点收到其他中继节点对目标信道的竞争声明信息，则将目标信道从信道优先级列表中剔除，并选择剔除后优先级最高的子信道，并重复步骤S620-S650。
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。

Claims (14)

1.一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统，其特征在于：包括若干个依次连接成长链状结构的中继节点和设于中继节点终端的基站，每个中继节点各自地与若干数据采集节点通信连接；
所述数据采集节点包括：
传感器单元，用于感受物理量并输出电信号，实现目标数据采集，
处理单元，用于控制数据采集节点的运行状态，
通信单元，用于与中继节点的主通信单元或副通信单元进行连接；
所述中继节点包括：
中继节点处理单元，用于控制中继节点的运行状态，
中继节点副通信单元，与数据采集节点的通信单元连接，用于获取数据采集节点产生的传感器数据，默认处于关闭状态，
中继节点主通信单元，用于与其他中继节点主通信单元通信，将副通信单元所接收的来自数据采集节点的数据传输至基站，并在数据采集节点切换到可用子信道之前与之协调所用子信道的信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统，其特征在于，所述数据采集节点的处理单元包括：
采样控制模块，用于获取传感器单元采集的数据，包括调整信号采样频率；
数据通信模块，用于传输传感器数据、控制数据；
信道切换模块，用于实现通信信道、传输速率的切换；以及
供电管理模块，用于改变供电单元的输出策略。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统，其特征在于：所述数据采集节点通信单元、中继节点主通信单元和中继节点副通信单元都包括天线和可实现信道切换的射频电路，所述天线为陶瓷天线、PCB天线、SMA天线的任意一种。
4.根据权利要求3所述的一种用于长链状网络结构的多通道并行通信系统，其特征在于：所述可实现信道切换的射频电路，为常用射频芯片及其外围电路构成，所述射频芯片包括CC2420或ESP8266。
5.一种用于长链状网络结构的多通道并行通信方法，其特征在于：该方法基于一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统，所述多信道并行通信系统包括若干个依次连接成长链状结构的中继节点和设于中继节点终端的基站，每个中继节点各自地与若干数据采集节点通信连接；该方法包括如下步骤：
S100：启动网络，每个中继节点默认只启动主通信单元并使用主信道，副通信单元默认关闭，依次统计每个信道下的噪声均值，经排序生成信道优先级列表；
S200：网络中的数据采集节点默认使用主信道，并使用主信道广播一段时间信标，各个中继节点计算其与附近N个数据采集节点的链路质量集合；
S300：网络中的中继节点使用主信道广播一段时间信标，计算其与上一跳中继节点的链路质量；
S400：中继节点将其与数据采集节点的链路质量集合、以及与上一跳中继节点的链路质量反向传播给对应的数据采集节点；
S500：所述对应的数据采集节点选择总链路质量最高的中继节点作为优选中继节点，所述优选中继节点响应后生成子节点列表；
S600：所有包含数据采集节点的中继节点，通过广播竞争声明信息，抢占尚未被其他中继节点占用的优选子信道；
S700：所述优选中继节点向数据采集节点广播优选子信道信息；
S800：优选中继节点启动副通信单元并采用所述优选子信道，数据采集节点将主信道变更为所述优选子信道，共同组成星型子网络。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述星型子网络采用时分多址的方式进行通信，中继节点为子网络中的数据采集节点划分不同的时隙，并通过子信道将划分结果发送给数据采集节点。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述数据采集节点将采集获得的数据发送给中继节点，中继节点在接收到数据采集节点的数据后，检测主信道是否空闲，并在主信道空闲时通过上一跳中继节点将数据传输到基站。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S100中信道优先级列表的获得步骤包括：
S110：中继节点依次统计每个信道下的噪声均值，得到集合{N i1,N i2, … , N iN }，对应的信道为{i1,i2, … , iN}；
S120：根据噪声均值大小，由小到大对信道进行排序获得优先级表{j1,j2, … , jN}。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S200链路质量集合的计算方法是：中继节点统计相应的链路质量指标，并通过加权融合多个链路质量指标，获得中继节点与数据采集节点间链路质量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S200各个中继节点计算其与附近N个数据采集节点的链路质量集合包括：
S210：记第i个中继节点附近的N个数据采集节点集合为{H 1, H 2, … , H N }，计算第i个中继节点与第j个数据采集节点H j 间基于软度量链路的质量指标为：
Figure 959973DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，PRR ij 的范围为0~1，m j 为第j个数据采集节点广播的数据包个数，m ij 为第i个中继节点接收到第j个数据采集节点的数据包个数；
S220：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间基于硬度量链路的质量指标：
Figure 408271DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，SNR ij 为第i个中继节点与第j个数据采集节点间的信噪比均值，SNR ijk 为第k个数据包的信噪比值；
S230：计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间硬度量映射得到的PRR值：
Figure 607915DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，PRRS ij 的范围为0~1；f(x)为特定物理层的误码率-信噪比映射函数；
S240：基于式（1）和式（3），计算第i个中继节点与第j个数据采集节点间链路质量为：
Figure 862179DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，α为权重系数，范围为0~1；
S250：获得第i个中继节点与附近N个数据采集节点间链路质量集合{LQ i1, LQ i2, … ,LQ iN }。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S300计算与上一跳中继节点链路质量的方法是：中继节点统计相应的链路质量指标，并通过加权融合多个链路质量指标，获得中继节点与上一跳中继节点的链路质量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤S300中继节点计算其与上一跳中继节点的链路质量包括：
S310：中继节点广播n i 个数据包，计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间基于软度量链路的质量指标：
Figure 709175DEST_PATH_IMAGE005
（5）
其中，PRR (i-1)i 为两个节点间的软度量链路质量指标PRR，范围为0~1；n (i-1)i 为第i个中继节点接收到第i-1个中继节点的数据包个数；
S320：计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间基于硬度量链路的质量指标：
Figure 656271DEST_PATH_IMAGE007
（6）
其中，SNR (i-1)i 为两个节点间的信噪比均值，SNR (i-1)ik 为第k个数据包的信噪比值；
S330：计算第i个中继节点估计与第i-1个中继节点间硬度量映射得到的PRR值为：
Figure 139948DEST_PATH_IMAGE008
（7）
其中，PRRS (i-1)i 的范围为0~1；f(x)为特定物理层的误码率-信噪比映射函数；
S340：基于式（5）和式（7），计算第i个中继节点与第i-1个中继节点间的链路质量：
Figure 135586DEST_PATH_IMAGE009
（8）
其中，β为权重系数，范围为0~1。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对应的数据采集节点选择总链路质量最高的中继节点包括如下步骤：
S510：设第j个数据采集节点附近有(k+1)个中继节点收到了其广播的信号，这些中继节点距离基站由远至近依次记为{R i , R i+1, … , R i+k }；
S520：数据采集节点分别计算以{R i , R i+1, … , R i+k }中某一个节点作为中继节点后，传输到节点R i+k 的总链路质量：
第j个数据采集节点以节点R i 作为中继节点后，传输到节点R i+k 的总链路质量为：
Figure 820777DEST_PATH_IMAGE010
（9）
其中，第j个数据采集节点以节点R i+k 作为中继节点后的总链路质量为：
Figure 437309DEST_PATH_IMAGE011
（10）
S530：第j个数据采集节点生成不同节点作为中继节点后的总链路质量集合{LQA ij ,LQA (i+1)j , … , LQA (i+k)j }，通过比较选择最高总链路质量对应的节点作为优选中继节点。
14.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述优选子信道的竞争方法为：
S610：中继节点间使用主信道进行通信；
S620：中继节点基于所述信道优先级列表，选择优先级最高的子信道，并启动随机退避定时器进行倒计时；
S630：如果在定时器倒计时结束后，中继节点没有收到其他中继节点广播的使用目标信道的竞争声明信息，则向外广播自己使用目标信道的竞争声明信息；
S640：在倒计时过程中，中继节点和数据采集节点持续监听信道，同时数据采集节点会将自己监听的、其他中继节点广播的信道竞争声明信息转发给对应的中继节点；
S650：如果在定时器倒计时过程中，中继节点收到其他中继节点对目标信道的竞争声明信息，则将目标信道从信道优先级列表中剔除，并选择剔除后优先级最高的子信道，并重复步骤S620-S650。
CN202110364682.4A 2021-04-06 2021-04-06 一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法 Active CN112738759B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110364682.4A CN112738759B (zh) 2021-04-06 2021-04-06 一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110364682.4A CN112738759B (zh) 2021-04-06 2021-04-06 一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112738759A true CN112738759A (zh) 2021-04-30
CN112738759B CN112738759B (zh) 2021-08-06

Family

ID=75596412

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110364682.4A Active CN112738759B (zh) 2021-04-06 2021-04-06 一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112738759B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102185906A (zh) * 2011-04-21 2011-09-14 西安交通大学 大型装备安全监测无线传感器网络
CN102235178A (zh) * 2010-04-26 2011-11-09 北京兴科迪科技有限公司 矿井异型空间监测与预警方法及系统
CN104853380A (zh) * 2015-05-11 2015-08-19 西南交通大学 一种多信道无线网络的链路质量评估方法
CN110996341A (zh) * 2020-03-02 2020-04-10 南京感深科技有限公司 一种跨协议干扰下的低功率无线链路质量估计方法
CN111343656A (zh) * 2020-03-02 2020-06-26 南京感深科技有限公司 一种基于简化理论模型的自适应无线链路质量估计方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102235178A (zh) * 2010-04-26 2011-11-09 北京兴科迪科技有限公司 矿井异型空间监测与预警方法及系统
CN102185906A (zh) * 2011-04-21 2011-09-14 西安交通大学 大型装备安全监测无线传感器网络
CN104853380A (zh) * 2015-05-11 2015-08-19 西南交通大学 一种多信道无线网络的链路质量评估方法
CN110996341A (zh) * 2020-03-02 2020-04-10 南京感深科技有限公司 一种跨协议干扰下的低功率无线链路质量估计方法
CN111343656A (zh) * 2020-03-02 2020-06-26 南京感深科技有限公司 一种基于简化理论模型的自适应无线链路质量估计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHAILENDRA ASWALE，VIJAY R. GHORPADE: "Geographic Multipath Routing based on Triangle Link Quality Metric with Minimum Inter-path Interference for Wireless Multimedia Sensor Networks", 《JOURNAL OF KING SAUD UNIVERSITY-COMPUTER AND INFORMATION SCIENCES》 *
胡青松，罗大伟，张梅香，李世银: "基于链路质量估计的灾害监测传感网分簇路由", 《华中科技大学学报（自然科学版）》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112738759B (zh) 2021-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109673035B (zh) 一种适于无线自组织网络的路由建立与维护方法
CN110891294B (zh) 一种基于业务类型的无线自组网路由选择方法
US7542421B2 (en) Adaptive control of transmission power and data rates of transmission links between access nodes of a mesh network
KR101524114B1 (ko) 멀티­액세스 통신 시스템들에서 동적 채널 재사용
CN110611915B (zh) 自适应控制自组织跳频网络频率的方法
CN101617549A (zh) 选择多跳无线网络中的接入点或中继节点的方法和设备
CN110225565B (zh) 一种基于多波束方向性天线的动中组网方法
EP2200371B1 (en) Method for selecting a relay node in a wireless communication system.
KR20030007802A (ko) 중앙집중 무선 근거리 통신망들에서 동시 전송들을 통한링크 용량 증가
EP1736017A2 (en) A multi-channel mesh network
CN107864480B (zh) 一种基于认知声技术的mac协议通信方法
Shah et al. Joint optimization of a protocol stack for sensor networks
CN104185280A (zh) 分布式无线网络中的链路的调度优先级的确定方法及装置
CN114938526A (zh) 一种数据传输方法、装置、网络架构的分簇方法及装置
CN104010344B (zh) 一种基于协作组的无线传感器网络虚拟mimo通信策略
CN113395669A (zh) 一种LoRa组网方法及节点集抄方法及网络服务器
CN112738759B (zh) 一种用于长链状网络结构的多信道并行通信系统及方法
CN109688557B (zh) 一种协作节点选择方法、装置
KR20080098263A (ko) 애드혹(Ａｄ-ｈｏｃ) 네트워크에서의 통신 방법
CN115665860B (zh) 一种基于候鸟群特性的无人机自组网的资源分配方法
Dziri et al. Performance analysis of MIMO cooperative relays for wireless sensor networks
CN110022562B (zh) 一种用于移动自组织网络的分布式信道分配控制方法
CN111106856B (zh) 一种协作中继网络及其传输方法
CN108040346B (zh) 高动态地空网络的自动中继方法
CN116867075B (zh) 一种蜂窝和d2d用户聚类网络中的信道分配方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant