專利名稱：移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)及其自維護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種移動傳感器網(wǎng)絡(luò)端對端的通信鏈路自維護系統(tǒng)及其自維護方法，屬于無線通信鏈路維護及移動節(jié)點自主控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，將大量節(jié)點快速有效地部署在敏感區(qū)域已 經(jīng)成為可能。這些智能的傳感器節(jié)點能夠自組織的形成有效的拓撲結(jié)構(gòu)，并根據(jù)周邊環(huán)境 及時改變網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。然而，在某些環(huán)境中，例如鄰居節(jié)點間距較大、城市高樓遮蔽、地下隧 道以及電池能耗等環(huán)境下，節(jié)點間的通信質(zhì)量會受到嚴重影響。正如手機信號在該類環(huán)境 中失效一樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也非常容易出現(xiàn)通信鏈路中斷。當(dāng)這種中斷出現(xiàn)在關(guān)鍵節(jié)點 (路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點)時，會引起整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，繼而無法執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。例如在震后搜 救中，盡管搜救機器人攜帶較強的通信組件，但由于其處于不斷變化的惡劣環(huán)境中，隨時會 出現(xiàn)執(zhí)行器與基站的通信鏈路中斷，這種中斷所帶來的不僅是任務(wù)重部署的繁重，更有可 能失去執(zhí)行任務(wù)的機會。當(dāng)前的靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)部署，便不能在物理上改變其自身位 置，也就無法實現(xiàn)端到端的通信鏈路質(zhì)量最大化。對于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)(Mobile Sensor Networks, MSN)而言，由于加入了可控機動能力的移動節(jié)點，當(dāng)出現(xiàn)上述通信問題時，通過 控制這些移動節(jié)點，可以快速有效地恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信能力，并且優(yōu)化通信鏈路，實現(xiàn)整體能耗 最低，網(wǎng)絡(luò)壽命延長。維護網(wǎng)絡(luò)通信鏈路在當(dāng)前面臨著許多挑戰(zhàn)，主要反映為兩部分問題一是通信鏈 路質(zhì)量的實時監(jiān)測；二是移動節(jié)點分布式控制方法。在移動通信領(lǐng)域，端到端的鏈路質(zhì)量可 以由信噪比、天線角度、接受信號強度、丟包率等參數(shù)來反映，而在移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單單 用上述一個參數(shù)去衡量信號質(zhì)量并不能反映網(wǎng)絡(luò)整體性能。當(dāng)前的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域主 要利用Shannon-Hartley定理中某一個參數(shù)來衡量移動傳感器網(wǎng)絡(luò)端對端的通信質(zhì)量。例 如采用測量信噪比SNR(Signal-t0-N0ise Ratio)來反映實時鏈路質(zhì)量，然而在實際環(huán)境 中，該模型卻很難得以實現(xiàn)，SNR測量值也較難獲得；此外，利用無線接收信號強度(RSSI) 直接反映移動節(jié)點間的鏈路質(zhì)量也是當(dāng)前該領(lǐng)域的主要技術(shù)手段，然而由于RSSI只能反 映接收場強，若節(jié)點至于高噪聲區(qū)域時，該參數(shù)不能完全反映通信質(zhì)量。另外，通過測量無 線數(shù)據(jù)丟包率來反映通信鏈路質(zhì)量的方法也常被采納，然而對于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，由 于其高機動性及網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快等特點，該參數(shù)很難作為控制系統(tǒng)的反饋因子，從而無法 實現(xiàn)移動傳感器網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。關(guān)于大規(guī)模分布式機器人的控制算法近年來也出現(xiàn)在許多重要會議及期刊上。這 些算法基本上可以分為集中式(centralized)和分布式(decentralized)兩種。選擇集中 式還是分布式控制方法取決于系統(tǒng)資源是否承受。對于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，如果采用集 中式控制決策，處于決策層的移動節(jié)點一旦出現(xiàn)異常情況或受環(huán)境影響而癱瘓，那么整個 網(wǎng)絡(luò)將變得十分脆弱。另外，信號冗余和響應(yīng)時間往往是限制集中式控制方法工作的因素。 Tan結(jié)合Delaimay三角化和人工勢場法的分布式控制決策能夠在全局未知的情況下，利用有限的鄰居節(jié)點信息，調(diào)整移動節(jié)點的位置從而實現(xiàn)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)。相似的是，Dixon提出了一 種使用極值尋取法(Extremum Seeking)的分布式機器人控制方法，該算法旨在最大化鏈路 帶寬。通過不同平臺下的實驗對比，利用該方法可以有效地解決局部鏈路通信堵塞，平均各 節(jié)點的工作負擔(dān)，合理利用帶寬。然而，直接針對于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)自維護的分布式控制方 法并不多見，傳統(tǒng)的算法不能直接套用，因此有必要設(shè)計一種新的、針對性強的移動節(jié)點控 制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提出一種能有效評估移動節(jié)點間通信鏈路質(zhì)量的，且能利用移 動節(jié)點分布式控制方法實現(xiàn)節(jié)點與基站通信鏈路自維護的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其自維 護方法，以實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中的通信鏈路維護工作，確保端對端的通信順暢。本發(fā)明的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)，包括頭節(jié)點、基站和η個移動節(jié) 點，η為大于2的自然數(shù)，基站的位置固定，由移動節(jié)點維護頭節(jié)點與基站之間的通信鏈路， 頭節(jié)點與基站之間采用多跳通信方式進行信息傳遞?；谏鲜鲆苿觽鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)的自維護方法，包括通信鏈路質(zhì)量 判定方法和分布式控制流程，內(nèi)容如下
(一 )通信鏈路質(zhì)量判定方法的步驟如下(1)對于任意的移動節(jié)點i，首先進行初始化；(2)移動節(jié)點i計算自身坐標(biāo)(Xi, Yi)；(3)移動節(jié)點i測量與其任意的鄰居節(jié)點j之間的丟包率Pij ；(4)對步驟(3)得到的丟包率Pij大小做出判斷當(dāng)Pij < P，則移動節(jié)點i與鄰 居節(jié)點j失去通信，系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點做重部署；當(dāng)Pij ^ P，則移動節(jié)點i測量與 鄰居節(jié)點j之間的實時吞吐量Rij ；(5)對步驟(4)得到的實時吞吐量Rij大小做出判斷當(dāng)RijCR,則移動節(jié)點i測 量與鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度，對該測量值樣本做奇異值剔除和平均化處理， 得到Δ。_，對移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量賦值為Δ。_ ；當(dāng)Rij ^ R，則對移
動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量賦值為
R、— P、(6)移動節(jié)點i將步驟(5)得到的通信鏈路質(zhì)量進行存儲；(7)對上述通信鏈路質(zhì)量與控制系統(tǒng)穩(wěn)定因子Cij的差值做出判斷當(dāng)該差值的絕 對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則移動節(jié)點i進入穩(wěn)定狀態(tài)，自維護結(jié)束；當(dāng)該差值的絕 對值大于等于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則移動節(jié)點i循環(huán)執(zhí)行分布式控制流程，直至該差值 的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子y ij為止；(8)移動節(jié)點i自維護結(jié)束；( 二)分布式控制流程的執(zhí)行步驟如下A.上述移動節(jié)點i采集自身坐標(biāo)(Xi，Yi)；B.當(dāng)頭節(jié)點運動狀態(tài)為停止，則給運行參數(shù)清零，跳出循環(huán)；當(dāng)頭節(jié)點呈運動狀 態(tài)，則執(zhí)行l(wèi)ength(x)長度的循環(huán)指令；C.執(zhí)行步驟B中的循環(huán)指令移動節(jié)點i測量與其所有的鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度，選取測量值最小的鄰居節(jié)點jmin，存儲該鄰居節(jié)點jmin的坐標(biāo)(xneiynew)， 計算移動節(jié)點i與該鄰居節(jié)點jmin之間的虛擬力(f0rcex，f0rcey)，即得出移動節(jié)點i的動 力學(xué)方程，步長取0. Olm 0. Im ；D.每運動一個步長后，移動節(jié)點i測量與上述鄰居節(jié)點jmin之間的通信鏈路質(zhì)量， 并對該通信鏈路質(zhì)量與控制系統(tǒng)穩(wěn)定因子 的差值做出判斷當(dāng)該差值的絕對值小于系 統(tǒng)允許誤差因子μ…則退出循環(huán)；當(dāng)該差值的絕對值大于等于系統(tǒng)允許誤差因子Pij，則 轉(zhuǎn)入步驟B，直至該差值的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ ,j為止；所述鄰居節(jié)點j是移動節(jié)點i的單跳鄰居節(jié)點；以上內(nèi)容中i和j均為移動節(jié)點的編號，i ^ j ； P為丟包率閾值；R為吞吐量閾 值；Δ u為移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度平均值；為移動節(jié)點i與 鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度值；R'為在吞吐量是閾值R時測得的無線接收信號強 度值；P ‘為在丟包率是閾值P時測得的無線接收信號強度值；Iength(X)為移動節(jié)點i 的單跳鄰居節(jié)點數(shù)量。本發(fā)明將傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與移動機器人技術(shù)相結(jié)合，利用無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)多跳通信的優(yōu)勢，結(jié)合無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了以Matlab為運行平臺的移動節(jié) 點分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)移動節(jié)點自適應(yīng)地根據(jù)有限信息協(xié)作運動，解決了惡劣環(huán)境下傳 統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理上難以自主修復(fù)等弊端。本發(fā)明系統(tǒng)適用于應(yīng)急救援、緊急通信等 突發(fā)情況，如野外搜救、井下救援、化學(xué)品泄漏等人不可及的危險任務(wù)時的通信鏈路維護工 作，有利于災(zāi)害事故的搶救；本發(fā)明提出的移動節(jié)點分布式控制方法是基于未知地圖分布 式方法，利用移動節(jié)點機動能力的優(yōu)勢，實現(xiàn)了在危險環(huán)境中端對端通信鏈路中斷的實時 修復(fù)，改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的修復(fù)能力，推進了傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實用化進程， 給危險現(xiàn)場的信息采集與傳輸提供了保障。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1、頭節(jié)點；2、攜帶傳感器的操作人員；3、 環(huán)境中的障礙物；4、基站；5、通信鏈路；6、移動節(jié)點。圖2為本發(fā)明中移動節(jié)點的兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中移動節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明中移動節(jié)點的程序模塊結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明系統(tǒng)的運行方法流程圖.圖6為本發(fā)明中移動節(jié)點的自維護方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括頭節(jié)點、基站和η個移動節(jié)點，η為大于2的自然數(shù)，根據(jù) 目前情況，這里取η e [3，255]，基站的位置固定，由移動節(jié)點維護頭節(jié)點與基站之間的通 信鏈路，頭節(jié)點與基站之間采用多跳通信方式進行信息傳遞。如圖1所示，頭節(jié)點1也是移 動節(jié)點，頭節(jié)點1即前往危險區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的可移動節(jié)點；攜帶傳感器的操作人員2能夠在 其通信范圍內(nèi)與移動節(jié)點6進行信息交互，獲取頭節(jié)點1采集的信息；環(huán)境中的障礙物3， 例如高山、湖泊等，這些障礙物是阻礙節(jié)點與節(jié)點、人與節(jié)點間通信的因素；基站4主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯總和數(shù)據(jù)上傳；頭節(jié)點1、移動節(jié)點6和基站4之間通過通信鏈路5實現(xiàn)信 息傳遞，構(gòu)成移動傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)頭節(jié)點1需要執(zhí)行搜救任務(wù)時，移動節(jié)點6會根據(jù)通信鏈 路的變化而做出位置上的改變，從而確保從頭節(jié)點1到基站4之間的數(shù)據(jù)傳輸。所述頭節(jié) 點1和移動節(jié)點6均采用攜帶溫度、濕度、光強和磁場傳感器的自主車輛或分布式機器人。本發(fā)明中移動節(jié)點的兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于受硬 件條件的約束，對于高帶寬高質(zhì)量視頻傳輸?shù)膽?yīng)用不能得以滿足。由于本系統(tǒng)平臺中的移 動節(jié)點同時參與ad-hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，因此能夠勝任例如移動視頻實時通信等應(yīng)用。也 就是說，將移動ad-hoc網(wǎng)絡(luò)通過無線網(wǎng)關(guān)與Internet連接，結(jié)合了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢， 利用該平臺可以在任何地點任何時刻獲取敏感區(qū)域信息，而這些應(yīng)用是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)無法實現(xiàn)的。圖中通過TMote平臺構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過PC級處理單元的網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)建 移動ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同的應(yīng)用需求。處理單元分別通過Robot Control GUI接口和ARIA接口與執(zhí)行模塊連接，將應(yīng)用需求指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行模塊的控制命令。本發(fā)明中移動節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)點按模塊化設(shè)計方法組建，分別包 括電源模塊、處理器模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器模塊。其中電源模塊由12伏 鋰電池和DC-DC分壓處理器組合而成，可以為其他模塊提供不同的電壓；處理器模塊采用 PC104+單板機，由電源模塊提供12V電壓驅(qū)動，負責(zé)各路輸入數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行模塊控制 命令的輸出；網(wǎng)絡(luò)模塊包括基于ZIGBEE的TMote節(jié)點和基于802. llb/g兼容的網(wǎng)絡(luò)適配 器，Tmote節(jié)點運行基于嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS的程序，通過2. 4GHz的天線與其他Mote 通信，移動ad-hoc網(wǎng)絡(luò)則通過網(wǎng)絡(luò)適配器與其他節(jié)點通信，運行基于Matlab的M程序； 傳感器模塊由商業(yè)化組件構(gòu)建而成，包括視頻采集單元、GPS、超聲陣列和傳感器板，采用 LOGITECH的網(wǎng)絡(luò)攝像頭作為視頻采集單元；Garmin GPS25-LVS模塊作為GPS單元，負責(zé)移 動節(jié)點自身坐標(biāo)的確定，十二組Sharp GP2D12型紅外PSD測距器按30度夾角裝配于底盤周 邊，可以在移動節(jié)點運行中實現(xiàn)避障功能，傳感器板采用的是MTS300CA型集成板，負責(zé)溫 度、濕度、光照和磁場的數(shù)據(jù)采集；執(zhí)行器模塊包括電機驅(qū)動電路及履帶式差分四輪底盤， 適用于室外的移動節(jié)點平面運動。本發(fā)明中移動節(jié)點的程序模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。該程序模塊是基于Matlab平臺 的M程序，可以通過Matlab 7. O以上版本編譯后執(zhí)行。由于Matlab具有較好的算法執(zhí)行 能力和較多的功能組件，可以根據(jù)不同的任務(wù)快速開發(fā)出相應(yīng)程序。本發(fā)明中程序模塊的 各組件功能如下數(shù)據(jù)輸入負責(zé)視頻數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換；圖像獲取視頻數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為三維矩陣；字節(jié)序列轉(zhuǎn)換將三維矩陣轉(zhuǎn)換為一維向量，即降維功能；路由層協(xié)議棧實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓪涌刂茀f(xié)議；TCP/UDP/IP工具箱實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗AC層控制協(xié)議；發(fā)送/接收/中繼分別實現(xiàn)移動節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)功能；控制單元根據(jù)任務(wù)需求，控制各功能組件的打開、關(guān)閉、執(zhí)行等；控制接口 負責(zé)Mote程序的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；圖像/視頻再生實現(xiàn)一維數(shù)據(jù)流的圖像重建，即將字節(jié)序列轉(zhuǎn)化為視頻信號；節(jié)點命令負責(zé)傳感器板的數(shù)據(jù)采集，即溫度、磁場等信號采集；
數(shù)據(jù)輸出圖像/視頻數(shù)據(jù)輸出。在執(zhí)行任務(wù)時，頭節(jié)點將采集的視頻數(shù)據(jù)通過Image Acquisition組件轉(zhuǎn)化為三維矩陣，隨后通過Byte Sequence組件實現(xiàn)三維矩陣降維，并在路由層和MAC層控制協(xié)議 下，根據(jù)Control Unit組件的命令，實現(xiàn)發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)功能。各移動節(jié)點根據(jù)自身的位 置實現(xiàn)不同的功能，部分節(jié)點實現(xiàn)中繼功能即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其鄰居節(jié)點，通過多跳通信的 方式傳輸至基站?；窘邮軘?shù)據(jù)后，通過Image/video Regeneration組件實現(xiàn)視頻信號的 還原，同時由于數(shù)據(jù)包中還包括了 Mote Commands組件提供的溫度、濕度等環(huán)境信息，最終 由Data output組件負責(zé)數(shù)據(jù)顯示。本發(fā)明系統(tǒng)的運行方法流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，基站向移動節(jié)點發(fā)送命 令，若要求自維護停止，則退出自維護程序；否則，頭節(jié)點根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)當(dāng)任務(wù) 為通信鏈路修復(fù)時，頭節(jié)點呈固定狀態(tài)，其余移動節(jié)點執(zhí)行圖6所示的自維護方法，系統(tǒng)中 僅頭節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)采集，其余節(jié)點承擔(dān)中繼任務(wù)；當(dāng)任務(wù)為自擴展時，頭節(jié)點向敏感區(qū)域運 動，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點均進行數(shù)據(jù)采集，移動節(jié)點執(zhí)行圖6所示的自維護方法；當(dāng)任務(wù)為自優(yōu)化 時，頭節(jié)點停止運動，頭節(jié)點不承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，移動節(jié)點執(zhí)行圖6所示自維護方法。任 務(wù)結(jié)束后，移動節(jié)點計算自身運動軌跡，以多跳通信方式將數(shù)據(jù)包傳回基站，此后，系統(tǒng)停 止工作，等待基站再次發(fā)送命令。本發(fā)明移動節(jié)點的自維護方法流程如圖6所示。經(jīng)實驗證實，丟包率Pij雖然不能 作為控制系統(tǒng)的入口因子，但是可以作為判定鏈路中斷的輔助參數(shù)，丟包率閾值P在不同 環(huán)境中的估計值不同，若丟包率大于等于P，則測量與單跳鄰居節(jié)點j間的實時吞吐量Rijt5 經(jīng)實驗分析可知，實時吞吐量Rij可以作為判定通信鏈路質(zhì)量的輔助參數(shù)，對比于無線接收 信號強度(RSSI)而言，吞吐量受移動節(jié)點速度的影響較小，在復(fù)雜環(huán)境中運動時的適應(yīng)性 強。當(dāng)移動節(jié)點測量的吞吐量低于R時，則進行無線接收信號強度測量，RSSI是接收信號 的強度指示，它的實現(xiàn)是在反向通道基帶接收濾波器之后進行的。嚴格意義上，RSSI并不 是一種穩(wěn)定的測量值，會受多路徑衰減和障礙遮蔽的影響而波動，但經(jīng)實驗證實，通過合理 篩選數(shù)據(jù)可以得出RSSI與通信質(zhì)量的非線性關(guān)系。該自維護方法包括通信鏈路質(zhì)量判定方法和分布式控制流程，內(nèi)容如下(一 )通信鏈路質(zhì)量判定方法的步驟如下(1)對于任意的移動節(jié)點i，首先進行初始化；(2)移動節(jié)點i計算自身坐標(biāo)(Xi，Yi)；(3)移動節(jié)點i測量與其任意的單跳鄰居節(jié)點j之間的丟包率Pij ；(4)對步驟(3)得到的丟包率Pij大小做出判斷當(dāng)Pij < P，則移動節(jié)點i與鄰 居節(jié)點j失去通信，系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點做重部署；當(dāng)Pij ^ P，則移動節(jié)點i測量與 鄰居節(jié)點j之間的實時吞吐量Rij ；(5)對步驟(4)得到的實時吞吐量Rij大小做出判斷當(dāng)、<! ，則移動節(jié)點i測 量與鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度(RSSI)，對該測量值樣本做奇異值剔除和平均化 處理，得到Aij，對移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量賦值為Aij ；當(dāng)Rij彡R，則
對移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量賦值為<formula>formula see original document page 8</formula>(6)移動節(jié)點i將步驟(5)得到的通信鏈路質(zhì)量進行存儲；
(7)對上述通信鏈路質(zhì)量與控制系統(tǒng)穩(wěn)定因子Cij的差值做出判斷當(dāng)該差值的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則移動節(jié)點i進入穩(wěn)定狀態(tài)，自維護結(jié)束；當(dāng)該差值的絕對值大于等于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則移動節(jié)點i循環(huán)執(zhí)行分布式控制流程，直至該差值的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ ij為止；(8)移動節(jié)點i自維護結(jié)束；( 二 )分布式控制流程當(dāng)頭節(jié)點為目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)時，移動節(jié)點執(zhí)行該流程，執(zhí)行步驟如下A.上述移動節(jié)點i采集自身坐標(biāo)(Xi，Yi)；B.當(dāng)頭節(jié)點運動狀態(tài)為停止，則給運行參數(shù)GO清零，跳出循環(huán)；當(dāng)頭節(jié)點呈運動狀態(tài)，則執(zhí)行Iength(X)長度的循環(huán)指令；C.執(zhí)行步驟B中的循環(huán)指令移動節(jié)點i測量與其所有的單跳鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度，選取測量值最小的鄰居節(jié)點jmin，存儲該鄰居節(jié)點jmin的坐標(biāo)(xnew，ynew)，計算移動節(jié)點i與該鄰居節(jié)點jmin之間的虛擬力(forcex，forcey)，即得出移動節(jié)點i的動力學(xué)方程，這里步長取0. Olm ；D.每運動一個步長后，移動節(jié)點i測量與上述鄰居節(jié)點jmin之間的通信鏈路質(zhì)量，并對該通信鏈路質(zhì)量與控制系統(tǒng)穩(wěn)定因子 的差值做出判斷當(dāng)該差值的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則退出循環(huán)；當(dāng)該差值的絕對值大于等于系統(tǒng)允許誤差因子Pij，則轉(zhuǎn)入步驟B，直至該差值的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ ,j為止；以上內(nèi)容中i和j均為移動節(jié)點的編號，i興j ;Ρ為丟包率閾值，單位為吞吐量閾值，單位kbps ；Aij為移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度平均值，單位-dBm ； Vij為移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度值，單位-dBm ；R'為在吞吐量是閾值R時測得的無線接收信號強度值，單位-dBm;P ‘為在丟包率是閾值P時測得的無線接收信號強度值，單位-dBm;length(X)為移動節(jié)點i的單跳鄰居節(jié)點數(shù)量。上述分布式控制流程的偽代碼如下Data [x, y]after self-healingResult StabIe status after tethering所有節(jié)點執(zhí)行的分布式控制程序；if lead node stops thenGo = 0 ;break ；elseLead node keeps moving ；for i = 1 length (x) doFind one-hop neighbors ；Get [xnew, ynew]；Dist = sqrt ((x~xnew (i))2+ (y-ynew (i))2)；[m，ind] = min(dist)；Generate forcex, forcey ；move[xnew, ynew]；
endend.
權(quán)利要求
一種移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)，其特征在于包括頭節(jié)點、基站和n個移動節(jié)點，n為大于2的自然數(shù)，基站的位置固定，由移動節(jié)點維護頭節(jié)點與基站之間的通信鏈路，頭節(jié)點與基站之間采用多跳通信方式進行信息傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)，其特征在于所述頭節(jié) 點和移動節(jié)點均采用自主車輛節(jié)點或分布式機器人節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)，其特征在于所述頭節(jié) 點和移動節(jié)點上均裝有溫度、濕度、光強和磁場傳感器。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)的自維護方法，其 特征在于包括通信鏈路質(zhì)量判定方法和分布式控制流程，內(nèi)容如下(一)通信鏈路質(zhì)量判定方法的步驟如下(1)對于任意的移動節(jié)點i，首先進行初始化；(2)移動節(jié)點i計算自身坐標(biāo)(Xi，Yi)；(3)移動節(jié)點i測量與其任意的鄰居節(jié)點j之間的丟包率Pij；(4)對步驟(3)得到的丟包率大小做出判斷當(dāng)<P，則移動節(jié)點i與鄰居節(jié) 點j失去通信，系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點做重部署；當(dāng)Pij ^ P，則移動節(jié)點i測量與鄰居 節(jié)點j之間的實時吞吐量Rij;(5)對步驟⑷得到的實時吞吐量Rij大小做出判斷當(dāng)Rij<R，則移動節(jié)點i測量與 鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度，對該測量值樣本做奇異值剔除和平均化處理，得到 Aij，對移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量賦值為Aij ；當(dāng)Rij ^ R，則對移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量賦值為<formula>formula see original document page 2</formula>;(6)移動節(jié)點i將步驟(5)得到的通信鏈路質(zhì)量進行存儲；(7)對上述通信鏈路質(zhì)量與控制系統(tǒng)穩(wěn)定因子Cij的差值做出判斷當(dāng)該差值的絕對值 小于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則移動節(jié)點i進入穩(wěn)定狀態(tài)，自維護結(jié)束；當(dāng)該差值的絕對值 大于等于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則移動節(jié)點i循環(huán)執(zhí)行分布式控制流程，直至該差值的絕 對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ ij為止；(8)移動節(jié)點i自維護結(jié)束；(二)分布式控制流程的執(zhí)行步驟如下A.上述移動節(jié)點i采集自身坐標(biāo)(Xi，Yi)；B.當(dāng)頭節(jié)點運動狀態(tài)為停止，則給運行參數(shù)清零，跳出循環(huán)；當(dāng)頭節(jié)點呈運動狀態(tài)，則 執(zhí)行Iength(X)長度的循環(huán)指令；C.執(zhí)行步驟B中的循環(huán)指令移動節(jié)點i測量與其所有的鄰居節(jié)點j之間的無線接收 信號強度，選取測量值最小的鄰居節(jié)點jmin，存儲該鄰居節(jié)點jmin的坐標(biāo)(xneiynew)，計算 移動節(jié)點i與該鄰居節(jié)點jmin之間的虛擬力(forcex，forcey)，即得出移動節(jié)點i的動力學(xué) 方程，步長取0.01m 0. Im ；D.每運動一個步長后，移動節(jié)點i測量與上述鄰居節(jié)點jmin之間的通信鏈路質(zhì)量，并對 該通信鏈路質(zhì)量與控制系統(tǒng)穩(wěn)定因子 的差值做出判斷當(dāng)該差值的絕對值小于系統(tǒng)允 許誤差因子μ…則退出循環(huán)；當(dāng)該差值的絕對值大于等于系統(tǒng)允許誤差因子μ…則轉(zhuǎn)入步驟B，直至該差值的絕對值小于系統(tǒng)允許誤差因子μ ,j為止；以上內(nèi)容中i和j均為移動節(jié)點的編號，i興j ； P為丟包率閾值；R為吞吐量閾值； Aij為移動節(jié)點i與鄰居節(jié)點j之間的無線接收信號強度平均值；Ψ。.為移動節(jié)點i與鄰 居節(jié)點j之間的無線接收信號強度值；R'為在吞吐量是閾值R時測得的無線接收信號強度 值；P ‘為在丟包率是閾值P時測得的無線接收信號強度值；Iength(X)為移動節(jié)點i的 單跳鄰居節(jié)點數(shù)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)的自維護方法，其特征 在于所述鄰居節(jié)點j是移動節(jié)點i的單跳鄰居節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信鏈路自維護系統(tǒng)及其自維護方法，屬于無線通信鏈路維護及移動節(jié)點自主控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括頭節(jié)點、基站和至少三個移動節(jié)點，基站的位置固定，由移動節(jié)點維護頭節(jié)點與基站之間的通信鏈路，頭節(jié)點與基站之間采用多跳通信方式進行信息傳遞，基站負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)上傳。該系統(tǒng)的自維護方法包括通信鏈路質(zhì)量判定方法和分布式控制流程，該方法利用移動節(jié)點采集丟包率、實時吞吐量和無線接收信號強度，根據(jù)環(huán)境因素選擇不同的參數(shù)組合作為控制系統(tǒng)反饋因子，實現(xiàn)移動節(jié)點的隊形變換，從而維護頭節(jié)點與基站間的通信鏈路。本發(fā)明實現(xiàn)了端對端通信鏈路中斷的實時修復(fù)，給危險環(huán)境的信息采集與傳輸提供了保障。
文檔編號H04W24/00GK101801017SQ201010102549
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者劉云平, 劉佳, 唐慧強, 莊偉 申請人:南京信息工程大學(xué)