無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路質(zhì)量估計方法及多基站動態(tài)切換方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路質(zhì)量估計方法及多基站動態(tài)切換方法。該多跳鏈路質(zhì)量估計方法包括以下步驟：對于無線網(wǎng)絡(luò)中由一個節(jié)點及其鄰居節(jié)點構(gòu)成的每個單跳鏈路，根據(jù)該節(jié)點的剩余電量以及該單跳鏈路的丟包率來確定該單跳鏈路的質(zhì)量估計值；以及對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由多個單跳鏈路構(gòu)成的多跳鏈路，通過將所述多個單跳鏈路的質(zhì)量估計值累加而得到該多跳鏈路的質(zhì)量估計值。在本發(fā)明的多基站動態(tài)切換方法中，各個基站相互通信以根據(jù)各自的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值來協(xié)商確定全網(wǎng)鏈路質(zhì)量最優(yōu)的基站，并使無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點將路由切換到該最優(yōu)基站。本發(fā)明能夠增強路由協(xié)議的能耗均衡性，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，并且能夠提高路由協(xié)議的傳輸可靠性。
【專利說明】無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路質(zhì)量估計方法及多基站動態(tài)切換方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地涉及無線網(wǎng)絡(luò)中的多跳鏈路質(zhì)量估計及多基站動態(tài)切換。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是無線傳感網(wǎng)技術(shù)獲得了較快發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、無線抄表等多個領(lǐng)域?；诼酚山粨Q的路由協(xié)議是一種適合于中等規(guī)模的無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，具有能耗較低、可靠性較高的特點。各節(jié)點按照該路由協(xié)議建立到基站的無線連接，組成具有特定拓撲結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)。例如，對于無線傳感網(wǎng)，在傳感器節(jié)點的運算、存儲、供能受限的背景下，優(yōu)秀的路由協(xié)議是組建穩(wěn)定可靠、低功耗、壽命長的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必要條件。
[0003]然而，目前針對無線網(wǎng)絡(luò)提出的基于路由交換的路由協(xié)議有以下問題:鏈路質(zhì)量估計僅采用鏈路丟包率作為衡量標準，使得路由協(xié)議的能耗均衡性差，即無線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能耗不平衡，靠近簇頭的節(jié)點的能耗顯著高于網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點的能耗，這降低了網(wǎng)絡(luò)整體的壽命；路由協(xié)議的傳輸可靠性不夠高，在信道環(huán)境差的通信環(huán)境中傳輸可靠性得不到保障。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提出針對無線網(wǎng)絡(luò)的新的多跳鏈路質(zhì)量估計方法以及多基站動態(tài)切換方法，以改進現(xiàn)有的路由協(xié)議。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一種無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路的質(zhì)量估計方法包括以下步驟:對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由一個節(jié)點及其鄰居節(jié)點構(gòu)成的每個單跳鏈路，根據(jù)該節(jié)點的剩余電量以及該單跳鏈路的丟包率來確定該單跳鏈路的質(zhì)量估計值；以及對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由多個單跳鏈路構(gòu)成的多跳鏈路，通過將所述多個單跳鏈路的質(zhì)量估計值累加而得到該多跳鏈路的質(zhì)量估計值。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一種在具有多個基站的無線網(wǎng)絡(luò)中的多基站動態(tài)切換方法包括以下步驟:a)每個基站確定自己到該無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的各條下行路由的多跳鏈路質(zhì)量估計值，并將這些多跳鏈路質(zhì)量估計值累加而得到自己的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值山)各個基站相互通信，以根據(jù)各自的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值來協(xié)商確定具有最優(yōu)全網(wǎng)鏈路質(zhì)量的最優(yōu)基站；c)該最優(yōu)基站向該無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點廣播信息，宣布自己成為新的上行基站，以使得該無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點將路由切換到該最優(yōu)基站；以及d)周期性地重復(fù)步驟a至C，其中，每個基站通過以下方式確定所述多跳鏈路質(zhì)量估計值:對于該基站的每條下行路由中由一個節(jié)點及其鄰居節(jié)點構(gòu)成的每個單跳鏈路，根據(jù)該節(jié)點的剩余電量以及該單跳鏈路的丟包率來確定該單跳鏈路的質(zhì)量估計值；以及對于該基站的每條下行路由的由多個單跳鏈路構(gòu)成的多跳鏈路，通過將所述多個單跳鏈路的質(zhì)量估計值累加而得到該多跳鏈路的質(zhì)量估計值。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，鏈路質(zhì)量估計綜合采用節(jié)點剩余電量與鏈路丟包率作為衡量標準，能夠很好地平衡無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎模苊獠糠止?jié)點過快用盡電量，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。此外，多基站動態(tài)切換使得無線網(wǎng)絡(luò)即使在信道環(huán)境差的通信環(huán)境中也具有較高的傳輸可靠性和穩(wěn)定性，能夠有效提高全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路質(zhì)量估計方法的流程圖；以及
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)中多基站動態(tài)切換方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0010]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路的質(zhì)量估計方法包括以下步驟:對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由一個節(jié)點及其鄰居節(jié)點構(gòu)成的每個單跳鏈路，根據(jù)該節(jié)點的剩余電量以及該單跳鏈路的丟包率來確定該單跳鏈路的質(zhì)量估計值(步驟Sll);以及對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由多個單跳鏈路構(gòu)成的多跳鏈路，通過將所述多個單跳鏈路的質(zhì)量估計值累加而得到該多跳鏈路的質(zhì)量估計值(步驟S12)。
[0011]為了平衡無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?，本發(fā)明綜合采用節(jié)點剩余電量與鏈路丟包率作為單跳鏈路質(zhì)量衡量標準。例如，所述單跳鏈路的質(zhì)量估計值可以按以下公式計算:

I
_2] EET—(1_L) Ett (1)
[0013]其中，EETsingle表示所述單跳鏈路的能量傳輸期望值(Energy ExpectTransmiss1n)即質(zhì)量估計值,L表示所述單跳鏈路的丟包率,E表示所述節(jié)點的剩余電量，α是根據(jù)所述無線網(wǎng)絡(luò)的能耗情況而確定的能量影響因子，其取值范圍優(yōu)選為0.5 < α< 3。當然，本發(fā)明不限于按公式I來計算單跳鏈路的質(zhì)量估計值，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想出其它各種變形公式。此外，所述無線網(wǎng)絡(luò)可以是無線傳感網(wǎng)，所述節(jié)點可以是傳感器節(jié)點。
[0014]至于公式I中的單跳鏈路的丟包率L，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知有多種計算方法。例如，節(jié)點可以通過向其鄰居節(jié)點周期性地發(fā)送路由信息包并接收其鄰居節(jié)點發(fā)送的路由信息包以及數(shù)據(jù)包來統(tǒng)計其鄰居節(jié)點到自身的單跳鏈路的入丟包率。對于兩個節(jié)點中的某一個節(jié)點來說，另一個節(jié)點到該節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸丟包率稱為該節(jié)點的入丟包率，而該節(jié)點到另一個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸丟包率稱為該節(jié)點的出丟包率。路由信息包中包括節(jié)點自身的節(jié)點號、路由信息包序列號、節(jié)點到每一個基站的多跳鏈路質(zhì)量估計值以及節(jié)點的入丟包率。節(jié)點每發(fā)送一個路由信息包，其序列號遞增。
[0015]節(jié)點的路由信息包入丟包率的統(tǒng)計方法如下:節(jié)點每次收到鄰居節(jié)點的路由信息包后記錄其序列號，并對比收到的該鄰居節(jié)點的上一個路由信息包的序列號，兩次序列號的差值△即為鄰居節(jié)點兩次路由信息包發(fā)送之間的路由信息包發(fā)送總數(shù)，Λ-l即為鄰居節(jié)點兩次路由信息包發(fā)送之間的路由信息包丟失總數(shù)，節(jié)點每收到某個鄰居節(jié)點的η個路由信息包，就可統(tǒng)計一次路由信息包的入丟包率Lin，計算公式如下:
,_ Σ.^ι (A1 -1)
[0016]-仏 Δ；⑴
[0017]鄰居節(jié)點發(fā)送的路由信息包中所包含的鄰居節(jié)點的入丟包率即為節(jié)點的出丟包率Lwt，結(jié)合上述按公式2計算出的節(jié)點的入丟包率Lin，即可得到節(jié)點到鄰居節(jié)點的單跳鏈路的路由信息包丟包率U。
[0018]此外，每個節(jié)點可以對自己向其鄰居節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行丟包率統(tǒng)計。若節(jié)點向某一個鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)為t，而其中有m個包收到了該鄰居節(jié)點發(fā)送來的確認，其余t-m個包沒有收到確認，那么該節(jié)點到該鄰居節(jié)點的單跳鏈路的數(shù)據(jù)包丟包率L2 = m/
to
[0019]由此，可以得到節(jié)點到某一個鄰居節(jié)點的單跳鏈路的丟包率L等于路由信息包丟包率L1和數(shù)據(jù)包丟包率L2的平均值。
[0020]通過統(tǒng)計和計算自身到所有鄰居節(jié)點的單跳鏈路質(zhì)量估計值，節(jié)點可以建立自身到所有鄰居節(jié)點的單跳鏈路質(zhì)量估計值表。通過不斷接收鄰居節(jié)點發(fā)送來的路由信息包，節(jié)點可以動態(tài)更新自身到所有鄰居節(jié)點的單跳鏈路質(zhì)量估計值表。
[0021]為了提高路由協(xié)議的傳輸可靠性，本發(fā)明還提出一種在具有多個基站的無線網(wǎng)絡(luò)中的多基站動態(tài)切換方法，如圖2所示，該方法包括以下步驟:
[0022]每個基站確定自己到該無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的各條下行路由的多跳鏈路質(zhì)量估計值，并將這些多跳鏈路質(zhì)量估計值累加而得到自己的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值(步驟S21)，其中，每個基站通過以上結(jié)合圖1描述的方法來確定所述各條下行路由的多跳鏈路質(zhì)量估計值；
[0023]各個基站相互通信，以根據(jù)各自的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值來協(xié)商確定具有最優(yōu)全網(wǎng)鏈路質(zhì)量的最優(yōu)基站(步驟S22)；
[0024]該最優(yōu)基站向該無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點廣播信息，宣布自己成為新的上行基站，以使得該無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點將路由切換到該最優(yōu)基站(步驟S23);以及
[0025]周期性地重復(fù)步驟S21至S23 (步驟S24)。
[0026]例如,每一個基站可以建立一個全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值表，該表中的每一個條目包括某一個基站的編號以及該基站的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值。當某一個基站的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值發(fā)生較大變化時，該基站可以把自己的新全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值發(fā)送給其他所有基站，其他基站接收該新全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值并更新自己的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值表。各個基站可以根據(jù)新的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值表來協(xié)商確定全網(wǎng)鏈路質(zhì)量最優(yōu)的基站。
[0027]此外，所述無線網(wǎng)絡(luò)可以是無線傳感網(wǎng)，所述節(jié)點可以是傳感器節(jié)點。
[0028]以上具體描述了本發(fā)明的一些實施例，這些實施例僅是示例性的而不是限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種無線網(wǎng)絡(luò)中多跳鏈路的質(zhì)量估計方法，包括以下步驟: 對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由一個節(jié)點及其鄰居節(jié)點構(gòu)成的每個單跳鏈路，根據(jù)該節(jié)點的剩余電量以及該單跳鏈路的丟包率來確定該單跳鏈路的質(zhì)量估計值；以及 對于該無線網(wǎng)絡(luò)中由多個單跳鏈路構(gòu)成的多跳鏈路，通過將所述多個單跳鏈路的質(zhì)量估計值累加而得到該多跳鏈路的質(zhì)量估計值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量估計方法，其中，所述單跳鏈路的質(zhì)量估計值按以下公式計算:

I I? TT Ti_ _
— (i—L) E- 其中，EETsingle表示所述單跳鏈路的能量傳輸期望值即質(zhì)量估計值，L表示所述單跳鏈路的丟包率，E表示所述節(jié)點的剩余電量，α是根據(jù)所述無線網(wǎng)絡(luò)的能耗情況而確定的能量影響因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)量估計方法，其中，所述無線網(wǎng)絡(luò)是無線傳感網(wǎng)，所述節(jié)點是傳感器節(jié)點。
4.一種在具有多個基站的無線網(wǎng)絡(luò)中的多基站動態(tài)切換方法，包括以下步驟: a)每個基站確定自己到該無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的各條下行路由的多跳鏈路質(zhì)量估計值，并將這些多跳鏈路質(zhì)量估計值累加而得到自己的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值； b)各個基站相互通信，以根據(jù)各自的全網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計值來協(xié)商確定具有最優(yōu)全網(wǎng)鏈路質(zhì)量的最優(yōu)基站； c)該最優(yōu)基站向該無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點廣播信息，宣布自己成為新的上行基站，以使得該無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點將路由切換到該最優(yōu)基站；以及 d)周期性地重復(fù)步驟a至C， 其中，每個基站通過以下方式確定所述多跳鏈路質(zhì)量估計值: 對于該基站的每條下行路由中由一個節(jié)點及其鄰居節(jié)點構(gòu)成的每個單跳鏈路，根據(jù)該節(jié)點的剩余電量以及該單跳鏈路的丟包率來確定該單跳鏈路的質(zhì)量估計值；以及 對于該基站的每條下行路由的由多個單跳鏈路構(gòu)成的多跳鏈路，通過將所述多個單跳鏈路的質(zhì)量估計值累加而得到該多跳鏈路的質(zhì)量估計值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多基站動態(tài)切換方法，其中，所述單跳鏈路的質(zhì)量估計值按以下公式計算: ■呵b = (1-L) E- 其中，EETsingle表示所述單跳鏈路的能量傳輸期望值即質(zhì)量估計值，L表示所述單跳鏈路的丟包率，E表示所述節(jié)點的剩余電量，α是根據(jù)所述無線網(wǎng)絡(luò)的能耗情況而確定的能量影響因子。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的多基站動態(tài)切換方法，其中，所述無線網(wǎng)絡(luò)是無線傳感網(wǎng)，所述節(jié)點是傳感器節(jié)點。
【文檔編號】H04W28/08GK104270783SQ201410542728
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】李亞, 姜世英, 王鵬軍, 華浩, 費曉天, 湯韜, 華學(xué)明, 鄭青波 申請人:北京源清慧虹信息科技有限公司