一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種高效可靠的基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法及裝置。通常，在無線傳感器網絡的每個信道上，存在協調器節點和多個采集節點，其中節點必須工作在一個相同的信道上。優選地，所述采集節點可以是各種類型的無線移動終端。采集節點通過樹狀的通信鏈路逐層地將其采集的數據發送給協調器節點，以達到數據匯聚采集的效果。
【專利說明】一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法及裝置
【技術領域】
[0001]一般地，本發明涉及無線傳感器網絡，并且具體地，涉及一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法及裝置。
【背景技術】
[0002]現代社會已經使用并正變得依賴于無線通信技術，由于無線通信設備的快速開發，出現了能夠實現完全新類型的通信應用的多個領域。蜂窩網絡便于在大型地理區域上的通信。這些網絡技術通常按世代來劃分，從二十世紀七十年代晚期開始，到二十世紀八十年代早期提供基本語音通信的第一代(IG)模擬蜂窩電話，再到當代的數字蜂窩電話。GSM是廣泛采用的2G數字蜂窩網絡的實例，它在歐洲以900MHZ / 1.8GHZ的頻帶通信而在美國以850MHz和1.9GHZ通信。盡管例如GSM的遠距離通信網絡是用于發送和接收數據的被普遍接受的手段，但是由于成本、業務和法律問題，這些網絡可能不適合于所有數據應用。
[0003]短距離通信技術提供了避免在大型蜂窩網絡中出現的某些問題的通信方案。通用的短距離通信技術包括藍牙、IEEE802.11無線局域網(WLAN)、無線USB(WUSB)、超寬帶(UffB) ,ZigBee (IEEE802.15.4、IEEE802.15.4a)、和超高頻射頻識別(UHF RFID)技術。所有這些無線通信技術具有使得它們適合于各種應用的特征和優點。
[0004]其中，基于IEEE802.15.4的無線傳輸技術，例如Zigbee，由于其低能量消耗、低速率傳輸、低成本的特點，近年來被大量地應用于環境數據采集，工業監控，軍事等領域中一些對數據率要求不高但功耗要求較高的應用場景。
[0005]目前傳統的無線傳感器數據采集網絡，主要采取如下的工作方式:網絡中存在一個無線網關和若干個無線數據采集節點，無線網關和多個無線數據采集節點都工作在一個無線信道上，采集節點周期性地向無線網關發送采集的數據。這樣的工作方式，當網絡中采集節點的數量達到一定規模時，將導致大量無線信道的競爭訪問，使一些網絡節點長期無法獲取信道的使用權，從而使其數據丟失，造成整個網絡性能的下降。為了避免在單一的物理信道上發生過多的信道競爭訪問，需要對信道進行調度，使一些節點工作在一個信道上另一些節點工作在另一個不同的信道上，以此降低單一信道上節點對物理信道訪問的沖突。而現存的一些無線信道調度方法，大多需要大量的網絡原始信息，使得信道調度這個過程本身會消耗大量的網絡資源和計算資源。并且，在實際的應用場景中，無線網絡中的網關節點和數據采集節點大多使用廉價的處理器芯片，芯片內部資源大多非常有限。大量的數據計算一方面可能帶來較高的能耗，另一方面有可能芯片本身就無法進行高數據量的計算操作。
[0006]例如，杭州電子科技大學的專利“一種面向容量擴充的無線傳感網多信道調度方法”(專利申請號:201210179612.2)。該專利公開了一種無線傳感網的多信道調度方法，給每棵子樹分配不同的信道，通過引入協調節點，來減少節點信道切換次數和工作在不同信道上節點間的通信頻率，從而使各子樹的網絡負載達到平衡，提高整個網絡的吞吐量。該專利公開的設備存在的不足是，在進行信道調度之前，需要收集的信息較多，過于復雜。例如，在子樹建立時，節點發送的Beacon包需要包括送節點到網關節點的跳數、路徑期望傳輸次數PETX和發送節點ID。這就要求節點必須具有一定的處理能力，并且節點本身應該對網絡的拓撲結構具有一定的感知。而該事實在實際的應用中并不一定成立。因此，該專利所提出的方法具有一定的局限性。
[0007]為了解決現有技術中的缺陷，需要提供一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法及裝置。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種高效可靠的基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法及裝置。通常，在無線傳感器網絡的每個信道上，存在一個協調器(例如，無線網關)節點和多個采集節點，其中節點必須工作在一個相同的信道上。優選地，所述采集節點可以是各種類型的無線移動終端。采集節點通過樹狀的通信鏈路逐層地將其采集的數據發送給協調器節點，以達到數據匯聚采集的效果。
[0009]然而，在實際環境中，如果在單一信道上聚集的采集節點過多，將導致該信道上的信道競爭沖突加劇，從而使部分采集節點始終難以獲得物理信道的使用權，進而導致采集節點發送數據的丟失。因此，在實際中，無線傳感器網絡通常采用多個信道，每個信道上都設置一個協調器負責該信道上數據的采集。顯然，每個信道在邏輯上形成了一棵通信樹，而整個無線傳感器網絡就是由每個信道上的樹組成的森林，如圖1所示。如何將每個采集節點分配到合適的子樹上，就是信道分配所要解決的問題。
[0010]根據本發明的信道分配方法需要每個無線網關(例如，Zigbee網關)收集一些簡單的網絡數據，并且這些網絡數據來自無線通信終端(例如，Zigbee通信終端)發送給無線網關的數據包。通常來說，一般的數據傳輸包即可實現本發明的目標。因此，收集這些數據的過程與網絡的工作過程可以并行進行。收集到所需的信息之后，由多個無線網關進行分布式地計算。得到一個最優的信道調度方案，最終交由其中的一個無線網關執行信道分配操作。之后，所有的無線傳感器數據采集網絡中的無線通信終端都將工作在無線網關為其分配的最優的信道上。
[0011]本發明的信道調度的基礎為每個無線通信終端到每個無線網關的鏈路質量指示值(LQI)。該值的取值范圍為O?255。已有的實驗結果已經證實，LQI值的大小與無線通信終端的數據率、數據丟失率、數據送達延遲等網絡性能指標相關。在LQI值較高的鏈路上進行數據通信時，無線通信終端所能達到的最大數據率較高、數據丟失率較低并且數據送達延遲較低。因此，本發明以LQI的值作為每個無線通信終端進行信道選擇的依據。但是應當了解的是，LQI的值可能受到周圍環境的干擾，從而導致少量的LQI值不具有參考價值。而當LQI均值在一定的范圍內時，LQI的均值與實際的數據包接收率也不存在明顯的線性關系。所以本發明收集每個無線通信單元的多個(例如，至少20個、至少30個、至少40個)LQI值，計算其均值與方差。將所述均值和方差輸入到根據本發明的鏈路質量評估模型，得出當前鏈路數據包接收率的概率估值，并以這個概率估計值作為最終進行信道調度的依據。
[0012]所有的無線網關維護信道信息記錄表，信道信息記錄表包含每個無線通信終端的最優信道和最優信道的數據包接收率估值。初始時，每個無線通信終端的最優信道的數據包接收率估值均為O。當統計某個信道的LQI值時，無線網關將提取每個數據包中記錄的LQI值。當收集到足夠數量的LQI探測包后，計算每個無線通信終端的LQI均值和方差，將所述均值和方差輸入到預先設定的評估模型中，計算該信道上的數據包接收率估值，并與已收到的信道信息記錄表進行對比。如果這個無線通信終端在當前信道上的數據包接收率估值大于信道記錄表中記錄的之前信道的數據包接收率估值，則更新該無線通信終端在信道信息記錄表的對應記錄，并且將其最優信道設為當前信道。網關對每個無線通信單元執行同樣的操作，當更新完當前信道的信道信息記錄表后，將更新后的信道信息記錄表通過TCP網絡發送給下一個無線網關，再向當前信道上的所有無線通信終端發送信道切換報文，使當前信道上的所有無線通信終端切換到下一個無線網關的工作信道上，之后下一個無線網關重復以上步驟繼續進行信道信息記錄表的更新操作。
[0013]根據本發明的第一方面，一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法，所述無線傳感器網絡包括多個無線網關和多個無線通信終端，所述多個無線網關中的每個無線網關能夠使用近距離無線通信技術與所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端進行通信，其中每個無線網關在任意時刻只能在一個信道上工作，并且每個無線通信終端在任意時刻只能在一個信道上工作，所述方法包括:A.設置所述多個無線網關中每個無線網關的工作信道并且為工作信道分配信道標識，其中每個無線網關的工作信道不同；
B.通過雙向鏈路連接所述多個無線網關中的每個無線網關，所述多個無線網關中的每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址和相鄰無線網關工作的信道的信道標識；
C.將多個無線網關中選擇的第一無線網關設置為當前無線網關，初始化信道信息記錄表；
D.將所述當前無線網關的工作信道設置為所述多個無線通信終端的當前工作信道；E.將所述多個無線通信終端連接到當前工作信道，所述當前無線網關根據當前工作信道的網絡狀況確定每個無線通信終端應當收集的鏈路質量指示探測包的設定數量，所述鏈路質量指示探測包包括至少一個鏈路質量指示值；F.每個無線通信終端分別收集與鏈路質量相關的鏈路質量指示值并且將所述鏈路質量指示值置入鏈路質量指示探測包，當每個無線通信終端收集到設定數量的鏈路質量指示探測包時，將收集的鏈路質量指示探測包發送給當前無線網關；G.所述當前無線網關接收每個無線通信終端發送的鏈路質量指示探測包，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，并且根據所述均值和標準差來更新信道記錄表當前無線網關向無線傳感器網絡中相鄰的下一無線網關發送信道信息記錄表，將所述下一無線網關設置為當前無線網關并且將所述下一無線網關的工作信道設置為當前工作信道；1.當所述下一個無線網關不是所述選擇的第一無線網關時，返回步驟E ;當所述下一個無線網關是所述選擇的第一無線網關時，所述選擇的第一無線網關根據收集的信道記錄表，根據信道記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道，第一無線網關發送信道切換報文給所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端，所述每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。
[0014]優選地，其中無線網關是Zigbee網關，其中無線通信終端是與Zigbee網關通過Zigbee通信協議進行無線網絡通信的Zigbee通信終端,其中多個Zigbee網關之間能夠通過TCP / IP協議進行通信。[0015]優選地，所述信道信息記錄表包括:無線通信終端的物理地址、當前最高的數據包接收率估計值和/或當前最優信道的信道標識，其中最優信道為數據包接收率估計值最高的信道。
[0016]優選地，當無線網關收集了所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端的設定數量的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差之后還包括:根據鏈路質量估計值模型和所述每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，計算每個無線通信終端在當前信道的數據包接收率估計值，并且將計算的當前信道的數據包接收率估計值與信道信息記錄表中相應的無線通信終端的最優數據包接收率估空值進行比較，如果當前信道的數據包接收率估即值大于最優數據包接收率估計值，則在信道信息記錄表中將當前信道的數據包接收率估計值設置為最優數據包接收率估計值并且修改最優信道標識，從而更新信道記錄表。
[0017]優選地，對于無線傳感器網絡中的所有無線網關，所述多個無線通信終端在所述多個無線網關中任意一個無線網關的通信范圍之內。
[0018]根據本發明的另一方面，一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度系統，所述無線傳感器網絡包括多個無線網關和多個無線通信終端，所述多個無線網關中的每個無線網關能夠使用近距離無線通信技術與所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端進行通信，其中每個無線網關在任意時刻只能在一個信道上工作，并且每個無線通信終端在任意時刻只能在一個信道上工作，所述系統包括:
[0019]信道設置單元，設置所述多個無線網關中每個無線網關的工作信道并且為工作信道分配信道標識，其中每個無線網關的工作信道不同；依次將多個無線網關中的每個無線網關設置為當前無線網關；將所述當前無線網關的工作信道設置為所述多個無線通信終端的當前工作信道；
[0020]網絡管理單元，通過雙向鏈路連接所述多個無線網關中的每個無線網關，每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址和相鄰無線網關工作的信道的信道標識；將所述多個無線通信終端連接到當前工作信道，所述當前無線網關根據當前工作信道的網絡狀況確定每個無線通信終端應當收集的鏈路質量指示探測包的設定數量，所述鏈路質量指示探測包包括至少一個鏈路質量指示值；
[0021]信道信息記錄單元，初始化信道信息記錄表；促使每個無線通信終端分別收集與鏈路質量相關的鏈路質量指示值并且將所述鏈路質量指示值置入鏈路質量指示探測包，當每個無線通信終端收集到所述設定數量的鏈路質量指示探測包時，促使將收集的鏈路質量指示探測包發送給當前無線網關；
[0022]信道信息分析單元，當所述當前無線網關接收每個無線通信終端發送的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，并且根據所述均值和標準差來更新信道記錄表；
[0023]信道切換單元，根據信道記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道，第一無線網關發送信道切換報文給所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端，所述每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。
[0024]優選地，其中無線網關是Zigbee網關，其中無線通信終端是與Zigbee網關通過Zigbee通信協議進行無線網絡通信的Zigbee通信終端,其中多個Zigbee網關之間能夠通過TCP / IP協議進行通信。
[0025]優選地，所述信道信息記錄表包括:無線通信終端的物理地址、當前最高的數據包接收率估值和/或當前最優信道的信道號，其中最優信道為數據包接收率估值最高的信道。
[0026]優選地，當無線網關收集了所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端的設定數量的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差之后還包括:根據鏈路質量估計值模型和所述每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，計算每個無線通信終端在當前信道的數據包接收率估計值，并且將計算的當前信道的數據包接收率估計值與信道信息記錄表中相應的無線通信終端的最優數據包接收率估空值進行比較，如果當前信道的數據包接收率估即值大于最優數據包接收率估計值，則在信道信息記錄表中將當前信道的數據包接收率估計值設置為最優數據包接收率估計值并且修改最優信道標識，從而更新信道記錄表。
[0027]優選地，其特征在于，對于無線傳感器網絡中的所有無線網關，所述多個無線通信終端在所述多個無線網關中任意一個無線網關的通信范圍之內。
[0028]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0029]第一，由于本發明采用了鏈路質量指示值作為信道調度的依據，一方面能夠可靠地作出信道調度的依據，另一方面，鏈路質量指示值相對于其他的網絡原始數據，更易于收集而不需要其他額外的信息。因此，采用本發明的方式，能夠高效地進行信道的分配，不需要每個節點對網絡的結構有過多的了解。
[0030]第二，由于在Zigbee網絡中每個數據包都有其鏈路質量指示值，因此，在計算信道調度方案時，一般的數據傳輸報文也可作為鏈路質量指示探測包，使得信道調度的過程對無線傳感網中的采集節點完全透明，不需要采集節點作出任何特殊的動作，只需按照既定的程序發送數據即可。由網關去統計收到數據包的鏈路質量指示值。這樣一方面避免網絡中的采集節點進行額外的操作導致可能的錯誤，另一方面也使得信道分配的過程并不干擾網絡需要一直進行的數據采集作業。
[0031]第三，由于本發明采用了分布式的方法計算每個節點的最優信道，多個Zigbee網關輪流更新信道信息記錄表，最終交由一個網關向所有的Zigbee通信模塊分發信道調度方案。這樣的信道信息計算方式，有效地降低了每個Zigbee網關的計算負載。因此，該方案對Zigbee網關和Zigbee通信模塊的硬件要求很低，只需要具備一般的計算性能即可。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]已經大致地描述了本發明，現在參照附圖，其不必按照規定比例繪制，其中:
[0033]圖1示出了現有技術中的無線通信系統的示意圖；
[0034]圖2示出了根據本發明優選實施方式的在無線傳感器網絡系統中收集信道信息的一個不意圖；
[0035]圖3示出了根據本發明優選實施方式的在無線傳感器網絡系統中收集信道信息的另一不意圖；
[0036]圖4示出了根據本發明優選實施方式的LQI均值與節點數據包接收率均值的關系;
[0037]圖5示出了根據本發明優選實施方式的節點LQI均值與節點數據包接收率標準差的關系;
[0038]圖6示出了根據本發明優選實施方式的無線傳感器網絡信道調度方法的流程圖；以及
[0039]圖7示出了根據本發明優選實施方式的無線傳感器網絡信道調度系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0040]以下，參照附圖更完整地描述本發明實施方式，在附圖中，示出本發明的一些實施方式，而并非所有實施方式。當然，本發明的各種實施例可通過許多不同形式實現，并且不應理解為限制為這里闡述的實施方式；而是，提供這些實施方式使得所述公開內容將滿足可適用的合法要求。其中類似的標號表示類似的元素。其中，術語“數據”、“內容”、“信息”和類似術語可交換使用，以表示能夠根據本發明實施方式發送、接收和/或存儲的數據。因此，任意這樣術語的使用不應被用來限制本發明實施方式的精神和范圍。
[0041]此外，如這里使用的，術語“電路”指的是(a)僅硬件電路方案(例如用模擬電路和/或數字電路的方案)；(b)包括在一個或多個計算機可讀存儲器上存儲的軟件和/或固件指令的電路和計算機程序產品的組合，其在一起工作以使得正在執行這里所述的一個或多個功能；以及(C)需要用于操作的軟件或固件(即使軟件或固件非物理存在)的電路，例如微處理器或微處理器的一部分?！半娐贰钡倪@個定義應用于在此，包括任意權利要求，對這個術語的所有使用。作為其他實例，這里，術語“電路”還包括含有一個或多個處理器和/或其部分以及伴隨軟件和/或固件的方案。作為另一實例，這里使用的術語“電路”還包括，例如用于移動電話的基帶集成電路或應用處理器集成電路，或服務器、蜂窩網絡設備、其他網絡設備、和/或其他計算設備中的類似集成電路。
[0042]如此處定義的，指代物理存儲介質(例如，易失性或非易失性存儲器設備)的“計算機可讀存儲介質”，可能與指代電磁信號的“計算機可讀傳輸介質”不同。
[0043]圖2示出了根據本發明優選實施方式的在無線傳感器網絡系統收集信道信息的一個示意圖。如圖2所示，無線傳感器網絡包括多個無線網關，例如，無線網關1、無線網關2、無線網關3、無線網關4，...，以及無線網關N。優選地所述無線傳感器網絡包括多個無線通信終端，例如，無線通信終端1、無線通信終端2、無線通信終端3、無線通信終端4，...，以及無線通信終端M。優選地，所述無線通信終端可以是任意類型的移動終端、固定終端、或便攜式終端，包括移動手持機、站、單元、設備、導航設備、多媒體計算機、多媒體平板電腦、因特網節點、發信機、桌上型計算機、膝上型計算機、個人數字助理(PDA)、音頻/視頻播放器、數字照相機/攝像機、定位設備、電視接收機、無線電廣播接收機、電子書設備、游戲設備或其任意組合。
[0044]優選地，所述多個無線網關中的每個無線網關均在不同的信道上工作。優選地，為每個無線網關設置單獨的工作信道。所述多個無線網關中的每個能夠使用近距離無線通信技術與所述多個無線通信終端中的任意一個進行通信。優選地，所述無線通信終端中的每個無線通信終端可以在上述信道中的任意一個上工作并且如在所述信道上工作的無線網關進行通信。優選地，其中所述多個無線網關中的任意一個在同一時刻只能在同一信道上工作，并且所述多個無線通信終端中的每個在同一時刻只能同一信道上工作。通常，設置多個無線網關中每個無線網關的工作信道，其中每個無線網絡的工作信道不同。
[0045]如圖2所示，根據本發明的實施方式，首先要進行網絡的初始設置。根據本發明的一個實施方式，將所述多個無線網關通過雙向鏈路形成預定結構的網絡拓撲。優選地，所述預定結構的網絡拓撲可以是環形結構、星形結構、樹狀結構、圖狀結構。本發明以環狀結構為例進行說明。優選地，無線網關I和無線網關2通過雙向通信鏈路連接；無線網關2和無線網關3通過雙向通信鏈路連接；無線網關3和無線網關4通過雙向通信鏈路連接；中間所有節點的連接關系以此類推，無線網關N和無線網關I通過雙向通信鏈路連接，由此形成環狀結構。
[0046]根據本發明的一個實施方式，每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址。優選地，無線網關I存儲無線網關N和無線網關2的IP地址。無線網關2存儲無線網關I和無線網關3的IP地址。可替換地，無線網關2存儲無線網關1、無線網關3和無線網關4的IP地址。或者，無線網關2存儲無線網關1、無線網關N、無線網關3和無線網關4的IP地址。根據本發明的實施方式，無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址指的是在物理上和/或邏輯上相鄰的無線網關的IP地址。無線網關首先存儲直接相鄰的無線網關的IP地址，然后可選地存儲與其距離為1、2、3等的無線網關的IP地址。
[0047]根據本發明的優選實施方式，在網絡的初始設置之后，進行網絡信息的收集，例如鏈路質量指示值LQI。鏈路質量指示值指示接收數據巾貞的能量與質量。所述鏈路質量指示值的大小基于信號強度以及檢測到的信噪比(SNR)。IEEE802.15.4標準定義了鏈路質量:指示(LQI)計量的就是所收到的數據包的強度和/或質量。
[0048]如圖2所示，多個無線網關分別工作在不同的信道上。將多個無線通信終端的當前工作信道設置為環狀結構中無線網關I的工作信道I。優選地，在設置了當前工作信道后，可以設置每個無線網關的下一個待測試信道。由無線網關I初始化信道信息記錄表，所述信道信息記錄表包含每個無線通信終端的64位硬件地址、當前最優信道號和當前最優數據包接收率估值。
[0049]根據本發明的優選實施方式，所述多個無線通信終端連接到當前工作信道。優選地，無線網關I根據當前的網絡狀況(即，工作信道I的網絡狀況)確定每個無線通信終端應當收集包括鏈路質量指示值的鏈路質量指示探測包的數量。優選地，當網絡狀況比較穩定時，無線網關I可將數量設置得低一些，例如30。優選地，當網絡狀況比較穩定時，無線網關I可將數量設置得低一些，例如40。優選地，所述網絡狀況可包括:網絡延遲、信噪比、丟包率、信噪干比等。
[0050]根據本發明的優選實施方式，多個無線通信終端中的每個都在工作信道I上工作。每個無線通信終端分別進行數據采集并將采集到的鏈路質量指示值通過鏈路質量指示探測包發送給無線網關I。當多個無線通信終端中的每個無線通信終端分別收集了設定數量(例如，30或40)的鏈路質量指示探測包時，將收集的鏈路質量指示探測包發送給無線網關I。
[0051]根據本發明的優選實施方式，無線網關I接收所有無線通信終端的無線通信終端的鏈路質量指示探測包。例如，設定數量為30并且無線通信終端為20的情況下，則接收600個鏈路質量指示探測包。無線網關I提取每個鏈路質量指示探測包中餓鏈路質量指示值，對所有鏈路質量指示值進行處理，并更新信道記錄表。
[0052]根據本發明的優選實施方式，無線網關I將所述多個無線通信單元的當前工作信道設置為環狀結構中的下一無線網關的工作信道，[fl]即無線網關2的工作信道2，并且向無線網關2發送更新的信道信息記錄表。無線網關2重復與無線網關I相同的過程。優選地，在其他預定結構的網絡拓撲中，例如星形結構、樹狀結構、圖狀結構中，可以根據不同結構中的不同遍歷方法來確定下一無線網關。例如，在樹狀結構(二叉樹)中的先序、中序和后序遍歷。
[0053]圖3示出了根據本發明優選實施方式的在無線傳感器網絡系統中收集信道信息的另一示意圖。如圖3所示，當下一無線網關為所述第一個無線網關時，即當無線網關N執行了相同的過程并且將更新的信道信息記錄表發送給無線網關1，無線網關I接收的信道信息記錄表。優選地，無線網關I根據所述信道信息記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道。無線網關I根據每個無線通信終端的最優工作信道，發送信道切換報文給每個無線通信終端。優選地，多個無線通信終端中的每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。
[0054]例如，無線通信終端I和2的最優工作信道為無線網關I工作的信道I ;無線終端3的最優工作信道為無線網關2工作的信道2 ;并且無線終端4-5的最優工作信道為無線網關4工作的信道4等。
[0055]根據本發明的一個實施方式，將Zigbee作為實例進行闡述，但是所屬領域技術人員應當了解的是本發明并不限于Zigbee。
[0056]通常地，步驟I，設置初始信息。
[0057]按照圖2和3所示的無線傳感器網絡，網絡中至少存在兩個Zigbee網關和至少兩個Zigbee通信模塊。根據無線傳感器網絡的性質，網絡中的Zigbee通信模塊在同一時刻只能工作在一個無線信道之上。同時，Zigbee網關由一個Zigbee網絡協調器、一個S3C2440最小核心板和相應的外圍電路構成，由于使用的Zigbee協調器在同一時刻只能監聽一個網絡上的Zigbee數據，因此，我們的Zigbee網關在同一時刻只能工作在一個信道上，收集一個信道上的Zigbee網絡數據。
[0058]在初始化時，首先需要指定每個Zigbee網關的工作信道Ci,使其在信道Ci上監聽網絡數據。另一方面，由于該信道調度算法采用了分布式的信道優化方法，因此，每個網關還需要記錄一個與之直接通信的另一個Zigbee網關的IP地址和該Zigbee網關工作的信道C」。對于所有Zigbee網關所設定的另一個網關的IP地址，最終構成一個環路，使得從任意的Zigbee網關開始，通過依次與其相鄰的網關進行通信，能夠最終將數據返回至該Zigbee網關本身。在初始化所有Zigbee網關之后，需要將所有的Zigbee通信模塊的工作信道設置為同一個“默認信道”，并且，需要有一個Zigbee網關工作在該默認信道上。至此，初始化配置完成。
[0059]步驟2，收集當前信道上所有Zigbee通信模塊的鏈路質量指示值
[0060]在初始化配置之后，所有的Zigbee網關和Zigbee通信模塊開始工作。Zigbee通信模塊初始工作在默認信道上。默認信道上的Zigbee網關創建信道信息記錄表結構，該結構包含每個Zigbee通信模塊的64位硬件地址、當前最優信道號和當前最優數據包接收率估值。如果該Zigbee網關不是默認的網關，則其首先等待它的上一個網關發送信道信息記錄表。之后，開始在當前信道上的進行數據采集，并且收集每個Zigbee通信模塊的鏈路質量指示值(LQI)。在對每個Zigbee通信模塊收集了一定數量的鏈路質量指示值之后(至少30個LQI值)，對其進行平均，帶入公式一、公式二、公式三，即得出了該Zigbee通信模塊在該信道上的數據包接收率估值。如果該估計值優于當前記錄在信道信息記錄表中的對應Zigbee通信模塊的估計值，則更新信道信息記錄表。
[0061]當該Zigbee網關收集了更新了信道信息記錄表中的所有Zigbee通信模塊的記錄之后，向其相鄰的Zigbee網關發起TCP連接請求，在TCP連接建立之后，將它更新后的信道信息記錄表發送給其相鄰的Zigbee網關。發送完畢之后，向各個Zigbee通信模塊發送信道切換消息，使其工作信道切換到下一個Zigbee網關的工作信道上。
[0062]步驟3，所有的Zigbee網關重復步驟步驟2，直到更新了全部信道上的信道信息記錄表。并且，最終該信道記錄表通過Zigbee網關之間的通信環，回到了默認的Zigbee網關上。[0063]步驟4，信道分配
[0064]當所有的Zigbee通信模塊再一次回到默認信道上時，說明每個Zigbee網關都在其信道上對所有的Zigbee通信模塊進行了 LQI測試并更新了信道信息記錄表。此時，默認Zigbee網關根據收集的信道記錄表中的每個條目，按照每個Zigbee通信模塊最優工作信道，向其發送信道切換報文。最終，所有的Zigbee通信模塊都將工作在最優的信道上。
[0065]圖4示出了根據本發明優選實施方式的LQI均值與節點數據包接收率均值的關系。并且圖5示出了根據本發明優選實施方式的節點LQI均值與節點數據包接收率標準差的關系。下面結合圖4和5對本發明作進一步的描述:
[0066]現有的理論已經證實，鏈路質量指示值(LQI)與節點的數據包接收率有著一定的對應關系，一般而言，在較高LQI的信道上進行數據傳輸，數據包的接收率較高。然而LQI值可能存在波動，因此單一的幾個LQI值不宜直接作為信道調度的依據。同樣，LQI的均值與節點數據包的接收率也不存在一種直接的對應關系。通過我們之前大量的實驗，得出節點LQI均值與節點數據包接收率的關系如附圖4所示?？梢钥闯?，離散點呈平滑增加趨勢。當LQI均值低于70時，節點數據包接收率基本趨于0，而當LQI均值在70到100之間時，節點數據包接收率呈不穩定狀態。經過SPSS軟件的分析，我們認為節點平均數據包接收率可以被擬合為如下的函數:
[0067]公式一:
[0068]μ = -l*l(T6*LQIAvg3+0.0656*LQIAvg_4.1948,70 ≤ LQIAvg ≤ 110
[0069]為了建立我們的節點數據接收率估計模型，我們還需要建立節點LQI的標準差。經過我們實驗的測試，節點LQI均值與節點包接收率標準差的關系如圖5所示。同樣，使用SPSS軟件，我們得到如下的函數:
[0070]公式二:
[0071]σ = -0.001*LQIAvg2+0.1704*LQIAvg_6.5652
[0072]由以上的節點數據包接收率的期望式與標準差式，我們得到節點數據包接收率的正態分布模型:
[0073]公式三:[0074]
φ(ρ) — -=.I s~5^? * dx

' f 2w ? σ Ji
[0075]圖6示出了根據本發明優選實施方式的無線傳感器網絡信道調度方法的流程圖。根據本發明的優選實施方式，在第I步驟，設置所述多個無線網關中每個無線網關的工作信道并且為工作信道分配信道標識，其中每個無線網關的工作信道不同。在第2步驟，通過雙向鏈路連接所述多個無線網關中的每個無線網 關，所述多個無線網關中的每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址和相鄰無線網關工作的信道的信道標識。在第3步驟，將多個無線網關中選擇的第一無線網關設置為當前無線網關，初始化信道信息記錄表。在第4步驟，將所述當前無線網關的工作信道設置為所述多個無線通信終端的當前工作信道，設置每個無線網關的下一個待測試信道。在第5步驟，將所述多個無線通信終端連接到當前工作信道，所述當前無線網關根據當前工作信道的網絡狀況確定每個無線通信終端應當收集的鏈路質量指示探測包的設定數量。在第6步驟，每個無線通信終端分別收集指示鏈路質量相關的鏈路質量指示值并且將所述鏈路質量指示值置入鏈路質量指示探測包，當每個無線通信終端收集到所述設定數量的鏈路質量指示探測包時，將收集的鏈路質量指示探測包發送給當前無線網關。在第7步驟，所述當前無線網關接收每個無線通信終端的鏈路質量指示探測包，提取鏈路質量指示值，計算鏈路質量指示值的均值和標準差，并且根據所述均值和標準差來更新信道記錄表。在第8步驟，當前無線網關向無線傳感器網絡中相鄰的下一無線網關發送信道信息記錄表，將所述下一無線網關設置為當前無線網關并且將所述下一無線網關的工作信道設置為當前工作信道。在第9步驟，當所述下一個無線網關不是所述選擇的第一無線網關時，返回第5步驟；否則，當所述下一個無線網關是所述選擇的第一無線網關時，所述選擇的第一無線網關根據收集的信道記錄表，根據信道記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道，第一無線網關發送信道切換報文給所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端，所述每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。
[0076]圖7示出了根據本發明優選實施方式的無線傳感器網絡信道調度系統的結構示意圖。優選地，所述無線傳感器網絡包括多個無線網關和多個無線通信終端，所述多個無線網關中的每個無線網關能夠使用近距離無線通信技術與所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端進行通信，其中每個無線網關在任意時刻只能在一個信道上工作，并且每個無線通信終端在任意時刻只能在一個信道上工作，所述系統包括:信道設置單元、網絡管理單元、信道信息記錄單元、信道信息分析單元和信道切換單元。
[0077]優選地，信道設置單元設置所述多個無線網關中每個無線網關的工作信道并且為工作信道分配信道標識，其中每個無線網關的工作信道不同；依次將多個無線網關中的每個無線網關設置為當前無線網關；將所述當前無線網關的工作信道設置為所述多個無線通信終端的當前工作信道，設置每個無線網關的下一個待測試信道。
[0078]優選地，通過雙向鏈路連接所述多個無線網關中的每個無線網關，每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址和相鄰無線網關工作的信道的信道標識；將所述多個無線通信終端連接到當前工作信道，所述當前無線網關根據當前工作信道的網絡狀況確定每個無線通信終端應當收集的鏈路質量指示探測包的設定數量，所述鏈路質量指示探測包包括至少一個鏈路質量指示值。
[0079]優選地，信道信息記錄單元初始化信道信息記錄表；促使每個無線通信終端分別收集指示鏈路質量相關的鏈路質量指示值并且將所述鏈路質量指示值置入鏈路質量指示探測包，當每個無線通信終端收集到所述設定數量的鏈路質量指示探測包時，促使將收集的鏈路質量指示探測包發送給當前無線網關。
[0080]優選地，信道信息分析單元當所述當前無線網關接收每個無線通信終端的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算鏈路質量指示值的均值和標準差，并且根據所述均值和標準差來更新信道記錄表。
[0081]優選地，信道切換單元根據信道記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道，第一無線網關發送信道切換報文給所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端，所述每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。
[0082]在先前的說明書和相關附圖中呈現的教導下，本發明涉及的領域內普通技術人員將得知在此闡述的本發明的許多修改和其他實施方式。因此，可以理解，本發明實施方式不限于這里公開的特定實施方式，并且其修改和其他實施方式也被包括在所附權利要求的范圍內。此外，盡管以上說明書和相關附圖描述了在元件和/或功能的某些示例性組合的環境下的示例性實施方式，但是應理解可通過備選實施方式提供元件和/或功能的不同組合，而不脫離所附權利要求的范圍。在這點上，例如，如可在所附權利要求中闡述的那樣，也可設想除了以上明確所述的元件和/或功能之外的不同組合。盡管這里采用的特定術語，但是它們可僅通過一般性和描述性概念來使用，并非用于限制的目的。
【權利要求】
1.一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度方法，所述無線傳感器網絡包括多個無線網關和多個無線通信終端，所述多個無線網關中的每個無線網關能夠使用近距離無線通信技術與所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端進行通信，其中每個無線網關在任意時刻只能在一個信道上工作，并且每個無線通信終端在任意時刻只能在一個信道上工作，所述方法包括: A.設置所述多個無線網關中每個無線網關的工作信道并且為工作信道分配信道標識，其中每個無線網關的工作信道不同； B.通過雙向鏈路連接所述多個無線網關中的每個無線網關，所述多個無線網關中的每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址和相鄰無線網關工作的信道的信道標識； C.將多個無線網關中選擇的第一無線網關設置為當前無線網關，初始化信道信息記錄表; D.將所述當前無線網關的工作信道設置為所述多個無線通信終端的當前工作信道； E.將所述多個無線通信終端連接到當前工作信道，所述當前無線網關根據當前工作信道的網絡狀況確定每個無線通信終端應當收集的鏈路質量指示探測包的設定數量，所述鏈路質量指示探測包包括至少一個鏈路質量指示值； F.每個無線通信終端分別收集與鏈路質量相關的鏈路質量指示值并且將所述鏈路質量指示值置入鏈路質量指示探測包，當每個無線通信終端收集到設定數量的鏈路質量指示探測包時，將收集的鏈路質量指示探測包發送給當前無線網關； G.所述當前無線網關接收每個無線通信終端發送的鏈路質量指示探測包，提取鏈路質量指示值，計算每個`無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，并且根據所述均值和標準差來更新信道記錄表； H.當前無線網關向無線傳感器網絡中相鄰的下一無線網關發送信道信息記錄表，將所述下一無線網關設置為當前無線網關并且將所述下一無線網關的工作信道設置為當前工作信道； 1.當所述下一個無線網關不是所述選擇的第一無線網關時，返回步驟E; 當所述下一個無線網關是所述選擇的第一無線網關時，所述選擇的第一無線網關根據收集的信道記錄表，根據信道記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道，第一無線網關發送信道切換報文給所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端，所述每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，其中無線網關是Zigbee網關，其中無線通信終端是與Zigbee網關通過Zigbee通信協議進行無線網絡通信的Zigbee通信終端，其中多個Zigbee網關之間能夠通過TCP / IP協議進行通信。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道信息記錄表包括:無線通信終端的物理地址、當前最高的數據包接收率估計值和/或當前最優信道的信道標識，其中最優信道為數據包接收率估計值最高的信道。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當無線網關收集了所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端的設定數量的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差之后還包括:根據鏈路質量估計值模型和所述每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，計算每個無線通信終端在當前信道的數據包接收率估計值，并且將計算的當前信道的數據包接收率估計值與信道信息記錄表中相應的無線通信終端的最優數據包接收率估空值進行比較，如果當前信道的數據包接收率估即值大于最優數據包接收率估計值，則在信道信息記錄表中將當前信道的數據包接收率估計值設置為最優數據包接收率估計值并且修改最優信道標識，從而更新信道記錄表。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，對于無線傳感器網絡中的所有無線網關，所述多個無線通信終端在所述多個無線網關中任意一個無線網關的通信范圍之內。
6.一種基于鏈路質量指示值的無線傳感器網絡信道調度系統，所述無線傳感器網絡包括多個無線網關和多個無線通信終端，所述多個無線網關中的每個無線網關能夠使用近距離無線通信技術與所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端進行通信，其中每個無線網關在任意時刻只能在一個信道上工作，并且每個無線通信終端在任意時刻只能在一個信道上工作，所述系統包括: 信道設置單元，設置所述多個無線網關中每個無線網關的工作信道并且為工作信道分配信道標識，其中每個無線網關的工作信道不同；依次將多個無線網關中的每個無線網關設置為當前無線網關；將所述當前無線網關的工作信道設置為所述多個無線通信終端的當前工作信道； 網絡管理單元，通過雙向鏈路連接所述多個無線網關中的每個無線網關，每個無線網關存儲至少兩個相鄰無線網關的IP地址和相鄰無線網關工作的信道的信道標識；將所述多個無線通信終端連接到當前工作信道，所述當前無線網關根據當前工作信道的網絡狀況確定每個無線通信終端應當收集的鏈路質量指示探測包的設定數量，所述鏈路質量指示探測包包括至少一個鏈路質量指示值； 信道信息記錄單元，初始化信道信息`記錄表；促使每個無線通信終端分別收集與鏈路質量相關的鏈路質量指示值并且將所述鏈路質量指示值置入鏈路質量指示探測包，當每個無線通信終端收集到所述設定數量的鏈路質量指示探測包時，促使將收集的鏈路質量指示探測包發送給當前無線網關； 信道信息分析單元，當所述當前無線網關接收每個無線通信終端發送的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，并且根據所述均值和標準差來更新信道記錄表； 信道切換單元，根據信道記錄表確定所述多個無線通信終端中每個無線通信終端的最優工作信道，第一無線網關發送信道切換報文給所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端，所述每個無線通信終端根據所述切換報文將工作信道切換到各自的最優工作信道。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，其中無線網關是Zigbee網關，其中無線通信終端是與Zigbee網關通過Zigbee通信協議進行無線網絡通信的Zigbee通信終端，其中多個Zigbee網關之間能夠通過TCP / IP協議進行通信。
8.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述信道信息記錄表包括:無線通信終端的物理地址、當前最高的數據包接收率估值和/或當前最優信道的信道號，其中最優信道為數據包接收率估值最高的信道。
9.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，當無線網關收集了所述多個無線通信終端中的每個無線通信終端的設定數量的鏈路質量指示探測包時，提取鏈路質量指示值，計算每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差之后還包括:根據鏈路質量估計值模型和所述每個無線通信終端的鏈路質量指示值的均值和標準差，計算每個無線通信終端在當前信道的數據包接收率估計值，并且將計算的當前信道的數據包接收率估計值與信道信息記錄表中相應的無線通信終端的最優數據包接收率估空值進行比較，如果當前信道的數據包接收率估即值大于最優數據包接收率估計值，則在信道信息記錄表中將當前信道的數據包接收率估計值設置為最優數據包接收率估計值并且修改最優信道標識，從而更新信道記錄表。
10.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，對于無線傳感器網絡中的所有無線網關，所述多個無線通信終端 在所述多個無線網關中任意一個無線網關的通信范圍之內。
【文檔編號】H04W84/18GK103517443SQ201310367885
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】杜軍朝, 劉惠, 李興, 趙昆侖, 張春龍, 張晨 申請人:西安電子科技大學