專利名稱：一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)中期以來，計算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合催生了許多新的應(yīng)用模式和技術(shù)手段，但這二者的結(jié)合仍然基本屬于傳統(tǒng)的“人與人”或者“人與機(jī)”交互的范疇。直到20 世紀(jì)90年代，隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)，以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品的制造成本持續(xù)地降低到人們可以接受的時候，一種同時擁有感知、計算和通信能力，并且能適用于各類不同環(huán)境的微型智能傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。而這些微小傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)化將全面改變?nèi)藗兊男畔@取方式，這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的、極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò)可以將大量簡單的節(jié)點大冗余地隨機(jī)部署在人跡罕至的惡劣環(huán)境中，節(jié)點之間通過自組織的組網(wǎng)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種復(fù)雜環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息并傳送給后臺骨干網(wǎng)服務(wù)器或者相關(guān)觀測者。在傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)量龐大的節(jié)點之間多采用平等、多跳、自組織的無線通信方式完成用戶指定的任務(wù)，而這種基于靜態(tài)固定數(shù)據(jù)接入節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)存在著節(jié)點能量損耗不均勻、數(shù)據(jù)傳輸效率低、部署缺乏靈活性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、易產(chǎn)生路由空洞、覆蓋空洞及瓶頸節(jié)點等固有問題，這些固有問題導(dǎo)致其整體網(wǎng)絡(luò)性能劣化。傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)選擇算法是通過平面無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中散布在一定地理區(qū)域的大量靜態(tài)節(jié)點實現(xiàn)的，如圖1 所示，感知數(shù)據(jù)由源節(jié)點以自組織方式經(jīng)過多跳傳遞到遠(yuǎn)端Sink節(jié)點。通常情況下，這些節(jié)點具備類似的能量、儲存、計算和傳輸能力，即節(jié)點是同構(gòu)的。傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)選擇算法中的數(shù)據(jù)流向特征多表現(xiàn)為“多對一”，Sink的鄰居節(jié)點將充當(dāng)大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點功能。因此，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，將不可避免地在Sink鄰居節(jié)點處形成瓶頸節(jié)點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為了解決此問題，引入了移動手機(jī)終端作為移動網(wǎng)關(guān)提供接入服務(wù)。傳統(tǒng)的使用手機(jī)終端作為移動網(wǎng)關(guān)的做法是1.當(dāng)有新的手機(jī)終端進(jìn)傳感網(wǎng)區(qū)域時，手機(jī)終端向基站發(fā)出請求；2.基站根據(jù)傳感節(jié)點(sensor)的相關(guān)信息，發(fā)送路由信息給手機(jī)終端；3.手機(jī)終端再告知相關(guān)傳感節(jié)點(sensor)，令其重新建立路由，此時手機(jī)終端成為移動網(wǎng)關(guān)。該方法的主要缺點是基站(BS)根據(jù)傳感節(jié)點(sensor)的情況，在不知道移動終端具體信息的情況下，令傳感節(jié)點(sensor)重新建立路由，而當(dāng)移動終端快速通過傳感區(qū)域時，路由剛剛重新建立，又馬上消亡，造成頻繁的路由重建。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，該方法降低了路由重建中的能量損耗和不必要的信令交互。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，包括以下步驟步驟一，當(dāng)一個即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)沒有能力為目前所處的傳感網(wǎng)區(qū)域服務(wù)時，向基站發(fā)送一個網(wǎng)關(guān)釋放請求；步驟二，當(dāng)基站收到所述網(wǎng)關(guān)釋放請求后，向處于所述傳感網(wǎng)區(qū)域的所有移動終端廣播即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的信息；所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的信息包含即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的ID號和即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的能力等級參數(shù)；步驟三，所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)通過傳感網(wǎng)信道向所述傳感網(wǎng)區(qū)域中的各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播指示信息；步驟四，所述傳感網(wǎng)區(qū)域中的各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點偵聽到所述指示信息后，計算出自己的能力等級；步驟五，所述潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點與所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行能力等級比較， 如果高于所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的能力等級，就利用上行鏈路向基站發(fā)送請求取代成為新網(wǎng)關(guān)的信令；步驟六，基站通過相應(yīng)比較選擇最優(yōu)的一個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點成為新網(wǎng)關(guān)，并向其發(fā)送同意替代現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)的信令；步驟七，新網(wǎng)關(guān)與所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無縫切換。該步驟的詳細(xì)實現(xiàn)過程為新網(wǎng)關(guān)向所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)送請求交接信令，所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)收到請求后，向新網(wǎng)關(guān)發(fā)送同意交接信令，并將所述傳感網(wǎng)區(qū)域的ID號，路由信息，節(jié)點信息發(fā)送給新網(wǎng)關(guān)，以便完成無縫切換。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述移動網(wǎng)關(guān)的能力等級的計算公式為GW-Ievel =a · Dt+b · Cr+c · Ca+d · Cg+e · Cs，其中，Dt表示駐留時間，定義為移動終端在一個指定的傳感網(wǎng)絡(luò)中停留的時間；Cr表示覆蓋范圍，定義為移動終端能夠一跳直接通信的節(jié)點個數(shù)；Ca表示負(fù)載能力，定義為移動終端能夠為傳感節(jié)點提供網(wǎng)關(guān)功能服務(wù)的節(jié)點個數(shù)；Cg 表示信道質(zhì)量，定義為移動終端與現(xiàn)存網(wǎng)關(guān)之間的信道情況；Cs表示信道質(zhì)量，定義為移動終端與傳感網(wǎng)各個節(jié)點之間的平均信躁比；a、b、c、d和e是各個參數(shù)前的加權(quán)因子。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述移動終端具有傳感網(wǎng)絡(luò)通信模塊和蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模塊。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述移動終端為手機(jī)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明所述方法降低了路由重建中的能量損耗和不必要的信令交互，延長了 WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了能量使用效率。


圖1為傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)選擇方法示意圖；圖2為本發(fā)明所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法的流程示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的目的是提供一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，當(dāng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)不能提供接入服務(wù)時，在鄰居多個候選接入網(wǎng)關(guān)中選出最優(yōu)網(wǎng)關(guān)提供接入服務(wù)。通過網(wǎng)關(guān)提供業(yè)務(wù)的級別參數(shù)配置和計算相對權(quán)值級別，在不知道移動終端具體信息的情況下，可以降低對sensor造成的頻繁的路由重建。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例一在蜂窩網(wǎng)與傳感網(wǎng)融合的架構(gòu)下，移動網(wǎng)關(guān)的引入將有助于在蜂窩網(wǎng)協(xié)助下，提高傳感網(wǎng)的性能。在融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，移動終端進(jìn)入傳感網(wǎng)區(qū)域，移動終端如何接入成為移動網(wǎng)關(guān)，是融合網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)之一，其基本場景如圖2所示。本實施例提供一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，首先定義一個參數(shù)“移動終端等級”，該參數(shù)是描述在蜂窩網(wǎng)與傳感網(wǎng)融合架構(gòu)下，移動終端成為移動網(wǎng)關(guān)，并提供相關(guān)服務(wù)的能力等級。所述移動終端等級(GW-Ievel)的獲得方法為Gff-Ievel = a ‘ Dt+b ‘ Cr+c ‘ Ca+d ‘ Cg+e ‘ Cs其中，Dt表示駐留時間，它定義為移動終端在一個指定的傳感網(wǎng)絡(luò)中停留的時間； Cr表示覆蓋范圍，它定義為移動終端能夠一跳直接通信的節(jié)點個數(shù)；Ca表示負(fù)載能力，它定義為移動終端能夠為傳感節(jié)點提供網(wǎng)關(guān)功能服務(wù)的節(jié)點個數(shù)；Cg表示信道質(zhì)量，它定義為移動終端與現(xiàn)存網(wǎng)關(guān)之間的信道情況；Cs表示信道質(zhì)量，它定義為移動終端與傳感網(wǎng)各個節(jié)點之間的平均信躁比。a，b，c，d和e是各個參數(shù)前的加權(quán)因子；以上參數(shù)被用于移動網(wǎng)關(guān)能力等級的計算中，如果其不容易獲得，可將該項參數(shù)的加權(quán)因子設(shè)為0。基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法的具體流程，如圖2和3所示，包括以下步驟1)當(dāng)一個即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)沒有能力為目前所處的傳感網(wǎng)區(qū)域服務(wù)時，向基站發(fā)送一個網(wǎng)關(guān)釋放請求；2)當(dāng)基站收到所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)送的網(wǎng)關(guān)釋放請求后，向處于所述傳感網(wǎng)區(qū)域的所有移動終端廣播即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的信息，所述信息中包含即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的ID號，移動網(wǎng)關(guān)能力等級等參數(shù)；3)即將離開的移動網(wǎng)關(guān)通過傳感網(wǎng)信道向所述傳感網(wǎng)區(qū)域中的各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播指示信息；潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點為移動終端的子集，指那些有成為網(wǎng)關(guān)能力的移動終端；4)所述傳感網(wǎng)區(qū)域中的各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點偵聽到所述指示信息，通過移動網(wǎng)關(guān)能力等級計算公式Gff-Ievel = a · Dt+b · Cr+c · Ca+d · Cg+e · Cs，計算出自己的能力等級；所述指示信息為短信標(biāo)幀(beacon)，beacon就是一個離開的指示信令；各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點只有在接收到所述指示信息后才開始下一步工作，收不到指示信令的潛在網(wǎng)關(guān)節(jié)點不會執(zhí)行此步驟，即不會計算自己的能力等級；5)所述潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點與所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行能力等級比較，如果高于所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的能力等級，就利用上行鏈路向基站發(fā)送請求取代成為新網(wǎng)關(guān)的信令；6)基站通過相應(yīng)比較選擇最優(yōu)的一個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點成為新網(wǎng)關(guān)，并向其發(fā)送同意替代現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)的信令；7)新網(wǎng)關(guān)向所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)送請求交接信令，所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)收到請求后，向新網(wǎng)關(guān)發(fā)送同意交接信令，并將該傳感網(wǎng)絡(luò)ID號，路由信息，節(jié)點信息等相關(guān)信息發(fā)送給新網(wǎng)關(guān)，以方便其完成無縫切換。本發(fā)明所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法降低了路由重建中的能量損耗和不必要的信令交互，延長了 WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了能量使用效率。本發(fā)明的適用場景是在人員相對比較集中的城市熱點地區(qū)。在該區(qū)域中，有大量的能夠成為移動網(wǎng)關(guān)的移動終端存在，并且在該區(qū)域中，蜂窩網(wǎng)的負(fù)載也比較大，因此，本發(fā)明在能更好的完成移動網(wǎng)關(guān)的重新選擇的同時，還能有效地減少蜂窩網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。在城市熱點區(qū)域中，在蜂窩基站側(cè)，基站保存其覆蓋區(qū)域中的所有傳感網(wǎng)絡(luò)的移動網(wǎng)關(guān)能力等級參數(shù)。當(dāng)有移動終端進(jìn)入相應(yīng)傳感網(wǎng)區(qū)域時，移動終端通過實施例所述的能力等級計算公式自行計算出自身的移動網(wǎng)關(guān)能力等級，而無需將相關(guān)參數(shù)發(fā)送至基站側(cè)，減少了基站的負(fù)載。潛在移動網(wǎng)關(guān)通過與偵聽獲得的該傳感網(wǎng)區(qū)域中現(xiàn)有移動網(wǎng)關(guān)能力等級進(jìn)行比較， 如果不如原有的等級高就不向基站發(fā)送請求網(wǎng)關(guān)改變的信令，這將在保證網(wǎng)關(guān)重新選擇時，減少相關(guān)信令的開銷。在將來的工作設(shè)計中，可以通過調(diào)節(jié)移動網(wǎng)關(guān)能力等級計算公式中，相關(guān)參數(shù)的加權(quán)因子，以實現(xiàn)本發(fā)明所述方法對各個環(huán)境的適用，這樣的改變是極其容易的，并能大大提高蜂窩網(wǎng)與傳感網(wǎng)融合架構(gòu)下的網(wǎng)關(guān)重新選擇的性能。實施例二本實施例提供一種本發(fā)明所述方法在無線傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用過程，詳細(xì)過程如下作為移動網(wǎng)關(guān)的手機(jī)是雙模式通信手機(jī)，具有傳感網(wǎng)絡(luò)通信模塊和蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模塊；無線傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點通過手機(jī)移動網(wǎng)關(guān)將檢測到的數(shù)據(jù)通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺服務(wù)器，實現(xiàn)實時監(jiān)測、感知和采集各種監(jiān)測環(huán)境和對象的信息，在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。 這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，當(dāng)一個即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)沒有能力為目前所處的傳感網(wǎng)區(qū)域服務(wù)時，向基站發(fā)送一個網(wǎng)關(guān)釋放請求；步驟二，當(dāng)基站收到所述網(wǎng)關(guān)釋放請求后，向處于所述傳感網(wǎng)區(qū)域的所有移動終端廣播即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的信息；所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的信息包含即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的ID號和即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的能力等級參數(shù)；步驟三，所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)通過傳感網(wǎng)信道向所述傳感網(wǎng)區(qū)域中的各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播指示信息；步驟四，所述傳感網(wǎng)區(qū)域中的各個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點偵聽到所述指示信息后，計算出自己的能力等級；步驟五，所述潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點與所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行能力等級比較，如果高于所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的能力等級，就利用上行鏈路向基站發(fā)送請求取代成為新網(wǎng)關(guān)的信令；步驟六，基站通過相應(yīng)比較選擇最優(yōu)的一個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點成為新網(wǎng)關(guān)，并向其發(fā)送同意替代現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)的信令；步驟七，新網(wǎng)關(guān)與所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無縫切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法， 其特征在于步驟四中，所述移動網(wǎng)關(guān)的能力等級的計算公式為GW-Ievel = a*Dt+b .Cr+c Ca+d.Cg+e .Cs，其中，Dt表示駐留時間，定義為移動終端在一個指定的傳感網(wǎng)絡(luò)中停留的時間；Cr表示覆蓋范圍，定義為移動終端能夠一跳直接通信的節(jié)點個數(shù)； Ca表示負(fù)載能力，定義為移動終端能夠為傳感節(jié)點提供網(wǎng)關(guān)功能服務(wù)的節(jié)點個數(shù)；Cg表示信道質(zhì)量，定義為移動終端與現(xiàn)存網(wǎng)關(guān)之間的信道情況；Cs表示信道質(zhì)量，定義為移動終端與傳感網(wǎng)各個節(jié)點之間的平均信躁比；a、b、c、d和e是各個參數(shù)前的加權(quán)因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，其特征在于所述步驟七的詳細(xì)實現(xiàn)過程為新網(wǎng)關(guān)向所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)發(fā)送請求交接信令，所述即將離開的移動網(wǎng)關(guān)收到請求后，向新網(wǎng)關(guān)發(fā)送同意交接信令，并將所述傳感網(wǎng)區(qū)域的ID號，路由信息，節(jié)點信息發(fā)送給新網(wǎng)關(guān)，以便完成無縫切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，其特征在于所述移動終端具有傳感網(wǎng)絡(luò)通信模塊和蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，其特征在于所述移動終端為手機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于傳感網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合的移動網(wǎng)關(guān)選擇方法，包括步驟一，即將離開的移動網(wǎng)關(guān)向基站發(fā)送網(wǎng)關(guān)釋放請求；步驟二，基站收到網(wǎng)關(guān)釋放請求后廣播即將離開的移動網(wǎng)關(guān)的信息；步驟三，即將離開的移動網(wǎng)關(guān)向傳感網(wǎng)區(qū)域中的潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播指示信息；步驟四，潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點偵聽到指示信息后計算出自己的能力等級；步驟五，潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點的能力等級如果高于即將離開的移動網(wǎng)關(guān)則向基站發(fā)送請求取代成為新網(wǎng)關(guān)的信令；步驟六，基站選擇最優(yōu)的一個潛在移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點成為新網(wǎng)關(guān)；步驟七，新網(wǎng)關(guān)與即將離開的移動網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無縫切換。本發(fā)明降低了路由重建中的能量損耗和不必要的信令交互，延長了WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號H04W36/18GK102595539SQ20111000120
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者單聯(lián)海, 姚偉, 張健, 胡宏林 申請人:上海無線通信研究中心