面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法及系统。

背景技术

Relay系统包含宿主基站DeNB和中继站RN两个逻辑节点，其基本原理是宿主基站将信号发给用户UE，或者发送给一个中继节点RN，再由RN转发给UE；在Relay方案中，采用多跳结构，即每个宿主基站可以接入一定数量的子站，子站与子站之间可以级联，良好的无线回传拓扑结构将会大大降低成本、减小微波的回传路径损耗。

现有技术大多只关注基站和中继站的部署拓扑规划，例如专利申请号为CN201910187173.1的发明专利，公开了《一种面向无线回传问题的动态协同拓扑规划方法及系统》，该专利根据基站大规模候选站点间的违反约束条件程度、建设成本和路径损耗建立无线回传拓扑规划问题数学模型；然后对通信基站大规模站点进行分组求解，得到局部最优部署站点方案，局部最优部署站点方案包括候选站点的类型以及候选站点间的连接关系；根据局部最优部署站点方案得到各组站点的连接关系和各组站点间的距离，再对分组结果进行调整，得到最优无线回传拓扑规划部署方案，该专利能够将大规模站点动态分组而且同时优化，提供的规划方法更加可靠、有效，但该专利的无线回传拓扑规划一旦确定，则无法根据环境和设备的状态进行适时调整。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的无法根据环境和设备的状态进行适时调整的缺陷而提供一种面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法及系统，该发明能够根据环境和设备状态自适应调整低成本且满足回传路径损耗约束情况的无线回传方案。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法，包括如下步骤：

获取所有路边站和接入站的地理位置，设置约束条件，根据路边站和接入站的地理位置，在满足约束条件的前提下，根据最小准则进行连接，随机生成初始的无线回传拓扑模型；

采用优化算法，降低初始的无线回传拓扑模型在全局回传中的路径损耗和成本，得到最终的无线回传拓扑模型；

每隔时间T反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态，网络状态包括负载状态，各站点的运行状态和各站点的电量状态，并根据网络状态调整无线回传拓扑模型。

优选地，描述约束条件的公式具体为：

若C

C

式中，A(i,j)为i站点和j站点之间的连接情况，D

优选地，采用自由空间传播模型估计各站点之间的路径损耗，描述该路径损耗的公式为：

PL＝32.5+20lg(L)+20lg(F)

式中，PL为路径损耗，L为所有路边站回传路径的总和，单位为km，F为发射频率，单位为MHz。

优选地，在反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态的过程中，若存在站点发生故障，则重新确定无线回传拓扑模型。

优选地，在反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态的过程中，在反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态的过程中，若存在站点的电量保持一段时间连续降低，且低于设定阈值，则根据该站点的电量提升该站点的成本。

优选地，在反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态的过程中，若存在站点的负载较大，则通过增加回传连接通路、增加通路包含条数和/或扩大接入站服务的路边站数调整无线回传拓扑模型。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种实现如上任一所述的面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法的动态自适应路径规划系统，包括：

站点信息获取模块：用以获取所有路边站和车联网中心接入站的地理位置，各站点的成本系数，各站点的路径损耗，各站点的约束条件；

初始模型建立模块：用以根据各站点的地理位置和约束条件，建立各站点之间的初始连接关系，进而建立初始的无线回传拓扑模型；

优化求解模块：用以根据各站点的成本系数和路径损耗，对初始的无线回传拓扑模型进行优化，以降低初始的无线回传拓扑模型在全局回传中的路径损耗和成本，得到最终的无线回传拓扑模型；

网络状态反馈接收模块：用以接收各站点的网络状态，网络状态包括电量状态、运行状态以及负载程度，并根据网络状态向初始模型建立模块发送参数，调整无线回传拓扑模型。

优选地，当站点发生故障时，网络状态反馈接收模块向初始模型建立模块发送重新建立信息，初始模型建立模块重新接收站点信息获取模块的信息，重新建立无线回传拓扑模型。

优选地，当站点的电量保持一段时间连续降低，网络状态反馈接收模块根据电量的大小确定该站点的成本，并将修改后的成本发送至初始模型建立模块，调整无线回传拓扑模型。

优选地，当负载较大时，网络状态反馈接收模块根据负载情况确定是否增加回传连接通路、增加条数和扩大接入站服务的路边站的数目，并将信息发送至初始模型建立模块，调整无线回传拓扑模型。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明通过根据路边站的相互位置，站点间拓扑关系限制等约束条件，确定初始的无线回传拓扑模型，再根据成本和路径损耗对初始模型进行调整，使得本发明提供的动态自适应路径规划方法能够根据环境和站点状态调整低成本且满足回传路径损耗约束情况。

(2)本发明通过每隔时间T反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态，确定当前的无线回传拓扑模型能否最好地支持当前环境和站点状态，并对无线回传拓扑模型及时作出调整，相比于现有技术，本发明将在长周期内提升无线数据回传的效率，保证低能源地区数据实时接入中心，以及保证全路段的网数据接入。

附图说明

图1为本发明提供的一种面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法的流程示意图。

图2为站点发生故障的示意图。

图3为各站点电量状态反馈的示意图。

图4为各站点接受负载程度反馈的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参考图1所示，本实施例提供一种面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法，该工业网络为车辆网，方法包括如下步骤：

S1：获取所有路边站和车联网中心接入站的地理位置。

S2：设置约束条件，根据路边站和接入站的地理位置，在满足约束条件的前提下，根据最小准则进行连接，随机生成初始的无线回传拓扑模型。

约束条件包括各路边站之间的最大传播距离，路边站与接入站之间的最大传播距离，每个路边站无线回传连接的最大条数，路边站和接入站的成本，站点之间的路径损耗，接入站的最大接入数，路边站和接入站连接的通路所包含的最大跳数。

具体地，路边站和接入站之间的最大传播距离为D，即首跳距离≤D；各路边站之间通过微波连接，各路边站之间的最大传播距离为d，即之后每跳距离≤d；每个路边站最多有L

具体的参数参考下表所示：

描述约束条件的公式具体为：

若C

C

S3：采用优化算法，降低初始的无线回传拓扑模型在全局回传中的路径损耗和成本，得到最终的无线回传拓扑模型。

作为一种可选的实施方式，优化算法包括贪心算法和模拟退火算法。

作为一种可选的实施方式，采用自由空间传播模型估计各站点之间的路径损耗，描述该路径损耗的公式为：

PL＝32.5+20lg(L)+20lg(F)

式中，PL为路径损耗，L为所有路边站回传路径的总和，单位为km，F为发射频率，单位为MHz，在本实施例中，发射频率采用5.8GHz。

在本实施例中，接入站的成本为10，路边站的成本为5。

S4：每隔时间T反馈当前无线回传拓扑模型的网络状态，网络状态包括负载状态，各站点的运行状态和各站点的电量状态，并根据网络状态调整无线回传拓扑模型。

作为一种可选的实施方式，参考图2所示，当存在站点发生故障时，将会直接影响部分路段的数据接入问题，因此根据S1～S3重新确定无线回传拓扑模型。

作为一种可选的实施方式，参考图3所示，在一些地区，尤其是边远地区，站点能源匮乏，为保证全路段的接入，需要考虑各站点的电量情况，电量低的站点在无线链路中的优先级低，通过提高其成本值来降低电量低的站点的使用率。

比如，将需要节能的路边站成本提高到10(触发条件为设备电量连续2小时降低，且电量低于50％)，将电量极低的路边站成本提高到50(触发条件为电量连续两小时降低且电量低于10％)，该方式区别于站点故障，电量极低的站点虽然成本高，但是仍然会工作，如果检测到没有同时触发上述任何挡位的两个条件，则成本回到前一挡位。

作为一种可选的实施方式，参考图4所示，道路中会存在车辆交汇处，限速很低的路段，还有发生交通故障或者边远地区部分路遭到落石阻挡等情况，车流量大，此路段的车辆拥挤，因此需要反馈一段时间内的负载状态。

当负载较大时，通过增加回传连接通路，比如一个路边站可以归属于两个接入站；增加跳数，比如通路可以包含跳数增加到8；还有扩大相邻区域的设备的服务范围来减缓压力，比如接入站可以服务的路边站数增加到2N。

根据本发明的第二个方面，本实施例提供一种实现如上所述的面向工业网络无线回传的动态自适应路径规划方法的动态自适应路径规划系统，包括：

站点信息获取模块：用以获取所有路边站和车联网中心接入站的地理位置，各站点的成本系数，各站点的路径损耗，各站点的约束条件。

初始模型建立模块：用以根据各站点的地理位置和约束条件，建立各站点之间的初始连接关系，进而建立初始的无线回传拓扑模型。

优化求解模块：用以根据各站点的成本系数和路径损耗，对初始的无线回传拓扑模型进行优化，以降低初始的无线回传拓扑模型在全局回传中的路径损耗和成本，得到最终的无线回传拓扑模型。

网络状态反馈接收模块：用以接收各站点的网络状态，网络状态包括电量状态、运行状态以及负载程度，并根据网络状态向初始模型建立模块发送参数，调整无线回传拓扑模型。

作为一种可选的实施方式，当站点发生故障时，网络状态反馈接收模块向初始模型建立模块发送重新建立信息，初始模型建立模块重新接收站点信息获取模块的信息，重新建立无线回传拓扑模型。

作为一种可选的实施方式，当站点的电量保持一段时间连续降低，网络状态反馈接收模块根据电量的大小确定该站点的成本，并将修改后的成本发送至初始模型建立模块，调整无线回传拓扑模型。

作为一种可选的实施方式，当负载较大时，网络状态反馈接收模块根据负载情况确定是否增加回传连接通路、增加条数和扩大接入站服务的路边站的数目，并将信息发送至初始模型建立模块，调整无线回传拓扑模型。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。