CN111683377A - 一种面向配电网的实时可靠中继部署方法 - Google Patents

Abstract

一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，根据实测信道质量重新估计各部署位置通信半径，重新构建通信拓扑图用于指导部署，每次选取一个满足实时性要求的部署位置进行尝试部署，估计各部署位置通信半径的方法包括分类通信节点步骤；对能测量收包率的通信节点通过路径损耗因数、信噪比相关关系计得；对不能测量收包率的通信节点的通信半径等同于其最近的能测量收包率的通信节点的通信半径。这样有效克服传统离线部署方法准确性差的缺点、保证网络可靠性。

Description

一种面向配电网的实时可靠中继部署方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络构建方法，具体涉及一种面向配电网的实时可靠中继部署方法。

背景技术

无线传感器网络已被各种应用广泛采用，其通常由大规模的无线传感器节点及少量的汇聚节点组成，借助单/多跳路径通信。由于通信、计算、能耗等限制，仅由传感器节点构成的网络存在诸多缺陷，如能耗不均衡、网络寿命短暂、通信距离短、可扩展性差等。为此，国内外学者主张通过部署额外中继节点为整个网络搭建连通的拓扑结构，以增强网络性能。中继节点的部署直接构建网络拓扑连通性，深刻影响无线传感器网络各层协议的性能，因而被广泛而深入地研究。

无线传感器网络以其低成本、安装方便和易维护等优点，正逐步应用于多种工业场景中。配电网检测是无线传感器网络在工业领域的重要应用场景，其主要目的为针对配电网线路、设备实现实时监测、故障预测等功能。配电网覆盖范围大，因此其所在区域地形复杂，如采用传统有线通信系统不仅将大幅增加网络部署费用，甚至严重时难以部署通信网络。无线传感器网络无需铺设线路，因此可以很好适应配电网各种复杂环境，有效降低网络部署成本。

但是配电网部署现场地形复杂，尤其配电网中的各类开关站具有射频环境恶劣、金属遮挡严重等特点，令配电网中的低功耗有损信道具有高度动态性、不确定性，使得离线静态信道模型失去使用价值。因此，无法利用静态信道模型事先准确获得部署区域任意两点间信道质量。另外，配电网覆盖范围较大，无法对部署区域内所有位置进行信道质量检测，这使得全局信道信息缺失。不幸的是，已有研究的基础假设即为全局信道质量信息在中继部署前已知且准确。这意味着已有研究成果、经验不再适用于面向配电网的无线传感器网络。

发明内容

本发明的第一发明目的是提供一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法，以解决受物理阻隔影响，不易获取具体应用场合中通信节点的通信半径的技术问题。

本发明的第二发明目的是提供一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，以解决受物理阻隔影响，不易于在无线通信网络快速新增有效中继节点的技术问题。

本发明的第三发明目的是提供一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，以解决受物理阻隔影响，不易于快速部署能够满足通信需要的无线通信网络的技术问题。

为解决上述技术问题，可以根据需要选用如下技术方案：

一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法，所述通信节点由网关节点、传感器节点和候选节点构成，用于部署所述通信节点的位置包括网关节点部署位置、n个传感器节点部署位置和m个候选节点部署位置，所述网关节点集合为{g}，所述传感器节点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_n}，所述候选节点集合为C＝{c₁,c₂,…,c_m}，包括以下步骤：

步骤1，获取所述通信节点的初始通信半径r、传感器节点跳数约束δ和信道质量约束θ；所有能够测量收包率的通信节点组成集合

所有不能够测量收包率的通信节点组成集合

步骤2，获取能够测量收包率的通信节点对应的通信半径，包括以下分步骤，

分步骤2a，取集合

内的一个通信节点，记为通信节点u，生成对应于通信节点u的最大通信半径集合

分步骤2b，再取集合

内另一通信节点，记为通信节点v，根据通信节点u和通信节点v之间的实测收包率Ψ(u,v)，以及通信节点u的位置信息、通信节点v的位置信息获得通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数a；

计得最小信噪比

式中，ρ为数据率，B_N为噪声带宽，l为数据报长度，函数Q^-1(x)为函数Q(x)的反函数，θ为信道质量约束；

计得通信节点u经通信节点v后的最大通信半径

式中，p为发射功率，PL为参考距离平均路径损耗，P_n为噪声基底，d₀为参考距离，γ_min(u,v)为通信节点u和通信节点v之间最小信噪比，a为通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数；

更新R_u＝R_u∪{d_max(u,v)}；

分步骤2c，重复执行分步骤2b，以获得通信节点u与集合

内所有其他通信节点之间的最大通信半径集合R_u，则通信节点u的通信半径r_u＝min R_u；

步骤3，重复执行步骤2，以获得集合

中任一元素对应的通信节点

的通信半径；

步骤4，集合

中任一元素对应的通信节点

的通信半径置为该通信节点

距集合

中最近的通信节点所对应的通信半径。

优选的，在所述步骤2中，根据集合

的通信节点u和通信节点v之间的实测收包率Ψ(u,v)，以及通信节点u的位置信息、通信节点v的位置信息获得通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数a的方法包括以下步骤：

通信节点u和通信节点v之间的信噪比

式中，ρ为数据率，B_N为噪声带宽，l为数据报长度，函数Q^-1(x)为函数Q(x)的反函数；

通信节点u和通信节点v之间的路径损耗因数

式中，p为发射功率，PL为参考距离平均路径损耗，P_n为噪声基底，d为通信节点u和通信节点v之间的距离，d₀为参考距离。

一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，所述通信节点由网关节点、传感器节点和候选节点构成，用于部署所述通信节点的位置包括网关节点部署位置、n个传感器节点部署位置和m个候选节点部署位置，所述网关节点集合为{g}，所述传感器节点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_n}，所述候选节点集合为C＝{c₁,c₂,…,c_m}；其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，设上一轮部署通信节点为w，记通信节点w的双亲节点为p(w)，从网关节点到上一轮部署通信节点w的跳数为κ(w)，已部署中继节点集合为R，记录还原点A；使用前述的估测通信网络内通信节点的通信半径的方法估测所有通信节点的通信半径，构建通信拓扑图G＝(V,E)，其中，V为通信节点集合，E为边集合；

步骤B，更新上一轮部署通信节点w以部署中继节点，构造上一轮部署通信节点w在通信拓扑图G中的所有邻居通信节点形成集合N_G(w)，逐一实测上一轮部署通信节点w与集合N_G(w)∩S中的任一传感器节点s之间的收包率Ψ(s,w)，设信道质量约束为θ，与上一轮部署通信节点w之间的收包率Ψ(s,w)≥θ的传感器节点为第一传感器节点，从集合S中删除第一传感器节点并更新集合S；

遍历集合Ω＝N_G(w)\(R∪S)中的每一通信节点u，以获取每一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合Υ(u)为

{Υ(u)|s∈S,h(p_G(s,u))+κ(w)+1≤δ} (5)

式中，p_G(s,u)表示通信拓扑图G中从传感器节点s到通信节点u的最短路径；

记录还原点B；

步骤C，若

或集合Ω中任一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则还原至还原点A，并重新执行步骤B；若

且集合Ω中所有通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则赋权Υ(u)中每个非空的通信节点u的权值为

式中，T_G(u,Υ(u))表示通信拓扑图G中一棵从通信节点u到通信节点u对应的Υ(u)中所有传感器节点的最短路径树，|x表示路径树x上的通信节点个数；

在集合Ω中的所有的通信节点对应的权值ω(u)中，设权值ω(u)最小的通信节点对应于中继节点t的部署位置，实测中继节点t与上一轮部署通信节点w之间的Ψ(t,w)，使用前述的估测通信网络内通信节点的通信半径的方法重新估测所有通信节点的通信半径；

若Ψ(t,w)≥θ，则通信网络中成功部署一个新的中继节点t，更新w＝t，p(t)＝w，κ(t)＝κ(w)+1，R＝R∪{t}；若Ψ(t,w)＜θ，则Ω＝Ω\{t}，并还原至还原点B，并重新执行步骤C。

优选的，在所述步骤A中，若上一轮部署通信节点w为网关节点g，则

p(w)＝-1，κ(w)＝0。

优选的，在所述步骤A中，边集合E中的边元素的构造方法包括以下步骤：遍历通信节点集合V中任意两个通信节点u和通信节点v，若||u-v||＜min(r_v,r_u)，则通信拓扑图G中存在一条连接通信节点u和通信节点v两点的边，其中，||u-v||为通信节点u和通信节点v之间的距离，r_u为通信节点u的通信半径，r_v为通信节点v的通信半径。

优选的，还包括设置在所述步骤C后的步骤D，所述步骤D包括：在所述集合

时，每成功部署一个中继节点后，重复执行所述步骤B至步骤C过程，直至所述集合

本发明是在充分考虑配电网覆盖区域内地形复杂、射频干扰严重等特点，以及配电网对部署成本、网络可靠性、实时性等方面需求下提出的，该方法能够在复杂地形、射频环境中以较低的部署成本，成功铺设满足实时性、可靠性约束的无线传感器网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的估测通信网络内通信节点的通信半径的方法能够根据部署时测量信道质量，重新估计部署区域内所有部署位置通信半径，用于指导部署过程。这种在线实时的信道估计方法，可以有效避免已有部署方法采用离线静态模型所带来的信道质量预测准确性差、无法保证网络可靠性的缺点。

(2)本发明的一种面向配电网的实时可靠中继部署方法区别于已有离线部署策略的在线中继部署方法，该方法利用前述通信半径估测方法在每轮部署后重新根据实测信道质量重新估计各部署位置通信半径，并重新构建通信拓扑图用于指导部署，这样有效克服传统离线部署方法准确性差的缺点、保证网络可靠性。另一方面，该方法采用深度优先的部署策略，每次选取一个满足实时性要求的部署位置进行尝试部署，以满足配电网实时性需求。此外，深度优先的策略便于现场部署实施。

附图说明

图1为本发明一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法的流程图。

图2为本发明一种面向配电网的实时可靠中继部署方法的流程图。

图3为本发明一种面向配电网的实时可靠中继部署方法部署中继节点的流程图。

图4为一种应用本发明的估测通信网络内通信节点的通信半径的方法估计示意图。

图5为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图一。

图6为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图二。

图7为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图三。

图8为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图四。

图9为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图五。

图10为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图六。

图11为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图七。

图12为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的渐近式部署示意图八。

图13为一种应用本发明的面向配电网的实时可靠中继部署方法的部署过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以实施例的形式说明本发明，以辅助本技术领域的技术人员理解和实现本发明。除另有说明外，不应脱离本技术领域的技术知识背景理解以下的实施例及其中的技术术语。

在本发明中的表达方式采用以下定义：

代数式{A}\{B}表示删除集合{A}中的集合{B}包含的所有元素，并更新集合{A}。

等式x＝x+1表示原x+1后更新x，也就是等式左侧的x为更新后的x，等式右侧的x为更新前的x，这类似于计算机程序中的指针更新。

等式A＝A∪B表示原集合A与集合B并集运算后更新集合A，也就是等式左侧的集合A为更新后的集合A，等式右侧的集合A为更新前的集合A，这类似于计算机程序中的指针更新。

本发明的第一部分

一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法，参见图1，所述通信节点由网关节点、传感器节点和候选节点构成，用于部署所述通信节点的位置包括网关节点部署位置、n个传感器节点部署位置和m个候选节点部署位置，所述网关节点集合为{g}，所述传感器节点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_n}，所述候选节点集合为C＝{c₁,c₂,…,c_m}，包括以下步骤：

步骤1，获取所述通信节点的初始通信半径r、传感器节点跳数约束δ和信道质量约束θ；其中，跳数约束用来控制传感器节点到网关节点的时延和可靠性；所有能够测量收包率的通信节点组成集合

所有不能够测量收包率的通信节点组成集合

步骤2，获取能够测量收包率的通信节点对应的通信半径，包括以下分步骤，

分步骤2a，取集合

内的一个通信节点，记为通信节点u，生成对应于通信节点u的最大通信半径集合

分步骤2b，再取集合

中另一通信节点，记为通信节点v，根据通信节点u和通信节点v之间的实测收包率Ψ(u,v)，以及通信节点u的位置信息、通信节点v的位置信息获得通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数a，具体如下：

通信节点u和通信节点v之间的信噪比

式中，ρ为数据率，B_N为噪声带宽，l为数据报长度(单位bit)，函数Q^-1(x)为函数Q(x)的反函数；

通信节点u和通信节点v之间的路径损耗因数

式中，p为发射功率，PL为参考距离平均路径损耗，P_n为噪声基底，d为通信节点u和通信节点v之间的距离，d₀为参考距离；

根据下式计得最小信噪比γ_min(u,v)

式中，ρ为数据率，B_N为噪声带宽，l为数据报长度，函数Q^-1(x)为函数Q(x)的反函数，θ为信道质量约束；

计得通信节点u经通信节点v后的最大通信半径

式中，p为发射功率，PL为参考距离平均路径损耗，P_n为噪声基底，d₀为参考距离；

更新R_u＝R_u∪{d_max(u,v)}；

分步骤2c，重复执行分步骤2b，以获得集合

内通信节点u与集合

内所有其他通信节点之间的最大通信半径集合R_u，则通信节点u的通信半径r_u＝min R_u；

步骤3，重复执行步骤2，以获得集合

中任一元素对应的通信节点

的通信半径；

步骤4，集合

中任一元素对应的通信节点

的通信半径置为该通信节点

距集合

中最近的通信节点所对应的通信半径。

应当明白，图1中的双点划线框对应于步骤2。

应当明白，候选节点部署位置可以部署有通信设备，也可以处于未部署通信设备的预留状态。所有部署有通信设备的部署位置对应的通信节点均能够测量收包率，其构成集合

所有未部署通信设备的部署位置对应的通信节点均不能够测量收包率，其构成集合

实施例1：图4为对数距离路径损耗模型的通信距离估计示意图。图中已经测试过的通信节点间收包率分别为Ψ(c₄,c₁₃)＝0.93，Ψ(c₁₂,c₁₃)＝0.76，Ψ(c₁₅,c₁₃)＝0.87，Ψ(c₁₁,c₁₆)＝0.95，Ψ(c₁₁,s₂)＝0.96，Ψ(c₁₁,c₁₀)＝0.91，Ψ(c₁₁,c₉)＝0.78，Ψ(c₆,c₇)＝0.76。在用户输入发射功率p、参考距离平均路径损耗PL、参考距离d₀、噪声基底P_n、噪声带宽B_N、数据率ρ、数据报长度l bit等参数后，可以根据式(9)-(12)可以计算出沿各个已测方向的最大通信半径d_max(c₄,c₁₃)，d_max(c₁₂,c₁₃)，d_max(c₁₅,c₁₃)，d_max(c₁₁,c₁₆)，d_max(c₁₁,s₂)，d_max(c₁₁,c₁₀)，d_max(c₁₁,c₉)，d_max(c₆,c₇)。此后，就可以根据这些已测值，推测所有通信节点的最大通信半径。例如要估计c₁₃的通信半径，由于c₁₃为已测通信节点，首先找出其所有已测方向最大估计半径d_max(c₄,c₁₃)，d_max(c₁₂,c₁₃)，d_max(c₁₅,c₁₃)，可以看出d_max(c₁₂,c₁₃)为最小值，所以c₁₃的通信半径为d_max(c₁₂,c₁₃)。又例如要估计c₂，通信半径，因为c₂为待测试通信节点，首先找到距离c₂最近的已测通信节点，可知是c₆。接着计算c₆通信半径，c₆只测试过一个方向，即Ψ(c₆,c₇)＝0.76，据此值由式(9)-(12)可以计算出d_max(c₆,c₇)，这样c₆半径算出。由步骤2可知c₂通信半径为d_max(c₆,c₇)。

本发明的第二部分

本发明的一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，参见图3，所述通信节点由网关节点、传感器节点和候选节点构成，用于部署所述通信节点的位置包括网关节点部署位置、n个传感器节点部署位置和m个候选节点部署位置，所述网关节点集合为{g}，所述传感器节点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_n}，所述候选节点集合为C＝{c₁,c₂,…,c_m}，包括以下步骤：

步骤A，设上一轮部署通信节点为w，记通信节点w的双亲节点为p(w)，从网关节点到上一轮部署通信节点w的跳数为κ(w)，已部署中继节点集合为R，记录还原点A；一般的，在网关节点部署位置部署网关节点g，在候选节点部署位置部署中继节点；

使用本发明的第一部分公开的一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法估测所有通信节点的通信半径，构建通信拓扑图G＝(V,E)，其中，V为通信节点集合，E为边集合；

边的构造方法如下：遍历通信节点集合V中任意两个通信节点u和通信节点v，若||u-v||＜min(r_v,r_u)，则通信拓扑图G中存在一条连接通信节点u和通信节点v两点的边，其中，||u-v||为通信节点u和通信节点v之间的距离，r_u为通信节点u的通信半径，r_v为通信节点v的通信半径。

步骤B，更新上一轮部署通信节点w以部署中继节点，一般的，在候选节点部署位置部署中继节点，构造上一轮部署通信节点w在通信拓扑图G中的所有邻居通信节点形成集合N_G(w)，逐一实测上一轮部署通信节点w与集合N_G(w)∩S中的任一传感器节点s之间的收包率Ψ(s,w)，设信道质量约束为θ，与上一轮部署通信节点w之间的收包率Ψ(s,w)≥θ的传感器节点为第一传感器节点，从集合S中删除第一传感器节点并更新集合S；

遍历集合Ω＝N_G(w)\(R∪S)中的每一通信节点u，以获取每一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合Υ(u)为

{Υ(u)|s∈S,h(p_G(s,u))+κ(w)+1≤δ} (13)

式中，p_G(s,u)表示通信拓扑图G中从传感器节点s到通信节点u的最短路径；

记录还原点B；

步骤C，若

或集合Ω中任一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则还原至还原点A，并重新执行步骤B；若

且集合Ω中所有通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则赋权Υ(u)中每个非空的通信节点u的权值为

式中，T_G(u,Υ(u))表示通信拓扑图G中一棵从通信节点u到通信节点u对应的Υ(u)中所有传感器节点的最短路径树，|x|表示路径树x上的通信节点个数；

在集合Ω中的所有的通信节点对应的权值ω(u)中，设权值ω(u)最小的通信节点对应于部署位置t，实测部署位置t与上一轮部署通信节点w之间的Ψ(t,w)，使用本发明的第一部分公开的一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法重新估测所有通信节点的通信半径；

若Ψ(t,w)≥θ，则通信网络中成功部署一个新的中继节点t，置w＝t，p(t)＝w，κ(t)＝κ(w)+1，R＝R∪{t}；若Ψ(t,w)＜θ，则Ω＝Ω\{t}，并还原至还原点B，并重新执行步骤C。

应当明白，在图3中，步骤A中上一轮部署通信节点w可以是网关节点，也可以是中继节点。图3中的双点画线框对应于步骤C。若步骤A中上一轮部署通信节点w为网关节点g，则

p(w)＝-1，κ(w)＝0。

本发明的第三部分

本发明的一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，参见图2-3，所述通信节点由网关节点、传感器节点和候选节点构成，用于部署所述通信节点的位置包括网关节点部署位置、n个传感器节点部署位置和m个候选节点部署位置，所述网关节点集合为{g}，所述传感器节点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_n}，所述候选节点集合为C＝{c₁,c₂,…,c_m}，包括以下步骤：

步骤A，设上一轮部署通信节点为w，设通信节点w的双亲节点为p(w)，从网关节点到上一轮部署通信节点w的跳数为κ(w)，已部署中继节点集合为R，记录还原点A；一般的，在网关节点部署位置部署网关节点g；

使用本发明的第一部分公开的一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法估测所有通信节点的通信半径，构建通信拓扑图G＝(V,E)，其中，V为通信节点集合，E为边集合；

边的构造方法如下：遍历通信节点集合V中任意两个通信节点u和通信节点v，若||u-v||＜min(r_v,r_u)，则通信拓扑图G中存在一条连接通信节点u和通信节点v两点的边，其中，||u-v||为通信节点u和通信节点v之间的距离，r_u为通信节点u的通信半径，r_v为通信节点v的通信半径。

步骤B，更新上一轮部署通信节点w以部署中继节点，一般的，在候选节点部署位置部署中继节点，构造上一轮部署通信节点w在通信拓扑图G中的所有邻居通信节点形成集合N_G(w)，逐一实测上一轮部署通信节点w与集合N_G(w)∩S中的任一传感器节点s之间的收包率Ψ(s,w)，设信道质量约束为θ，与上一轮部署通信节点w之间的收包率Ψ(s,w)≥θ的传感器节点为第一传感器节点，从集合S中删除第一传感器节点并更新集合S；

遍历集合Ω＝N_G(w)\(R∪S)中的每一通信节点u，以获取每一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合Υ(u)为

{Υ(u)|s∈S,h(p_G(s,u))+κ(w)+1≤δ} (15)

式中，p_G(s,u)表示通信拓扑图G中从传感器节点s到通信节点u的最短路径；

记录还原点B；

步骤C，若

或集合Ω中任一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则还原至还原点A，并重新执行步骤B；若

且集合Ω中所有通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则赋权Υ(u)中每个非空的通信节点u的权值为

式中，T_G(u,Υ(u))表示通信拓扑图G中一棵从通信节点u到通信节点u对应的Υ(u)中所有传感器节点的最短路径树，|x|表示路径树x上的通信节点个数；

在集合Ω中的所有的通信节点对应的权值ω(u)中，设权值ω(u)最小的通信节点对应于部署位置t，实测部署位置t与上一轮部署通信节点w之间的Ψ(t,w)，使用本发明的第一部分公开的一种估测通信网络内通信节点的通信半径的方法重新估测所有通信节点的通信半径；

若Ψ(t,w)≥θ，则通信网络中成功部署一个新的中继节点t，置w＝t，p(t)＝w，κ(t)＝κ(w)+1，R＝R∪{t}；若Ψ(t,w)＜θ，则Ω＝Ω\{t}，并还原至还原点B，并重新执行步骤C；

步骤D，在所述集合

时，每成功部署一个中继节点后，重复执行所述步骤B至步骤C过程，直至所述集合

应当明白，在图3中，步骤A中部署的通信节点可以是网关节点，也可以是中继节点。图3中的双点画线框对应于步骤C。若步骤A中上一轮部署通信节点w为网关节点g，则

p(w)＝-1，κ(w)＝0。

实施例2：图5-图12为基于加权深度优先的渐进式中继部署方法示意图。部署从网关节点开始，即v＝g，p(g)＝-1,h(g)＝0。首先利用对数距离路径损耗模型的通信距离估计所有节点通信半径，并根据步骤A构建通信拓扑图如图5所示。然后进入步骤B搜索v的所有邻居节点，该轮中即g的所有邻居节点，由图5可知N_G(g)＝{c₁,c₂,c₃}。接着根据式(15)找出c₁、c₂和c₃所能有效连接的传感器节点集合，并根据式(16)计算c₁、c₂和c₃的权值。首先从c₁、c₂和c₃中选出权值最小的c₁，然后测试c₁和v(本轮即g)之间的收包率Ψ(c₁,g)，因为Ψ(c₁,g)≥θ，所以在c₁上部署一个中继，并将c₁记录入U。接着令p(c1)＝v，κ(c1)＝κ(v)+1，v＝c₁。然后进入下一轮，重复执行步骤B至步骤C。并在第二轮中在c₆部署一个中继节点。在第三轮过后，试图将中继放置在c₁₁位置，但是经测试后发现Ψ(c₁₁,c₆)无法满足可靠性约束θ，并在下轮经通信距离估计后发现通信拓扑图变化，如图6所示。在下一轮步骤C的中发现c₆无法再在拓扑图中找到能够有效连接传感器节点的邻居，因此当前部署位置v退回到其父节点c₁重新尝试部署。接着在c₁同样无法找到能够有效连接传感器节点的邻居，所以退回到c₁的父节点g，重新从g开始部署。

在后继部署过程中一直重复步骤B至步骤C，其中图7表示该方法一直沿着c₂、c₉、c₇、c₁₂成功部署，并将传感器节点s₁连接至网关节点；图8表示该方法一直无法找到能够有效连接剩余传感器节点的邻居，沿着c₁₂、c₇、c₉一直退回到c₂；图9表示该方法从c₂有成功找到有效连接剩余传感器节点的邻居，一直沿着c₂、c₈、c₁₃到c₁₆，并将传感器节点s₂连接至网关节点；图10表示在c16无法再找到可以有效连接剩余传感器节点的邻居，退回到c₁₃；图11表示在c₁₃有重新找到可以有效连接剩余传感器节点的邻居c₁₇，并通过该节点有效将最后一个传感器节点s₃连接至网关节点。至此，所有传感器节点均有效连接至网关节点。最后生成一棵以网管节点为根节点连接所有传感器节点的最短路径树，并剔除不在该树上的中继节点(即c₁和c₆)，最终输出结果如图12所示。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明。应当明白，实践中无法穷尽说明所有可能的实施方式，在此通过举例说明的方式尽可能的阐述本发明的发明构思。在不脱离本发明的发明构思、且未付出创造性劳动的前提下，本技术领域的技术人员对上述实施例中的技术特征进行取舍组合、具体参数进行试验变更，或者利用本技术领域的现有技术对本发明已公开的技术手段进行常规替换形成的具体的实施例，均应属于为本发明隐含公开的内容。

Claims (5)

1.一种面向配电网的实时可靠中继部署方法，所述通信节点由网关节点、传感器节点和候选节点构成，用于部署所述通信节点的位置包括网关节点部署位置、n个传感器节点部署位置和m个候选节点部署位置，所述网关节点集合为{g}，所述传感器节点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_n}，所述候选节点集合为C＝{c₁,c₂,…,c_m}；其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，设上一轮部署通信节点为w，记通信节点w的双亲节点为p(w)，从网关节点到上一轮部署通信节点w的跳数为κ(w)，已部署中继节点集合为R，记录还原点A；使用估测通信网络内通信节点的通信半径的方法估测所有通信节点的通信半径，构建通信拓扑图G＝(V,E)，其中，V为通信节点集合，E为边集合；

步骤B，更新上一轮部署通信节点w以部署中继节点，构造上一轮部署通信节点w在通信拓扑图G中的所有邻居通信节点形成集合N_G(w)，逐一实测上一轮部署通信节点w与集合N_G(w)∩S中的任一传感器节点s之间的收包率Ψ(s,w)，设信道质量约束为θ，与上一轮部署通信节点w之间的收包率Ψ(s,w)≥θ的传感器节点为第一传感器节点，从集合S中删除第一传感器节点并更新集合S；

遍历集合Ω＝N_G(w)\(R∪S)中的每一通信节点u，以获取每一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合Υ(u)为{Υ(u)|s∈S,h(p_G(s,u))+κ(w)+1≤δ} (1)

式中，p_G(s,u)表示通信拓扑图G中从传感器节点s到通信节点u的最短路径；

记录还原点B；

步骤C，若

或集合Ω中任一通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则还原至还原点A，并重新执行步骤B；若

且集合Ω中所有通信节点u所能有效连接的传感器节点集合

则赋权Υ(u)中每个非空的通信节点u的权值为

式中，T_G(u,Υ(u))表示通信拓扑图G中一棵从通信节点u到通信节点u对应的Υ(u)中所有传感器节点的最短路径树，|x|表示路径树x上的通信节点个数；

在集合Ω中的所有的通信节点对应的权值ω(u)中，设权值ω(u)最小的通信节点对应于中继节点t的部署位置，实测中继节点t与上一轮部署通信节点w之间的Ψ(t,w)，使用估测通信网络内通信节点的通信半径的方法重新估测所有通信节点的通信半径；

若Ψ(t,w)≥θ，则通信网络中成功部署一个新的中继节点t，更新w＝t，p(t)＝w，κ(t)＝κ(w)+1，R＝R∪{t}；若Ψ(t,w)＜θ，则Ω＝Ω\{t}，并还原至还原点B，并重新执行步骤C；

所述估测通信网络内通信节点的通信半径的方法，包括以下步骤：

步骤1，获取所述通信节点的初始通信半径r、传感器节点跳数约束δ和信道质量约束θ；所有能够测量收包率的通信节点组成集合

所有不能够测量收包率的通信节点组成集合

步骤2，获取能够测量收包率的通信节点对应的通信半径，包括以下分步骤，

分步骤2a，取集合

内的一个通信节点，记为通信节点u，生成对应于通信节点u的最大通信半径集合

分步骤2b，再取集合

内另一通信节点，记为通信节点v，根据通信节点u和通信节点v之间的实测收包率Ψ(u,v)，以及通信节点u的位置信息、通信节点v的位置信息获得通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数a；

计得最小信噪比

式中，ρ为数据率，B_N为噪声带宽，l为数据报长度，函数Q^-1(x)为函数Q(x)的反函数，θ为信道质量约束；

计得通信节点u经通信节点v后的最大通信半径

式中，p为发射功率，PL为参考距离平均路径损耗，P_n为噪声基底，d₀为参考距离，γ_min(u,v)为通信节点u和通信节点v之间最小信噪比，a为通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数；

更新R_u＝R_u∪{d_max(u,v)}；

分步骤2c，重复执行分步骤2b，以获得通信节点u与集合

内所有其他通信节点之间的最大通信半径集合R_u，则通信节点u的通信半径r_u＝min R_u；

步骤3，重复执行步骤2，以获得集合

中任一元素对应的通信节点

的通信半径；

步骤4，集合

中任一元素对应的通信节点

的通信半径置为该通信节点

距集合

中最近的通信节点所对应的通信半径。

2.如权利要求1所述的面向配电网的实时可靠中继部署方法，其特征在于，在所述步骤2中，根据集合

的通信节点u和通信节点v之间的实测收包率Ψ(u,v)，以及通信节点u的位置信息、通信节点v的位置信息获得通信节点u和通信节点v之间路径损耗因数a的方法包括以下步骤：

通信节点u和通信节点v之间的信噪比

式中，ρ为数据率，B_N为噪声带宽，l为数据报长度，函数Q^-1(x)为函数Q(x)的反函数；

通信节点u和通信节点v之间的路径损耗因数

式中，p为发射功率，PL为参考距离平均路径损耗，P_n为噪声基底，d为通信节点u和通信节点v之间的距离，d₀为参考距离。

3.如权利要求1所述的面向配电网的实时可靠中继部署方法，其特征在于，在所述步骤A中，若上一轮部署通信节点w为网关节点g，则

p(w)＝-1，κ(w)＝0。

4.如权利要求1所述的面向配电网的实时可靠中继部署方法，其特征在于，在所述步骤A中，边集合E中的边元素的构造方法包括以下步骤：遍历通信节点集合V中任意两个通信节点u和通信节点v，若||u-v||＜min(r_v,r_u)，则通信拓扑图G中存在一条连接通信节点u和通信节点v两点的边，其中，||u-v||为通信节点u和通信节点v之间的距离，r_u为通信节点u的通信半径，r_v为通信节点v的通信半径。

5.如权利要求1所述的面向配电网的实时可靠中继部署方法，其特征在于，还包括设置在所述步骤C后的步骤D，所述步骤D包括：在所述集合

时，每成功部署一个中继节点后，重复执行所述步骤B至步骤C过程，直至所述集合

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