一种无线异构网络协作通信控制系统及控制方法与流程
本发明属于输电线路监测技术领域，尤其涉及一种无线异构网络协作通信控制系统及控制方法。
背景技术：
随着智能移动电话及其新应用的需求增长，在蜂窝通信网中将会对网络覆盖面积和超高速通信提出更高的要求。但是，传统的宏蜂窝网，由于具有室内信号弱，热点覆盖问题，以及小区边缘用户通信速率低等缺点，已不适应新的要求。为了克服这些缺点，提供一种性能上的补充，异构蜂窝网(hcn)已在lte-a中得以应用，同时，它被认为是5g无线通信系统的关键技术。在hcn中，包括传统的宏蜂窝，以及各种类型的微蜂窝和微微蜂窝，基于空间频谱复用，为5g网提供无缝覆盖和更高的通信速率，以满足5g中数以千倍的移动通信要求和数量巨大的小型蜂窝的接入需求。近年来，随着异构网络的应用，已发现其可以增强信道容量和网络覆盖面积的同时，还可以节省能量消耗。异构网络(hetnet)是包含不同传输功率和覆盖面积的无线网络。大功率的节点由于覆盖面积大，所以布置在能够覆盖城市、郊区和农村的广大地区；而低功率节点由于覆盖面积有限，所以主要用于弥补大功率节点没有覆盖的区域。由于在无线环境中，信号比线性路径损耗指数更高，所以无线辐射的特点是低功率节点密集布置，相对于大功率节点稀疏布置，其能量效率更高。对于hetnet的研究，包括节点协作，负载平衡优化和小区间的干扰协调等。高低功率节点的资源利用，应该紧密协调起来，在hetnet中实现容量和覆盖区域的最大化，所以需要先进的小区干扰协调和协作技术，并依托不同的中心化优化技术实现，因而需要连续的无线和有线数据交换。通常，每个处理单元的基带和射频部分是在一起的，并且各个处理单元分散布置，这样，首先不利于进行中心化处理和系统优化，而且，随着处理单元的增加，功耗会线性增加。另一方面，由于电池技术发展缓慢，在新一代无线通信系统中，移动设备和无市电供给的设备，仍然受电池的发展制约。电池的容量不能满足高速通信的能量需求。当然，因为有类似太阳能、风能，以及地热和潮汐能的存在，我们可以采用能量获取技术加以利用。但是，这些能量受到诸如天气、位置或者气候的影响，它们并不能方便的用于移动设备，特别是在像室内这样的环境下，同时，这些能量的不稳定和不可控性，即使在户外也很难轻易的使用。所以，无线携能通信技术(swipt)成为能量获取的有效手段被广大研究者所重视。新一代无线通信系统中，超宽带、超大信道容量、空时复用、波束成形、载波聚合等是其重要的特征，而这些特点离不开现代天线技术的发展。由于应用需求的不同，有用于基站建设的大型阵列天线，也有配置于移动终端设备内的片上、印刷电路板天线。这些天线不但要完成正常的通信任务，同时，还要承担类似无线携能通信中的能量收集传感器的作用。综上所述，在无线异构网络中，有两类典型设备共存于网络中，即：1)、高功耗水平的高速网络设备，如高清视频数据流和高速运动物体的速度、加速度等快变量采集等设备；2)、在物联网、无线传感器网络等中的低功耗、低速率无线节点，如环境温湿度等慢变量采集节点。这两类设备所涉及到的无线qos问题，在现有研究中是截然分开的。因而派生出两个主要研究方向，1)、在假定信道模型基础上，以提高信道传输速率，或者可以统一为最大化信道容量，以达到和接近香农信道容量极限为目的的研究；2)、对于能量受限的无线节点，研究功率分配策略，尽可能的延长这些低功耗无线节点的工作寿命，当然，在这些研究中，为了合理利用有限的能量和信道资源，进行综合的资源分配也是一种必然的选择。总之，数量巨大的小型微蜂窝网的低速率、低功耗设备的无线接入，以及与高速、高容量和高功耗的无线设备共存，造成了在新一代5g网络中具有不同通信速率要求的海量设备引入，为了平衡信道容量、功率水平和无线服务质量(qos)的需求，必须为它们设计不同信道容量，不同能量消耗，以及通信策略的无线异构网络。
综上所述，现有技术存在的问题是：无线通信中，很难同时兼顾低速数据传输的低功耗、高可靠性，和高速数据传输的低延迟、高信道容量，这种不同类型网络结构同时存在的无线异构网络要求；进而更难满足对系统不同传输速率下的无线功率分配优化和能量均衡控制，很难达到在能量受限情况下，延长整个无线通信系统工作寿命的目的。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线异构网络协作通信控制系统及控制方法。解决了1)异构无线网，不同接入速率无线网络的协同，不同qos参数要求导致的资源均衡分配协作；2)、解决能量均衡问题，不同无线通信速率，有不同的能量需求水平的协同；3)、结合自然环境获取电能(如：太阳能)；4)、无线异构网，解决了现有蜂窝网3g、4g在野外、偏远地区的信号覆盖差的问题。
本发明是这样实现的，一种无线异构网络协作通信控制系统，所述无线异构网络协作通信控制系统包括：
云服务器，与基站无线连接，用于传输基站监视实时信息；
基站，与4g路由器通过云服务器连接，用于随时监视输电线路的现场状况，记录并保存现场的数据信息，还用于随时查看历史监测状态、现场信息，或主动进行现场状态查看；
4g路由器，与sub-ghz高速传输模块网线连接，用于将sub-ghz高速传输模块采集的高速数据信息传输给基站；
sub-ghz高速传输模块，与lpwan模块网线连接，用于将lpwan模块的信息和高速数据，如视频，传输给4g路由器和基站；
控制与协议转换模块，与lpwan模块、摄像头、4g路由器及sub-ghz高速传输模块均通过有线连接，用于以上各部分的控制、协议转换，并提供电源控制；
lpwan模块，与sub-ghz高速传输模块基站无线连接，用于环境温湿度、光照、风速、振动、倾斜、雨量状态数据收集，并控制lpwan模块内无线信道功率分配、能量均衡管理；还用于控制通过串口连接在lpwan模块上的多个传感器的无线网络数据传输，以及控制摄像头拍摄，而视频信息的传输通过sub-ghz高速传输模块；
摄像头，其抓拍控制和图像侦测报警输出接口与lpwan模块有线连接，其视频接口与sub-ghz高速传输模块有线链接，用于执行类似抓拍控制指令，拍摄周围环境信息，以及进行视频数据的传输。
进一步，所述控制与协议转换模块包括太阳能管理板，所述太阳能管理板包括：微光太阳能转换控制器、多缓冲充电控制器、智能切换控制器并通过导线依次连接。
进一步，所述微光太阳能转换控制器用于完成mppt最大功率点跟踪、高效率自适应四相dc/dc控制；
所述多缓冲充电控制器用于完成对独立的多组高温电池组的充电控制和管理，完成高温电池四段充电控制，并根据智能切换控制器的控制指令切换充电模式，同时采集输入电压、输入电流、充电电流、充电电压参数；
所述智能切换控制器，用于根据光照强度自动控制双缓冲充电控制器切换成多种充电模式：单通道充电、多通道同时充电；同时，进行过压、过流、欠压、过充、过放电保护以及过放电和其他故障状态下的自恢复。
进一步，所述微光太阳能转换控制器的太阳能电池板中集成有温度补偿组件。
进一步，所述控制与协议转换模块还包括能量管理模块，所述能量管理模块通过导线连接太阳能管理板；所述能量管理模块卡在控制与协议转换模块的箱体底部；所述太阳能管理板通过螺栓固定在箱体内；所述太阳能管理板通过导线连接多块太阳能板；
所述箱体、多块太阳能板、摄像头均通过螺栓固定在铁塔上；
所述箱体上还集成有4g路由器、sub-ghz高速传输模块、lpwan模块；所述4g路由器、sub-ghz高速传输模块、lpwan模块、摄像头均通过导线连接能量管理模块；
所述lpwan模块包括lpwan节点、温湿度传感器、光照传感器、震动传感器；所述温湿度传感器、光照传感器、震动传感器均通过导线连接lpwan节点；
所述太阳能管理板还通过导线连接多块蓄电池；所述多块蓄电池通过螺栓固定的铁塔上。
本发明的另一目在于提供一种无线异构网络协作通信控制方法包括：
利用摄像头于拍摄周围环境信息；
利用lpwan模块获取环境温湿度、光照、风速、振动、倾斜、雨量状态数据，并控制lpwan模块内无线信道功率分配、能量均衡管理；还控制通过串口连接在lpwan模块上的多个传感器的无线网络数据传输，以及控制摄像头拍摄，而视频信息的传输通过sub-ghz高速传输模块；
利用sub-ghz高速传输模块将lpwan模块的信息传输给4g路由器和基站；
利用4g路由器将sub-ghz高速传输模块的信息通过云服务器传输给基站；
利用基站随时监视输电线路的现场状况，记录并保存现场的数据信息，还用于随时查看历史监测状态、现场信息，或主动进行现场状态查看；
利用控制与协议转换模块为lpwan模块、摄像头、4g路由器及sub-ghz高速传输模块提供电源控制。
本发明的优点及积极效果为：
本发明将综合传输速率、信道容量和能量消耗相关的资源进行合理分配，对提高现代无线异构网络的服务质量和增强用户体验有重大意义。
本发明提供的控制系统高速数据传输时，信道容量高(速度快)、延迟低；低速的控制和指令传输时，功耗低、可靠性高；能够平衡系统不同传输速率下的信道容量要求，达到合理的无线功率分配、能量均衡控制，以及提高无线服务质量和用户体验的需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无线异构网络协作通信控制系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的协议转换控制器系统示意图；
图3是本发明实施例提供的箱体连接示意图；
图中：1、云服务器；2、基站；3、4g路由器；4、sub-ghz高速传输模块；6、lpwan模块与控制与协议转换模块；7、摄像头；8、能量管理模块；9、太阳能管理板；10、太阳能板；11、箱体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的无线异构网络协作通信控制系统包括：
云服务器1，与基站无线连接，用于传输基站监视实时信息；
基站2，与4g路由器通过云服务器连接，用于随时监视输电线路的现场状况，记录并保存现场的数据信息，还用于随时查看历史监测状态、现场信息，或主动进行现场状态查看；
4g路由器3，与sub-ghz高速传输模块网线连接，用于将sub-ghz高速传输模块的信息传输给基站；
sub-ghz高速传输模块4，与lpwan模块网线连接，用于将lpwan模块的信息传输给4g路由器和基站；
控制与协议转换模块与lpwan模块6、摄像头、4g路由器及sub-ghz高速传输模块均通过有线连接，用于提供电源；
lpwan模块6，与sub-ghz高速传输模块基站无线连接，用于环境温湿度、光照、风速、振动、倾斜、雨量状态数据收集，并控制lpwan模块内无线信道功率分配、能量均衡管理；还用于控制通过串口连接在lpwan模块上的多个传感器的无线网络数据传输，以及控制摄像头拍摄的视频信息的传输；
摄像头7，与lpwan模块有线连接，用于拍摄周围环境信息。
如图2所示，所述控制与协议转换模块6包括太阳能管理板9，所述太阳能管理板包括：微光太阳能转换控制器、多缓冲充电控制器、智能切换控制器并通过导线依次连接。所述控制与协议转换模块还包括能量管理模块，所述能量管理模块通过导线连接太阳能管理板8。
所述微光太阳能转换控制器用于完成mppt最大功率点跟踪、高效率自适应四相dc/dc控制；
所述多缓冲充电控制器用于完成对独立的多组高温电池组的充电控制和管理，完成高温电池四段充电控制，并根据智能切换控制器的控制指令切换充电模式，同时采集输入电压、输入电流、充电电流、充电电压参数；
所述智能切换控制器，用于根据光照强度自动控制双缓冲充电控制器切换成多种充电模式：单通道充电、多通道同时充电；同时，进行过压、过流、欠压、过充、过放电保护以及过放电和其他故障状态下的自恢复。
所述微光太阳能转换控制器的太阳能电池板中集成有温度补偿组件。
如图3所示，所述能量管理模块8卡在控制与协议转换模块的箱体11底部；所述太阳能管理板通过螺栓固定在箱体内；所述太阳能管理板通过导线连接多块太阳能板10；
所述箱体11、多块太阳能板10、摄像头7均通过螺栓固定在铁塔上；
所述箱体上还集成有4g路由器、sub-ghz高速传输模块、lpwan模块；所述4g路由器、sub-ghz高速传输模块、lpwan模块、摄像头均通过导线连接能量管理模块；
所述lpwan模块包括lpwan节点、温湿度传感器、光照传感器、震动传感器；所述温湿度传感器、光照传感器、震动传感器均通过导线连接lpwan节点；
所述太阳能管理板还通过导线连接多块蓄电池；所述多块蓄电池通过螺栓固定的铁塔上。
本发明实施例提供的无线异构网络协作通信控制方法包括：
利用摄像头于拍摄周围环境信息；
利用lpwan模块获取环境温湿度、光照、风速、振动、倾斜、雨量状态数据，并控制lpwan模块内无线信道功率分配、能量均衡管理；还控制通过串口连接在lpwan模块上的多个传感器的无线网络数据传输，以及控制摄像头拍摄，而视频信息的传输通过sub-ghz高速传输模块；
利用sub-ghz高速传输模块将lpwan模块的信息传输给4g路由器和基站；
利用4g路由器将sub-ghz高速传输模块的信息通过云服务器传输给基站；
利用基站随时监视输电线路的现场状况，记录并保存现场的数据信息，还用于随时查看历史监测状态、现场信息，或主动进行现场状态查看；
利用控制与协议转换模块为lpwan模块、摄像头、4g路由器及sub-ghz高速传输模块提供电源控制。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
本发明混合了多节点的传输速率(吞吐率)、信道容量和能量消耗相关的资源分配问题，进而分析其与能量效率相关的效用函数最优化问题。
假设无线异构网络由多种网络组合而成，其中某一种网络i的模型如下：
公式1，si＝log2(1+sinri)，其中sinri表示信干噪比，即：
假设当前有n个比特的信息需要传输，则在i种网络中传输所需时间为：
ti＝n/si，而消耗的能量为pi＝piti，因此其能量效率(能量效用函数)为：
公式3，ηi＝n/pi，即单位功耗传输的比特数。
假设无线异构网中的第i种网络的发射功率水平限制为pci。
本发明中，无线异构网的协作通信决策步骤如下：
步骤1：根据要传输的比特数，以及根据业务需求设定的传输时延要求t，根据已经获得的各无线网络的信道信息，如：hi、wi，以及对信道干扰和噪声的假设，
步骤2：针对剩余的无线网络，采用优化算法，获得一个发送功率，以满足最大化能量效用函数，即公式3。
步骤3：根据事先设定的组成无线异构网的各种网络的发射功率水平pci，剔除步骤2中发射功率高于设定值对应的无线网络种类。
步骤4：在剩余的无线异构网种类中，选择实时信道容量评估最大的网络，作为本次传输的选定网络。
注：1)、如果通过步骤1后，若已剔除所有备选网络，则降低传输时延要求，重新进行无线网络选择，直到有满足条件的无线网络为止；
2)、通过步骤3后，若已剔除所有备选网络，则在所有无线网络中，选择发射功率水平最接近发射功率水平pci的前10％，且不少于两种无线网络，作为后续步骤的可选网络。
通过以上步骤，本发明充分利用了无线异构网络的协作通信对网络的信道容量平衡、功率分配最优和提高用户体验等性能的提高。
本发明分析的最优化通信策略，以满足具有不同信道容量、吞吐率、能量消耗、通信协议下的无线异构网络需求。
本发明将对理论结果进行总结，选取可行的实验方法，通过搭建实验平台进行验证理论研究成果的正确性和有效性，使得本项目的研究更具有实用参考价值，更是理论与实践的创造性价值。本发明采用的实验验证方法如下：
1、选择现有无线网络方案，如3g/4g网络、wifi、蓝牙、微波电台等，作为本发明的比较方案，与本发明同时搭建测试平台；
2、分别或同时进行两种不同性质的数据传输，即：低码率(低信道容量)、延时不敏感的状态信息，如：温湿度、光照、雨量、电池状态变化、倾斜等；高速数据(高信道容量)、延时要求高的信息，如视频、音频、速度、加速度等。以验证上述无线异构网的网络选择方法的有效性，以及相对现有单一网络优势；
3、选取4g网络覆盖较差(信道衰落大、传输速率低、网络掉线频繁等)的偏远山区，作为无线异构网增强4g移动网覆盖区域的测试方案；
4、随机连续产生需要进行无线传输的数据(数据量大小、时延需求随机)，然后，分别用本发明的无线异构网和传统无线网络进行连续传输试验，比较在本发明中的能量管理方法和没有外界能量获取策略情况下，与用于比较的传统无线网络的不断供连续工作时间；以及再比较在具有本发明外界能量获取策略控制下的连续工作时间，进而测试断供后，系统恢复工作时间间隔和再次持续工作时间。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
(1)能源管理
我国南方大部分地区月平均的辐射量仅为普通强度的8％-49％，除夏季外，其余时间均在30％以下。这种情况导致视频监控中典型的720w的太阳能电池板全年超过一半的时间最大只有不到10％的发电效果。
为提高发电效率以及保证后级系统能量充足，在配备较大容量电池组的基础上，使用多块太阳能板组合(串并联组合)来增大充电的功率和输出电压。电源管理模块与太阳能管理板、lpwan节点相连接，为系统工作提供后续能量。
(2)远距离视频传输技术
无线图像传输即视频实时传输主要有两个概念，一是移动传输，即移动通信，二是宽带传输，即宽带通信，因此，研制能够在高速移动过程中将频带很宽的高清晰度视频进行稳定传输的无线图像传输系统，就要解决二个主要问题：一是由多径传播引起的回波干扰；二是频率资源的使用率和渐趋饱和的问题。
另一方面，从应用层面来说分为两大类，一是固定点的图像监控传输系统，二是移动视频图像传输系统。固定点的无线图像监控传输系统，主要应用在有线闭路监控不便实现的场合，比如港口码头的监控系统、河流水利的视频和数据监控、森林防火监控系统、城市安全监控等。毫无疑问，此处需要考虑的是固定点的图像监控传输。
进一步地，考虑到摄像头可控性、功耗及其稳定性，我们使用了海康威视的数字摄像头做采集端，开发了网络协议转换器、优化了sub-ghz无线高速数传模块电路设计和传输层协议实现无线图像传输上传至云服务器并保存。
(3)云监测平台及软件终端设计
云监测平台功能包括现场设备参数采集、设置，图片采集、存储等。云监测平台作为整个监测的软件平台，随时监视输电线路的现场状况，记录并保存现场的数据信息与云服务端，用户可以随时查看历史监测状态、现场信息，或主动进行现场状态查看。
云监测平台
此外，用户可以通过软件客户端读取设备电池电压，进行设置参数的读取或设置以及查看历史信息等，用户通过主动抓拍获取铁塔状况信息，双击图片可以放大查看。
下面结合控制与协议转换模块对本发明作进一步描述。
框架内骨干节点间依靠低速lpwan模块完成低速、高可靠性的控制和指令上下行无线传输，以及利用sub-ghz高速传输模块进行高速、大数据量的无线通信。lpwan模块以发送控制指令，完成诸如控制摄像头拍照、摄像等高速或大数据量的采集，也包含控制框架内骨干节点附近的无线传感器节点完成环境温湿度、光照、风速、振动、倾斜、雨量等状态数据收集，并控制完成无线信道功率分配、能量均衡管理，以及无线网络数据、控制指令和视频传输等任务。lpwan模块采集到的相关信息通过sub-ghz高速传输模块传送至4g路由器，再上传至云服务器，供用户访问。在移动网络基站信号覆盖范围内，选择4g路由器直接进行数据上传云服务器；在基站信号覆盖的偏远山区或基站信号差的地区，采用sub-ghz高速传输模块传递数据至有移动网络信号的无线通信接入点，而进入internet网络，从而增强移动网络信号的覆盖和保障无线传输的可靠性。
能量管理模块和太阳能管理板，解决本发明所涉及无线通信骨干节点的电能收集管理，包含：
1)微光和微风转换控制器：将简单的风光互补控制器前增加一级微光、微风能量转换控制器，它完成mppt(最大功率点)跟踪、高效率自适应四相dc/dc控制器功能。
2)多缓冲充电控制器：完成对独立的多个电池组的充电控制和管理，采用四段式电池充电控制，并根据智能切换控制器的控制指令切换充电模式，同时采集各种参数，如输入电压、电流，充电电流、电压等等。
3)智能切换控制器：可根据光照强度和风速大小自动控制多缓冲充电控制器切换成多种充电模式：单通道充电、双通道同时充电等；同时，具备过压、过流、欠压、过充、过放电等保护功能；以及过放电和其他故障状态下的自恢复功能。
4)温度补偿组件：如果组合的太阳能电池板中的一个或几个被各种遮挡阳光，则会在这部分太阳能电池板上产生局部过热的现象，所以需要在控制器上增加温度补偿功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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