具体实施方式

为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一无线通信模块和第二无线通信模块仅仅是为了区分不同的无线通信模块，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无线传感器备份网关部署方法，以对网关故障问题的解决提供基础支持。

上述无线传感器备份网关部署方法应用于配用电力架空线监控系统，该配用电力架空线监控系统包括：无线传感器网关模块、无线蜂窝模块以及控制中心。

其中，每一无线传感器网关模块对应一预设位置，每一无线蜂窝模块对应一预设范围内的无线传感器网关模块。无线蜂窝模块用于实现其对应无线传感器网关模块与控制中心之间的通信。

无线传感器网关模块包括：第一网关，或同时包括第一网关和第二网关，其中第二网关为第一网关的备份网关。

无线蜂窝模块包括第一蜂窝模块，或同时包括第一蜂窝模块和第二蜂窝模块，第二蜂窝模块为第一蜂窝模块的备份蜂窝模块。

在此基础上，参见图1，上述无线传感器备份网关部署方法包括以下步骤：

步骤11：根据备份网关网络通信时延函数与给定网络时延确定时延约束。上述备份网关网络通信时延函数表征第二网关的分布位置与第二网关到控制中心的网络通信时延之间的关系。

步骤12：根据第二蜂窝模块对应的预设范围与第二蜂窝模块的通信覆盖范围确定蜂窝模块覆盖约束。

步骤13：根据求解约束，以备份设备的成本最小为优化目标，确定第二网关的位置，以进行第二网关的部署。

其中，求解约束包括时延约束和蜂窝模块覆盖约束，备份设备包括第二网关和第二蜂窝模块。

在一个示例中，上述求解约束还包括：数量约束。该数量约束示例性的包括第一数量约束、第二数量约束以及第三数量约束。

在数量约束包括第一数量约束的情况下，上述无线传感器备份网关部署方法还包括：根据网关故障位置权重以及第二网关的可提供数量确定第一数量约束。

在数量约束包括第二数量约束的情况下，上述无线传感器备份网关部署方法还包括：根据第二蜂窝模块的可提供数量确定第二数量约束。

在数量约束包括第三数量约束的情况下，上述无线传感器备份网关部署方法还包括：根据各无线蜂窝模块对应的无线传感器网关模块数量与无线传感器网关模块的总数量，确定第三数量约束。

当然，在一些实施例中，数量约束可以仅包含上述示例中第一数量约束、第二数量约束以及第三数量约束中的一个。在另一些实施例中，数量约束也可以包含上述示例中第一数量约束、第二数量约束以及第三数量约束中的任意两个。

需要说明的是，上述无线蜂窝模块位于其对应预设范围内的边缘预设位置，该预设范围内的无线传感器网关模块通过逐跳的方式将其自身采集以及接收的信息传输至上述无线蜂窝模块，然后由该无线蜂窝模块将信息传输至控制中心。

需要说明的是，上述预设位置是呈直线型分布，具体可以位于直线型分布的电杆上或电杆的周围。

下面对上述约束以及优化目标进行详细介绍：

上述优化目标为备份设备的成本函数，该成本计算函数如下：

其中，Ex(RN)表示第二网关的单价，Ex(CM)表示第二蜂窝模块的单价，sub表示第二蜂窝模块的订阅费用，RN表示预设位置的集合，|RN|表示RN中预设位置的数量，CM表示预设范围的集合，|CM|表示CM中预设范围的数量，X_i表示在第i个预设位置上第二网关的0-1分布，Y_j表示在第j个预设范围上第二蜂窝模块的0-1分布。

上述时延约束如下：

其中，D_t表示给定网络时延，X_i表示在第i个预设位置上第二网关的0-1分布，Y_j表示在第j个预设范围上第二蜂窝模块的0-1分布，td_at表示无线传感器网关模块的平均信道获取时间，GP_j表示第j个预设范围内无线传感器网关模块的集合，|GP_j|表示GP_j中无线传感器网关模块的数量，r表示数据压缩比率，SD_k表示GP_j中第k个无线传感器网关模块传输数据的大小，tr_zigbee表示无线传感器网关模块的Zigbee传输速率，表示第j个预设范围内所有无线传感器网关模块总传输数据的大小，tr_cm表示无线蜂窝模块的传输速率。

上述蜂窝模块覆盖约束为：

其中，Y_j表示在第j个预设范围上第二蜂窝模块的0-1分布，GP_j表示第j个预设范围内无线传感器网关模块的集合，|GP_j|表示GP_j中无线传感器网关模块的数量，RN_i表示GP_j中第i个预设位置上的无线传感器网关模块，RN_i+1表示GP_j中第i+1个预设位置上的无线传感器网关模块，|RN_i-RN_i+1|表示GP_j中第i个预设位置上的无线传感器网关模块与第i+1个预设位置上的无线传感器网关模块之间的距离，R_j表示第j个预设范围对应的无线蜂窝模块所能达到的网络覆盖范围。

上述第一数量约束为：

∑X_i·wei≤TN_BRN；

其中，X_i表示在第i个预设位置上第二网关的0-1分布，wei表示网关故障位置权重，TN_BRN表示第二网关的可提供数量。

上述第二数量约束为：

∑Y_j≤TN_BCM；

其中，Y_j表示在第j个预设范围上第二蜂窝模块的0-1分布，TN_BCM表示第二蜂窝模块的可提供数量。

上述第三数量约束为：

其中，GP_j表示第j个预设范围内无线传感器网关模块的集合，表示所有预设范围内无线传感器网关模块的集合，表示中无线传感器网关模块的数量，RN表示预设位置的集合，|RN|表示RN中预设位置的数量。

在基于以上方法确定备份网关的分布位置后，在相应位置上安装备份网关。控制中心通过分析接收到的数据信息确定发生故障的原始网关的位置，当发现某一原始网关发生故障后，确定其是否具有备份网关，如果该故障原始网关具有备份网关，则控制中心命令该备份网关代替上述故障原始网关进行数据信息的传输。

下面结合具体的应用场景对上述无线传感器备份网关部署方法进行介绍：

在利用无线传感器网络监控户外配用电力及架空线的实际场景下，无线传感器网关模块将收集起来的监控数据按逐跳传输的方式汇聚到控制中心，如图2所示。

上述场景中的配用电力线呈线性拓扑结构，两个相邻子站之间的电杆上安装无线传感器网关模块。由于监控时延的限制，将无线传感器网关模块进行分组。分组方法按照每组包含相近数目的无线传感器网关模块设置。在每个分组中的最后一个电杆上，安装无线蜂窝模块，用来直接将监控数据传输至控制中心。该无线蜂窝模块对应的预设范围(即前文所述预设范围)即为其所在组所包含的范围。具体分组情况如图2所示。

在一个监控周期内，每个分组中的无线传感器网关模块的工作方式如下：每一无线传感器网关模块包括一第一网关或同时包括第一网关及其备份网关：第二网关。分组中的第一网关收集数据，压缩冗余数据，如果其有备份网关，即第二网关，则采用第二网关进行数据备份。

每个分组中的第一个无线传感器网关模块将压缩后的数据通过Zigbee无线方式传输到下一个无线传感器网关模块上，无线传感器网关模块附着本电杆的压缩数据，然后再以逐跳传输的方式传输到下一个节点，最后将该组的数据汇聚到本组中的最后一个无线传感器网关模块中。

本组中的最后一个无线传感器网关模块将自身的监控数据附着后，交由与其位于同一电杆上的无线蜂窝模块，由无线蜂窝模块将信息直接传输到控制中心。控制中心等待开启下一个监控周期。

参见图2，设两个相邻子站之间有n个无线传感器网关模块，记为RN_i,i＝1..n，有m个蜂窝模块CM_j,j＝1..m，那么根据位置模型，即有m个分组GP_j,j＝1..m。假设每个无线传感器网关模块的费用和每个蜂窝模块的费用分别为Ex(RN)和Ex(CM)。一般地蜂窝模块具有独立的第三方运营商，所以蜂窝模块具有sub的订阅费。

本申请考察网络传输时延、无线蜂窝模块覆盖的电杆数目、以及不同位置的加权情形下的最优部署位置。其中网络时延包含无线传感器网内传输时延和直接传输时延两部分。其中网内时延传输包含每个无线传感器网关模块平均信道获取时间td_at以及无线传感器网络中的传输时延。假设，计算分组GP_j中的传输时延，网内时延可以表达为：

而直接传输时延可以表达为：

r·SD|GP_j|/tr_cm

其中，r为数据压缩比率，tr_zigbee和tr_cm分别为Zigbee和蜂窝模块的传输速率。这样给定监控时延D_t，可以把时延约束表示为：

另外，由于电杆间距并不相等，对于特定的蜂窝模块CM_j的覆盖范围R_j可以覆盖的电杆数目至少为：

依据不同位置的故障频率并不相同的实际情形，对位置设置加权wei向量。对于备份无线传感器网关模块的总数量为TN_BRN和备份蜂窝模块总数量为TM_BCM，可以构造0-1优化式子来确定最优的备份数量。设备份网关向量为X_i，备份蜂窝模块向量为Y_j，以费用最小为优化目标表达式，可表示为：

优化的部署位置算法如下：

1)：算法输入参数：无线网络网关的线性拓扑结构RN，时延阈值D_t，分组参数GP，蜂窝模块参数CM，其余已知参数为td_at为40ms,SD取值为2K，4K和8K，ZigBee传输速率tr_zigbee取31.25K和250K，无线蜂窝模块的传输速率tr_cm取值为50M和1G，压缩参数r取值为0.125，0.25和0.5。电杆间距平均间距为1300英尺的正态分布，网关费用Ex(RN)和蜂窝模块费用Ex(CM)比为1:20。100根电杆测试，分组情况GP取值4到9组。

输出网关备份位置向量X_i和蜂窝模块备份位置向量Y_j。

2)：由方程(3)计算最优的网关备份位置X和蜂窝模块的备份位置Y。

3)：若方程(3)有解且唯一，那么按照网关备份位置向量X和蜂窝备份位置Y中的非零元素位置备份无线传感器网关和蜂窝模块，算法结束。

4)：若方程(3)有解且不唯一，那么任选一个解按照网关备份位置向量X和蜂窝备份位置Y中的非零元素位置备份无线传感器网关和蜂窝模块，算法结束。

5)：若方程(3)无解，改变输入参数进行步骤2到步骤4的循环计算。

6)：若步骤5无解，那么按照位置权重大小部署备份网关和备份蜂窝模块。

本申请考虑到无线传感器网络中的网关故障的情形，对网关进行备份时考察了最优的备份位置。由于备份网关和原网关具有同样的供能和性质，所以备份网关考察了原网关中的时延约束、蜂窝模块覆盖约束以及分组机制等因素。

在不同的数据量和不同的压缩比条件下，时延分别如图3所示。图3(a)-图3(c)所示是数据量分别为2K、4K和8K情形下，压缩比分别为0.125、0.25和0.5情形下的时延值。由此可见，数据量越小，压缩比越高，所需要的传输时延也越小。

由于引入了无线蜂窝模块和分组机制，部署模型的一个特点是费用较高，如图4所示。图4(a)和图4(b)比较了数据量分别在8K和4K，时延是2秒情形下的费用情况。当数据量传输较大(8K)，同时时延限定于2秒之内，所以需要较大的分组来解决。分组较大意味着蜂窝模块的个数增强。由于网关费用和蜂窝模块的费用设置比为1:20，所以图4(a)中的费用明显地比图4(b)中的费用高。这是由于需要传输的数据量大，同时时延要求较短引起的。图4(c)和图4(d)分别表示了不同的故障概率3％和5％情形下的费用情形。从图4(c)和图4(d)中可以看出，故障概率越大，损毁的网关越多，从而费用也有所增加。但相比传输数量上的区别，所增加的费用并不特别显著。

下面对本申请的效果进行验证。

设置评价参数容忍率(Tolerance Ratio Tr)表示为正确位置(cp_i∈{0,1})，即网关故障发生后，该网关有备份网关。错误位置(fp_i∈{0,1})，即网关发生故障后，没有备份网关的情形。那么容忍率表示为：

容忍率越大，表明在备份数量确定的前提下，部署位置越优。反之，容忍率越小，表明在备份数量确定的前提下，部署位置越差。

本申请比较了随机部署方法、基于故障先验概率的备份位置算法(basedpriorbackup placement BPBP)以及本申请提供的部署方法的故障容忍率，如图5所示。

图5(a)、图5(b)以及图5(c)分别显示了时长为1个月、5个月以及9个月情形下的故障容忍率。在分组为8组、数据量为4K情形下的故障容忍率。

从图5中可以看出，尽管随机部署是随机地将备份网关进行了部署，但故障容忍率依然高于50％。这是因为一定的备份数量所保证的。显然基于先验概率的备份部署算法是高于随机部署的，该算法考察了故障的先验位置，将先验位置可能故障的地方优先进行了部署。本申请提供的部署方法不仅仅考察了先验位置，而且通过对位置加权将可能发生的故障位置以及对再次发生故障的可能性进行了合理判断。所以最优部署位置的故障容忍率较先验概率的备份部署算法的故障容忍率要高。此外，故障容忍率随着电杆数目增加，呈现出先增加后下降的基本特点。在电杆数目为80时，故障容忍率达到最高。这种情形和分组有关系。不同的分组情形下，故障容忍率的最大值并不相同。

不论分组情况如何，三种算法比较起来，本申请提供的部署方法的故障容忍率明显优于基于先验概率的备份部署算法(BPBP)和随机部署算法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。