CN110545559B - 基于物联网感知设备的接入控制方法和设备 - Google Patents

基于物联网感知设备的接入控制方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网感知设备的接入控制方法和设备，该方法包括接入准备过程，其过程用于对网络中的列表进行维护；接入控制过程，该过程通过控制包对数据接入进行控制；时隙选择过程，该过程采用保证最低调度延迟的时隙映射算法进行时隙选择；信道分配过程，该过程采用Kuhn‑Munkras算法在所述时隙内为链路两端的节点通信模块接口分配信道；以及数据传输过程，该过程用于发送业务流的数据包。本发明的方法采用独特的时隙选择和信道分配技术，从而保证数据包在一定的延迟内可靠地传输到汇聚节点，并保证每个节点的信道切换开销最小。同时在数据传输过程中，能够减低能量开销，具有较好的节能效果。

Description

基于物联网感知设备的接入控制方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及物联网通信和网络领域。更具体地，本发明涉及一种支持物联网感知设备间高效能并发数据传输的多接口多信道的接入控制方法和设备。
背景技术
物联网被称为继互联网、移动互联网之后信息产业的第三次浪潮，随着5G通信技术的商用化，物联网将迎来全新的发展机遇。在物联网时代，我们通过数字化和网络化技术使每个物品都具有信息感知、处理和传输的能力，并能通过有线网络或无线网络接入到互联网中，从而使物理世界中的物品信息以及人类社会中的个人信息与网络空间中的各种业务信息和媒体信息进行融合，通过智能化技术建立丰富的物联网应用，实现人机物融合的新型计算***。物联网中感知设备之间的高可靠、高速率、低延迟传输是实现物联网数据采集、数据处理和数据融合的基础，也是建立人机物融合的新型计算***的基础，因此物联网感知设备间的数据传输是一种非常重要的技术。
目前感知设备间大多采用低功耗、低速率以及低成本的基于IEEE 802.11b/g标准的无线网络进行数据传输，它们可以工作在2.4～2.4835GHz频段，这些频段被分为11或13个信道。虽然可用的信道比较多，但是每个信道带宽十分有限。为充分利用这些信道资源，实现物联网感知设备间并发数据传输，提高网络可以承受的流量负载，为更多的用户提供具有质量保证的服务，目前提出了一些基于多信道的接入控制方法，以提高整个网络的带宽容量，增强对实时性要求比较高的感知业务流的传输支持，如MMSN，TMMAC，TMCP和Y-MAC等技术。MMSN是最早针对无线传感器网络提出来的多信道接入控制协议，它采用传统的基于节点ID的固定信道分配策略，并考虑信道数量小于两跳内节点数量的情况，提出了均匀选择(“Even-Selection”)和偷听(“Eaves-dropping”)两种辅助分配策略。TMCP是将TDMA技术与MMAC技术进行结合，在ATIM窗口内不仅完成信道的预约，还完成时隙的分配。与以上协议不同的是，TMCP并不是为每条链路分配信道和时隙，而是将网络中的节点分成若干棵以汇聚节点为根的子树，并为每棵子树分配信道，这样可以利用有限的信道有效地降低节点之间的干扰，并避免信道间的频繁切换。Y-MAC是在MMSN的基础上，结合按序跳频的方法来降低信道访问冲突，提高网络容量。以上这些多信道接入控制方法，除了TMCP考虑到实际可用的信道个数以外，其它协议都没有考虑该问题。此外，它们都没有考虑信道切换的时间开销和能量开销。事实上，这些限制和开销会对方法的性能造成很大的影响。比如，切换信道的时间开销将会对数据包的延迟造成一定的影响，而能量开销会影响所设计协议的能量高效性。
发明内容
为克服上述现有技术中存在的一个或多个问题，本发明针对物联网设备间实现并发数据传输的问题，提出的一种多接口多信道接入控制方法，本发明的技术方案基于时分多址介质访问技术，与二阶段按需路由协议相结合，在路径建立过程中，每跳链路根据收集到的两跳范围内的信道使用状况，先采用一种保证最低调度延迟的时隙映射算法选择可用的时隙，然后考虑信道切换的时间和能量开销，并采用Kuhn-Munkras算法在选择的时隙内为链路两端的节点通信模块接口分配信道，从而保证数据包在一定的延迟内可靠地传输到汇聚节点，并保证每个节点的信道切换开销最小。在数据传输过程中，业务流采用预留的时隙和信道实现数据包的可靠传输。一方面在空闲时隙中，感知设备关闭相应的通信模块接口，以降低节点的能耗；另一方面在活动时隙中，感知设备避免信道间的频繁切换以减低能量开销；通过以上两者相结合，提高了本发明的接入控制方法在节能方面的效果。
为至少解决上述技术问题，在一个方面中，本发明提供了一种基于物联网感知设备的接入控制方法，包括：
接入准备过程，该过程用于对网络中的列表进行维护；
接入控制过程，该过程通过控制包对数据接入进行控制；
时隙选择过程，该过程采用保证最低调度延迟的时隙映射算法进行时隙选择；
信道分配过程，该过程采用Kuhn-Munkras算法在所述时隙内为链路两端的节点通信模块接口分配信道；以及
数据传输过程，该过程用于发送业务流的数据包。
在一个实施例中，所述接入准备过程包括：
网络中的每个节点vi维护描述邻居节点活动情况的列表
Figure GDA0004106171940000041
节点广播列表
Figure GDA0004106171940000042
Figure GDA0004106171940000043
及节点接收列表
Figure GDA0004106171940000044
Figure GDA0004106171940000045
其中NB(ti,fj)为一个整数值，表示在时隙ti中使用信道fj的节点对数，Τ表示一个调度周期，F表示网络中可用的信道集合。
在另一个实施例中，所述接入控制过程包括：
产生数据流的节点在公共信道上发起路由请求(“RREQ”)控制包；
当网络中的节点接收到所述控制包后，利用连续的时隙完成时隙调度与信道分配；
当目的节点接收到所述控制包时，返回路由应答(“RREP”)控制包，所述RREP控制包沿着指定的路径返回到源节点，并在每一跳中预留时隙和信道信息。
在一个实施例中，所述连续的时隙包括请求时隙，声明时隙和确认时隙。
在另一个实施例中，在所述请求时隙中进行时隙选择过程包括：
节点vi将相关信息发送给与其一跳相邻的节点vj；
当前节点vp收到节点vj发送来的路由请求控制包；
判断本跳链路可用的信道带宽是否大于上一跳链路预留的信道带宽；
将上一跳链路中预留的每一个时隙与本跳链路的可用时隙建立映射关系；
将已选定的时隙按照时间顺序进行排列；
计算出本跳链路的最低调度延迟；以及
判断剩余时隙是否可以满足业务流的需求。
在另一个实施例中，所述请求时隙中进行信道分配过程包括：
将三元组中的每个元素(ti,Li,Ri)表示为两个赋权的完全二部图；
对完全二部图上的边进行赋值；
使用Kuhn-Munkras算法求解二部图的最小权匹配M；
计算出本跳链路的信道切换延迟和信道切换的能量开销；以及
判断本跳链路是否能够满足业务流的延迟要求。
在一个实施例中，在所述声明时隙中，时隙调度与信道分配
过程包括：
节点vp将本跳时隙和信道预留状况发送给节点vj及其它与其一跳相邻的节点vn，节点vj及vn根据其收到的信息更新本地的SB(Τ,F)及NB(Τ,F)表。
在另一个实施例中，在所述确认时隙中，时隙调度与信道分配过程包括：节点vj将节点vp发送的声明时隙信息进行广播，节点vj的邻居节点vq在确认时隙中根据收到的信息对其本地的NB(Τ,F)表进行更新。
在另一个实施例中，所述数据接入过程包括：节点在时隙ti发送业务流SessionID的数据包以及接收来自业务流SessionID的数据包，其中在空闲时隙，感知设备关闭相应的通信模块接口，而在活动时隙，感知设备避免信道间的频繁切换。
在另一个方面中，本发明提供一种利用上述方法进行物联网感知设备的数据接入控制设备，包括：
接入准备模块，其配置用于对网络中的列表进行维护；
接入控制模块，其配置用于对数据接入进行控制；
时隙选择模块，其配置用于时隙选择；
信道分配模块，其配置用于在所述时隙内对链路两端的节点通信模块接口进行信道分配；以及
数据传输模块，其配置用于发送业务流的数据包。
本发明的方法采用独特的时隙选择和信道分配技术，从而保证数据包在一定的延迟内可靠地传输到汇聚节点，并保证每个节点的信道切换开销最小。同时在数据传输过程中，能够减低能量开销，具有较好的节能效果。
附图说明
通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：
图1是示出根据本发明实施例的接入控制方法的流程图；
图2是示出根据本发明实施例的在请求时隙中进行时隙选择的流程图；
图3是示出根据本发明实施例的在请求时隙中进行时隙调度的过程示意图；
图4是示出根据本发明实施例的在请求时隙中进行信道分配的流程图；
图5是示出根据本发明实施例的信道分配的赋权二部图；以及
图6是示出根据本发明实施例的接入控制设备的组成框图。
具体实施方式
本发明针对需要实时数据传输保证的物联网，例如灾情监测物联网，考虑每个物联网设备具有多个通信模块接口，同时也考虑数量一定的可用正交信道以及切换信道的时间开销和能量开销，提出一种多信道接入控制方法，保证数据包在一定的延迟内可靠地传输到汇聚节点，并保证每个节点的信道切换开销最小，以此提高感知设备的工作时长。
为了更好的说明本发明的技术方案，下面针对物联网环境定义了具体的数学模型：对于任一给定区域内的由若干物联网设备组成的感知网络，使用一个无向图G＝(V，E)来表示，其中V＝{v1,v2,…,vn}代表网络中节点的集合，E是节点之间的链路的集合。该感知网络中的每个节点vi含有Kvi个通信模块接口，表示为Rvi＝{Ri1,Ri2,…,Rik}；可用的正交信道的数量为w，表示为F＝{f1,f2,…,fw}。为了避免节点自身的信道干扰，节点的每个通信模块接口在同一时刻需要使用不同的信道，因此节点含有的通信模块接口数量Kvi不能超过可用的正交信道数量w。除了以上用于数据传输的通信模块接口和信道以外，每个节点还包含一个固定的通信模块接口Ri0，其基于一个共享的公共信道f0，用于实现节点之间的时间同步、资源预留和其它控制数据包的传输等操作。对于网络中的任一时隙t和任一信道f只能分配给干扰范围内的一条链路，即Xe,t,R,f+Xe’,t,R’,f≤1，其中Xe,t,R,f∈{0,1}表示链路e在时隙t上使用通信模块接口R和信道f是否进行数据传输；e′表示链路e的一条干扰链路，它通过维护两跳范围内的链路使用状况来获得。在任一时隙t，节点vi最多可分配信道数受其自身的通信模块接口的数量限制，即ΣR,fYvi,t,R,f≤Kvi，其中Yvi,t,R,f∈{0,1}表示节点vi在时隙t使用通信模块接口R和信道f收发数据。下表1对以上提到的相关符号和代表意义进行了总结。
表1相关符号与代表意义
Figure GDA0004106171940000081
下面将结合附图和上述模型以及具体实施方式对本发明的方案进行详细地说明。
图1是示出根据本发明实施例的接入控制方法100的流程图。如图1所示，本发明的基于物联网感知设备的接入控制方法100包括接入准备过程101，该过程用于对网络中的各种列表进行维护；接入控制过程102，该过程用于通过控制包对数据接入进行控制；时隙选择过程103，该过程采用一种保证最低调度延迟的时隙映射算法进行时隙选择；信道分配过程104，该过程采用Kuhn-Munkras算法在所述时隙内为链路两端的节点通信模块接口分配信道；以及数据传输过程105，该过程用于发送业务流的数据包。
在一个实施例中，接入准备过程包括： 网络中的每个节点vi至少维护下面几个列表，网络中的每个节点vi需要维护一个描述邻居节点活动情况的列表，即
Figure GDA0004106171940000091
Figure GDA0004106171940000092
其中NB(ti, fj)为一个整数值，表示在时隙ti中使用信道fj的节点对数，与NB(ti, fj)对应的还有一个列表，即NB.list(ti, fj)＝{(Rq1,Rq2),…}，用于标明在时隙ti使用信道fj的节点及其通信模块接口。此外，每个节点vi还需要维护以下两个列表：
1)节点广播列表：
Figure GDA0004106171940000093
SB(ti, fj)
∈{0, 1}，
如果SB(ti,fj)＝1，表示节点vi在时隙ti中使用信道fj广播数据包，与之对应的是SB.list(ti, fj)＝{(Ri1, Rj2, sessionID)}，用于标明节点vi在时隙ti使用信道fj与节点vj进行通信。
2)节点接收列表：
Figure GDA0004106171940000094
SR(ti, fj)
∈{0, 1}，是一个与节点广播列表对应的列表。
在另一个实施例中，接入控制过程通过控制包对数据接入进行控制。
当网络中的任一感知设备(也称为节点)产生感知业务流，即向网关(也称为汇聚节点)发送数据时，数据报文携带两个参数，即预留带宽要求B和传输延迟保证D，产生数据流的节点在公共信道上会发起一个ROUTE_REQUEST(RREQ)控制包。RREQ控制包中包含以下信息：
(1)source-destination(s-d)ID:源节点和目标节点的地址；
(2)session ID:感知业务流的标识；
(3)RLb(Remaining Latency bound):剩余的延迟时间，初始时该值为D；
(4)TTL(Time To Live):RREQ在网络中最多可以传输的跳数，初始值为HG(s,d)+σ，HG(u,v)表示节点u与节点v之间的预计跳数，σ是一个与网络直径有关的参数，该参数允许在源节点s和目标节点d之间建立起多条路径；
(5)route_list:路径节点的列表，每经过一跳节点，就会在该列表中加入该节点，以在下一步路径回馈的时候按route_list指定的路径返回；
(6)reservation_list:预留列表，该列表是一个四元组的集合，每个元素的格式为(ti,fj,Rvq,Rur)，表示在节点v的通信模块接口q和节点u和通信模块接口r之间预留一个时隙ti，在该时隙上使用信道fj进行通信。在路由建立过程中，每跳节点会不断的更新该列表。
一方面，当网络中的节点v(v≠d)收到RREQ控制包时，会判定本节点到目的节点d的跳数距离。如果HG(v,d)>TTL，那么就丢弃该RREQ控制包，这样可以保证RREQ控制包朝着目标节点的方向进行传递；否则，利用三个连续的时隙，即请求时隙(R-slot,Request-slot)，声明时隙(A-slot,Announce-slot)和确认时隙(C-slot,Confirm-slot)，来完成时隙调度与信道分配；另一方面，当目的节点d收到RREQ控制包时，返回一个ROUTE_REPLY(RREP)控制包，RREP控制包将RREQ控制包中的route_list和reservation_list拷贝过来，从而沿着route_list指定的路径逐步返回到源节点s，在每一跳中按reservation_list里的信息预留时隙和信道。协议流程中涉及到的控制包总结见表2。
表2协议使用的控制包及其功能和格式说明
Figure GDA0004106171940000111
本发明提出的方法在为新的感知业务流建立路径的同时，将为每个感知业务流在每一条链路分配时隙，并指定两端节点的通信模块接口与信道。时隙和信道选择的总体思路和原理是首先获得的当前链路(vi,vj)的可用时隙和信道，然后通过相应手段实现最低调度延迟的时隙映射。具体地，首先在R-slot中发送RREQ控制包，当节点vj收到这些预留信息时，首先计算出
Figure GDA0004106171940000112
Figure GDA0004106171940000121
然后通过OR运算，计算出节点vi和vj之间的链路已经占用的时隙和信道，即BLvi,vj＝{BLvi(Τ,F)∪BLvj(Τ,F)}。随后基于该结果，找出在时隙ti内，可用的时隙及信道集合，即那些满足条件BLvi,vj(ti,fj)＝0的ti和fj。对于某一时隙ti内可用的多个信道{f1,…,fm}，我们根据这些信道容量的大小对这些信道进行升序排列。接着，根据以上获得的当前链路(vi,vj)的可用时隙和信道，同时考虑两种延迟，即时隙调度延迟和信道切换延迟，来进行时隙和信道的分配，其目标是使业务流在每一跳的延迟和能量开销最小。链路(vi,vj)上的时隙调度延迟是指节点vi在上一跳收到最后一个数据包(lastln)与在本跳将最后一个数据包发送出去(lastOut’)的时间间隔，它反映了业务流在节点vi上的缓存时间。需要注意的是，调度延迟并不是通过简单的两个时间点相减就可以获得的，这里需要进行一定的映射操作，将最后一个数据包的发送时隙调整为lastOut。这样，如果lastOut和lastln位于同一调度周期内，那么所得到的调度延迟为lastOut-lastln；否则，调度延迟为lastOut-lastln+m，这里m为一个调度周期T所包含的时隙数。
下面以一个具体的实施例说明上述原理，例如某一感知业务流在上一跳所分配的时隙为(t1,t4,t5)，在本跳可用的时隙为(t2,t3,t6)。虽然最后一个发送数据包的时隙(t6)位于最后一个接收数据包的时隙(t5)之后，但是这里的调度延迟并不是|t6-t5|＝1。假设以上每个时隙中可用的信道都为一个且容量一致，采用以下映射策略：t1→t2，t4→t6，t5→t3，这里ta→tb表示在时隙ta收到的数据包在时隙tb转发出去，如果b<a，那么就在下一个调度周期中将数据包转发出去，经过以上映射后，则调度延迟为3-5+m。优选地，映射策略还可以采用以下策略：t1→t3，t4→t6，t5→t2，可以将调度降低为2-5+m。下面将结合图2和3以及具体实施方式来说明时隙选择过程103在请求时隙中进行的操作。
图2是示出根据本发明实施例的在请求时隙中进行时隙选择的流程图200。该实施例的输入包括上一跳链路的分配的时隙和信道资源数量，即T＝{(t1；x1)(t2；x2)…(tk；xk)}，剩余的延迟时间RLb，以及本跳链路可用的时隙和信道数量，即T′＝{(t1′,x1′)(t2′,x2′)…(td′,xd′)}；***输出为本跳链路的最小延迟时隙调度策略S；其中间变量为h和Sche_delay。如图2所示，在一个实施例中，在请求时隙中时隙选择过程包括如下步骤，首先节点vi将相关信息发送给与其一跳相邻的节点vj，即步骤201，在请求时隙中，节点vi将以下信道发送给与其一跳相邻的节点vj：1)节点vi维护的有关占用时隙和信道的列表，即
Figure GDA0004106171940000132
Figure GDA0004106171940000131
2)目标节点d的ID；3)感知业务流的ID；4)带宽要求B；5)剩余的延迟时间RLb；6)TTL；7)route_list；8)reservation_list。
接着，时隙选择流程来到步骤202，在此步骤中前节点vp收到节点vj发送来的RREQ控制包，该控制包中含有节点vj为链路(vi,vj)分配的时隙和信道，即算法的输入参数为T＝{(t1；B(t1))(t2；B(t2))…(tk；B(tk))}，其中B(tk)表示在时隙tk内分配获得的总信道带宽，在每个信道具有相同带宽的情况下，即B(tk)＝xi*c，c为每个信道的带宽，可以将输入参数表达为T＝{(t1；x1)(t2；x2)…(tk；xk)}，表示链路(vi,vj)在时隙t1内分配了x1个信道。同样道理，T′＝{(t1′,x1′)(t2′,x2′)…(td′,xd′)}，表示在本跳链路(vj,vp)的可用时隙及各个时隙中可用的信道数量，这里xj′>0(1≤j≤d)且xj′＝min(|Ftj|,|Rvj|,|Rvp|)，|Ftj|表示在时隙tj中可用的剩余信道的数量，|Rvj|和|Rvp|分别表示节点vj和节点vp可用的通信模块接口的数量。一般来讲d≠k，即本跳链路(vj,vp)可用的时隙数与上一跳链路(vi,vj)分配的时隙数一般不同。随后，开始判断本跳链路可用的信道带宽是否大于上一跳链路预留的信道带宽，即步骤203，如果不能满足该条件，就表示当前链路不能满足业务流的带宽要求，于是直接退出并返回调度失败的标志(FAIL)，即转入步骤209，否则流程跳转到步骤204，将上一跳链路中预留的每一个时隙与本跳链路的可用时隙建立映射关系。其中，映射的规则为：对于上一跳链路的某一个时隙ti，如果在本跳链路中存在一个可用时隙tj′位于ti之后，即tj′>ti，则取最早满足该条件的那个时隙与时隙ti对应，即取j＝arg min{tj′|tj′>ti}；否则，取最早可用的那个时隙tj′与时隙ti相对应，j＝arg min{tj′}，因为所对应的时隙tj′与ti位于不同的调度周期，使用变量h累计被映射到下一个调度周期的信道带宽。此步骤过后，流程来到步骤205，在此步骤中按时间顺序，将已选定的时隙按照时间顺序进行排列；如果变量h的值大于0，表示有部分时隙需要映射到下一个调度周期。为保证最小的调度延迟，则在已选定的时隙列表中选择累计信道带宽最早达到h的那个时隙，即
Figure GDA0004106171940000152
作为映射后的最后一个时隙；否则，将就取时隙序列的最后一个时隙，即将q＝arg max{tj″}作为映射后的最后一个时隙。流程继续前进到步骤206，在此处计算出本跳链路的最低调度延迟。具体来讲，如果映射后的最后一个时隙与上一跳链路的最后一个时隙位于同一个调度周期内，则调度延迟为Sche_delay＝tq″-tk。否则，调度延迟为Sche_delay＝tq″-tk+m。最后判断剩余时隙是否可以满足业务流的需求，即步骤207。在此步骤中，根据剩余的延迟时间RLb和Sche_delay来判定本跳的剩余时隙是否可以满足业务流的需求。如果满足要求就返回调度成功(SUCCESS)的标志208，此时时隙选择流程结束，否则返回到流程209，即时隙调度失败。
为了更好的理解时隙选择流程，下面以一个具体实例并结合图3进行详细地说明。
首先，通过计算获得如下可用信道：(t1,f1,f2,f4),(t2,f1,f3),(t4,f1,f2,f3,f4)，表示在时隙t1有三个信道可用，并且它们的容量满足以下关系：c(e,f1)≥c(e,f2)≥c(e,f4)。同时，节点vj建立一个有关通信模块接口、信道和时隙的二维状态表，如表3所示。
表3链路(vi,vj)的时隙和信道占用状况二维表
Figure GDA0004106171940000151
Figure GDA0004106171940000161
该表以时隙为根据分为若干列，以节点的通信模块接口为依据分为若干行，其中的空格用来填充信道，如将信道f1在时隙tj分配给节点vi的第1个通信模块接口，那么就将f1填入(Ri1,tj)中。从表中可知调度周期的长度为7个时隙，假设在上一跳链路中预留的时隙和带宽资源为T＝{(t1,3)(t6,2)}，本跳链路的可用时隙和带宽分别为T′＝{(t2′,1)(t3′,1)(t4′,2)(t5′,1)(t6′,2)(t7′,2)}。
图3是示出根据本发明实施例的时隙调度过程示意图。如图3所示，图中带箭头的连线表示映射关系，连线上的数字表示分配的信道数。图3(a)所示为映射的第一阶段，首先为t1找到对应的时隙，由于t1要求三个信道，为此将t2′、t3′和t4′中各一个时隙与其对应起来，然后将t4′剩下的一个时隙与t5′的一个时隙与t6对应起来，获得的时隙调度集合S按时间顺序排列后，可以表达为{(t2′,1)(t3′,1)(t4′,2)(t5′,1)}。由于t4′和t5′位于t6的下一个调度周期，因此算法中的h等于2，为此需要对映射关系进行一定的调整。图3(b)所示的就是调整后的映射关系，在集合S中将累计信道数达到2的时隙与t6对应起来，即将t2′与t3′与t6对应起来，剩下的两个时隙t4′与t5′正好与t1所要求的三个时隙相对应。这样，最后返回的调度延迟为3-6+7＝4，而第一阶段的调度延迟为5-6+7＝6。由此可见，以上调度算法返回的调度延迟为最优时隙调度策略，可以保证本跳链路的最小时隙调度延迟。当时隙调度成功后，如图1中所示的本发明的接入控制方法100就进入信道分配过程104。
图4是示出根据本发明实施例的在请求时隙中进行信道分配的流程图400。该流程的输入为一个三元组{(t1,L1,R1),(t2,L2,R2),…,(tb,Lb,Rb)}，表示本跳链路所调度的时隙、时隙内可用的信道以及剩余可用的通信模块接口。其中，ti(1≤i≤b)为分配的时隙，Li为时隙内可用的信道集合，Ri为本链路在时隙ti内可用的通信模块接口集合。该流程需要将Li内的信道与Ri内的通信模块接口对应起来，并且使通信模块切换信道的开销最小。
为了实现最低切换开销信道分配，本发明将问题转化为二部图的最小权匹配问题，并使用Kuhn-Munkras(K-M)算法来求解该问题。具体地，在一个实施例中，首先将三元组中的每个元素(ti,Li,Ri)表示为两个赋权的完全二部图，即步骤401，其中该完全二部图的左侧都为可用的信道，而安全二部图的右侧分别为节点发送节点vi和接收节点vj的可用通信模块接口；在完成上一步骤的二部图定义后，开始对完全二部图上的边进行赋值，即步骤402。作为一个具体的实施例，其具体的赋值方法为：如果所分配的信道与之前最后一个时隙分配的信道不一样，且与之后最先一个时隙分配的信道也不一样，则信道切换的次数为2；如果与先后时隙分配的信道都一样，则信道切换的次数为0；否则信道切换的次数为1。另外如果前后时隙都还没分配过信道，那么不论分配哪个信道，信道的切换次数都为0。接着流程来到步骤403，其中使用Kuhn-Munkras算法可以求解以上两个二部图的最小权匹配M。随后，***根据最小权匹配M的结果计算出本跳链路的信道切换延迟和信道切换的能量开销，即
Switch_delay＝Switch_times*Dcs，Switch_energy＝Switch_times*Ecs，其中Dcs和Ecs分别指信道切换一次的时间开销和能量开销，此即为步骤404。随后，信道分配流程进入步骤405，在此步骤中***会根据剩余的时间延迟RLb和信道切换的时间开销，确定本跳链路是否能够满足业务流的延迟要求，并返回相应的标志(SUCCESS或FAIL)，于是流程相应地分别终止于步骤406或407。为了更好的理解信道分配流程，下面以一个具体实例并结合图5进行详细说明，首先在上例中已经确定了调度延迟最小的时隙分配策略{(t2′,1)(t3′,1)(t4′,2)(t5′,1)}，结合表给出的可用通信模块接口，可以用以下三元组结合来表示本链路所分配的时隙、对应的信道和可用的通信模块接口：{(t2,L2,R2),(t3,L3,R3),(t4,L4,R4),(t5,L5,R5)}，其中：L2＝{f1},L3＝{f2},L4＝{f1,f2},L5＝{f2}，R2＝{Ri1,Rj1,Rj3},R3＝{Ri2,Rj2,Rj3}，R4＝{Ri1,Ri2,Rj1,Rj2,Rj3}，R5＝{Ri2,Rj2,Rj3}。在时隙t2中，由于当前可用的信道只有f1，并且节点vi可用的通信模块接口只有Ri1，因此将信道f1分配给通信模块接口Ri1；对于节点vj，可以将信道f1分配给Rj1或Rj3，因为带来的信道切换开销都为0，因此这里将信道f1分配给Rj1。同样道理，在时隙t3可以将信道f2分配给通信模块接口Ri2和Rj2，以上分配过程见表4所示。
表4信道分配表
Figure GDA0004106171940000191
图5是示出根据本发明实施例的信道分配的赋权二部图。如图5所示，在时隙t4内，可用的信道为L4＝{f1,f2}，可用的通信模块接口为R4＝{Ri1,Ri2,Rj1,Rj2,Rj3}。首先，分别为节点vi和vj构建一个赋权的完全二部图。图中的权值表示信道切换的次数，如果在t4时隙给通信模块接口Ri1分配信道f2时，由于在t3时隙Ri1使用的信道为f1，在t5时隙使用的信道为f1，因此所需要的切换次数为2。又如果在t4时隙给通信模块Ri1分配信道f2，由于此时还没有给t5分配时隙，因此能够考虑的切换次数为1。可见，图中的权值可以取0、1和2。
接下来使用Kuhn-Munkras算法可以求解以上两个二部图的最小权匹配M，即
Figure GDA0004106171940000192
也就是在时隙t4中，对于节点vi，将信道f1分配给通信模块接口Ri1，将信道f2分配给通信模块接口Ri2；对于节点vj，将信道f1分配给通信模块接口Rj1，将信道f2分配给通信模块接口Rj2，以上匹配的权值为0，即w(M)＝0。最后，在时隙t5，采用同样的方法，将信道f2分别分配给通信模块接口Ri2和Rj2。
对于时隙选择和信道分配流程结束时，一方面如果以上信道分配流程返回SUCCESS标志，就表明业务流在本跳链路上的时隙和信道预留成功，将更新本地的SR(Τ,F)表，将其自己添加到route_list中，并更新reservation_list、RLb和TTL；同时，还要将RREQ控制包转发给下一跳节点，该RREQ控制包含有更新以后的RLb，reservation_list和route_list，接着启动另外两个时隙A-slot和C-slot；另外一方面，如果时隙选择和信道分配流程返回FAIL的标志，那么就在本跳链路返回RESERVE_FAIL(RFAI)控制包，RFAI先拷贝RREQ中的<route_list,reservation_list>信息，然后沿着route_list中的路径返回到源节点。在返回的过程中，根据reservation_list中的信息释放每跳链路预留的时隙和信道。
在一个实施例中，在所述声明时隙中，时隙调度与信道分配过程包括：节点vp将reservation_list中的本跳时隙和信道预留状况发送给vj及其它与其一跳相邻的节点vn。节点vj根据收到的信息更新本地的SB(Τ,F)表，其它邻居节点vn会根据收到的信息对其本地的NB(Τ,F)进行更新。
在另一个实施例中，在所述确认时隙中，时隙调度与信道分配过程包括：节点vj将节点vp发送的A-slot信息进行广播，以通知节点vj一跳范围内的邻居节点vq有关本跳链路的时隙与信道资源的预留状况。其节点vj的邻居节点vq在C-slot中根据收到的信息对其本地的NB(Τ,F)表进行更新。
根据以上分析，由于请求时隙、声明时隙和确认时隙中的操作都是在一个公共的控制信道上完成，因此要求这三个时隙在时间上保持连续性。如果在以上时隙内发生访问冲突时，则为每个参与竞争的预留请求控制包分配一个随机数，并且让随机数最大的预留请求控制包占用控制信道。
在又一个实施例中，本发明所述方法的数据传输过程如下：当网络中的节点需要将感知到的信息传输给汇聚节点时，节点根据本地的SB(Τ,F)列表信息及SB.list(ti,fj)＝{(Ri1,Rj2,sessionID)}，在时隙ti通过通信模块接口Ri1使用信道fj发送业务流SessionID的数据包。此外，节点根据SR(Τ,F)列表信息及SR.list(ti,fj)＝{(Ri1,Rj2,sessionID)}，在时隙ti打开通信模块接口Ri1侦听信道fj以接收来自业务流SessionID的数据包。对于节点的某一个通信模块接口，当它在某一时隙中，既没有分配发送数据包的信道，也没有分配接收数据包的信道，就关闭该通信模块接口，以降低能量消耗。
图6是示出根据本发明实施例的接入控制设备600组成框图。如图6所示，本发明的利用上述方法对物联网感知设备间的数据接入进行控制的设备，包括：接入准备模块601，其配置用于对网络中的列表进行维护；接入控制模块602，其配置用于对数据接入进行控制；时隙选择模块603，其配置用于时隙选择；信道分配模块604，其配置用于在所述时隙内对链路两端的节点通信模块接口进行信道分配；以及数据传输模块605，其配置用于发送业务流的数据包。
虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于物联网感知设备的接入控制方法，包括：
接入准备过程，该过程用于对网络中的列表进行维护；所述网络中的列表包括：网络中的每个节点维护描述邻居节点活动情况的列表、节点广播列表以及节点接收列表；
接入控制过程，该过程通过控制包对数据接入进行控制；
时隙选择过程，该过程采用保证最低调度延迟的时隙映射算法进行时隙选择，具体包括：节点vi将相关信息发送给与其一跳相邻的节点vj，当前节点vp收到节点vj发送来的控制包，确定本跳链路可用的信道带宽大于上一跳链路预留的信道带宽，则将上一跳链路中预留的每一个时隙与本跳链路的可用时隙建立映射关系；
信道分配过程，该过程采用Kuhn-Munkras算法在所述时隙内为链路两端的节点通信模块接口分配信道，具体包括：将三元组中的每个元素(ti,Li,Ri)表示为两个赋权的完全二部图，其中，ti为分配的时隙，Li为时隙内可用的信道集合，Ri为本链路在时隙ti内可用的通信模块接口集合，对完全二部图上的边进行赋值，使用Kuhn-Munkras算法求解二部图的最小权匹配；以及
数据传输过程，该过程用于发送业务流的数据包。
2.根据权利要求1所述的接入控制方法，其中所述接入准备过程包括：
网络中的每个节点vi维护描述邻居节点活动情况的列表
Figure FDA0004106171930000011
节点广播列表
Figure FDA0004106171930000012
Figure FDA0004106171930000021
以及节点接收列表
Figure FDA0004106171930000022
Figure FDA0004106171930000023
其中NB(ti,fj)为一个整数值，表示在时隙ti中使用信道fj的节点对数，Τ表示一个调度周期，F表示网络中可用的信道集合。
3.根据权利要求1所述的接入控制方法，其中所述接入控制过程包括：
产生数据流的节点在公共信道上发起路由请求控制包；
当网络中的节点收到所述控制包后，利用连续的时隙完成时隙调度与信道分配；
当目的节点接收到所述控制包时，返回路由应答控制包，所述路由应答控制包沿着指定的路径返回到源节点，并在每一跳中预留时隙和信道信息。
4.根据权利要求3所述的接入控制方法，其中所述连续的时隙包括请求时隙、声明时隙和确认时隙。
5.根据权利要求4所述的接入控制方法，其中在所述请求时隙中进行时隙选择过程包括：
节点vi将相关信息发送给与其一跳相邻的节点vj；
当前节点vp收到节点vj发送来的路由请求控制包；
判断本跳链路可用的信道带宽是否大于上一跳链路预留的信道带宽；
将上一跳链路中预留的每一个时隙与本跳链路的可用时隙建立映射关系；
将已选定的时隙按照时间顺序进行排列；
计算出本跳链路的最低调度延迟；以及
判断剩余时隙是否满足业务流的需求。
6.根据权利要求4所述的接入控制方法，其中在所述请求时隙中进行信道分配过程包括：
将三元组中的每个元素(ti,Li,Ri)表示为两个赋权的完全二部图；
对完全二部图上的边进行赋值；
使用Kuhn-Munkras算法求解二部图的最小权匹配M；
计算出本跳链路的信道切换延迟和信道切换的能量开销；以及
判断本跳链路是否能够满足业务流的延迟要求。
7.根据权利要求4所述的接入控制方法，其中在所述声明时隙中，时隙调度与信道分配过程包括：
节点vp将本跳时隙和信道预留状况发送给节点vj及其它与其一跳相邻的节点vn，节点vj及vn根据其收到的信息更新本地的SB(Τ,F)及NB(Τ,F)表。
8.根据权利要求4所述的接入控制方法，其中在所述确认时隙中，时隙调度与信道分配过程包括：
节点vj将节点vp发送的声明时隙信息进行广播，节点vj的邻居节点vq在确认时隙中根据接收到的信息对其本地的NB(Τ,F)表进行更新。
9.根据权利要求1所述的接入控制方法，其中所述数据传输过程包括：
节点在时隙ti发送业务流的数据包以及接收来自业务流的数据包，其中在空闲时隙，感知设备关闭相应的通信模块接口，而在活动时隙，所述感知设备避免信道间的频繁切换。
10.一种利用根据权利要求1～9的任意一项所述的方法对物联网感知设备间的数据接入进行控制的设备，包括：
接入准备模块，其配置用于对网络中的列表进行维护；
接入控制模块，其配置用于对数据接入进行控制；
时隙选择模块，其配置用于时隙选择；
信道分配模块，其配置用于在所述时隙内对链路两端的节点通信模块接口进行信道分配；以及
数据传输模块，其配置用于发送业务流的数据包。
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