CN112105072B - 物联网通信***及其构建方法 - Google Patents

物联网通信***及其构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网领域，提供一种物联网通信***及其构建方法。物联网通信***包括：第一层网络和第二层网络；所述第一层网络为中心网关与簇头节点构建的以所述中心网关为根节点的多跳网络；所述第二层网络为所述簇头节点与终端节点构建的点对多点的单跳蜂窝网络；所述簇头节点是根据预设规则从所述终端节点中选举产生的，用于汇聚和转发所述终端节点发送的数据。本发明在终端节点组网初始化过程中，根据预设规则选举簇头节点，保证第一层网络的中心网关到簇头节点的多跳级数尽可能少，降低端到端的时延，提高网络的吞吐量和网络传输效率。第二层网络是点对多点的单跳蜂窝网络，可满足大量终端节点高频次并发数据传输时低时延的通信需求。

Description

物联网通信***及其构建方法
技术领域
本发明涉及物联网领域，具体地涉及一种物联网通信***以及该物联网通信***的构建方法。
背景技术
随着物联网的发展，对无线物联网通信的需求越来越广。目前的低功耗广域网络(LPWAN)组网结构主要是点对多点单跳星型网络，由中心节点(网关)对终端节点进行无线资源接纳、调度，不利于规模组网，当有大量的物联网节点时难以满足高频次、低时延的通信需求。例如，采用Zigbee技术的个人区域网络(PAN)的组网结构主要是具有多跳特征的树型网络或网状网络，基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，具有较强的组网能力；但在多跳树形组网中所有终端节点都采用CSMA数据传输机制，从中心节点到终端节点的多跳传输时延大，当多个终端节点在短时间内频繁上传数据时，时延较大，网络传输效率严重降低。再例如，采用LoRa物联网技术的组网结构，LoRa网关采用频分多址方式(不支持码分多址)，当多个终端用户并发传输数据时效率较低；而且，LoRa终端采用载波侦听冲突检测的MAC层接入机制，可满足终端用户低频次的数据传输要求，但终端用户高频次上传数据时的时延较大，网络传输效率大大降低。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种物联网通信***及其构建方法，以满足大量终端节点高频次数据传输时低时延的通信需求，有利于大规模组网，提高网络传输效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种物联网通信***，包括：第一层网络和第二层网络；所述第一层网络为中心网关与簇头节点构建的以所述中心网关为根节点的多跳网络；所述第二层网络为所述簇头节点与终端节点构建的点对多点的单跳蜂窝网络；所述簇头节点是根据预设规则从所述终端节点中选举产生的，用于汇聚和转发所述终端节点发送的数据。
进一步地，所述终端节点与所述簇头节点之间采用时分多址、频分多址、码分多址及其组合方式并发传输数据。
本发明还提供上述物联网通信***的构建方法，所述物联网通信***的第一层网络和第二层网络通过以下方式构建：
S1)所述中心网关广播同步消息，对所述终端节点进行同步校准；
S2)所述中心网关广播建网消息，根据所述终端节点的响应消息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记；
S3)所述中心网关根据所有的终端节点的响应消息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图；
S4)所述中心网关根据所述网络树状拓扑图和所述预设规则从各终端节点中选举出簇头节点，完成所述第一层网络和所述第二层网络的构建。
进一步地，步骤S1)所述中心网关广播同步消息，对所述终端节点进行同步校准，包括：
所述中心网关广播同步消息，所述终端节点接收所述同步消息后向邻近的终端节点广播所述同步消息，直到所有的终端节点都接收到所述同步消息，完成所有的终端节点的同步校准。
进一步地，步骤S2)包括：
所述中心网关广播建网消息，所述终端节点接收到所述建网消息后向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息；所述响应消息包括所述终端节点的身份信息以及邻近的终端节点的列表，该列表包括邻近的终端节点的身份信息以及邻近的终端节点的信号强度；所述中心网关根据所述终端节点的响应消息中的身份信息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记。
进一步地，所述中心网关广播建网消息，所述终端节点接收到所述建网消息后向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息，包括：
所述终端节点接收到所述建网消息后，首先进行载波侦听确认此时信道是否空闲；若信道空闲，则所述终端节点向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息；若信道忙，则所述终端节点退避，在预设时间后向所述中心网关发送响应消息或向邻近的终端节点转发所述建网消息。
进一步地，步骤S3)包括：
所述中心网关根据所有的终端节点的响应消息中的身份信息和列表信息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图；所述网络树状拓扑图中各终端节点之间的连接关系还包括信号强度权值。
进一步地，步骤S4)中所述的选举簇头节点的预设规则，包括：
将一跳到达中心网关的终端节点确定为候选簇头节点，根据各候选簇头节点的信号强度权值对候选簇头节点降序排序，依次标识为簇头节点C(m)，m＝1，…，M；其中，M为候选簇头节点的数量；分别将每一簇头节点和与该簇头节点邻近的终端节点构建为一个簇，M个簇头节点分别构建为M个簇；若某个簇的簇头节点的邻近终端节点均为其它簇的簇头节点，则将该簇的簇头节点标记为空簇头节点，以确保所有能一跳到达中心网关的终端节点都被选择为一级簇头节点。
进一步地，步骤S4)中所述的选举簇头节点的预设规则，还包括：
若不同的簇内存在同一个终端节点，则根据该簇的簇头节点的信号强度权值以及该簇内的终端节点的数量确定所述终端节点分配到哪一个簇头节点，确保每一个终端节点通信时对应唯一的簇头节点。
进一步地，步骤S4)中所述的选举簇头节点的预设规则，还包括：
若存在未分配簇头节点的终端节点W(i)，且该终端节点W(i)邻近的终端节点T(j)已分配到一级簇头节点，则终端节点T(j)被选择为终端节点W(i)的簇头节点，终端节点T(j)作为二级簇头节点；若存在未分配簇头节点的终端节点Z(i)，且该终端节点Z(i)邻近的终端节点X(j)已分配到所述二级簇头节点，则终端节点X(j)被选择为终端节点Z(i)的簇头节点，终端节点X(j)作为三级簇头节点。
本发明实施方式提供的物联网通信***及其构建方法，在终端节点组网初始化过程中，根据预设规则选举簇头节点，保证第一层网络的中心网关到簇头节点的多跳级数尽可能少，减少中心网关与簇头节点之间的跳数，实现多跳路由最小化，大大降低端到端的时延，提高第一层网络的吞吐量，从而提高网络传输效率。此外，簇头节点与终端节点构成的第二层网络是点对多点的单跳蜂窝网络，而单跳蜂窝网络支持时分多址、频分多址、码分多址及其组合方式的数据传输方式，能够有效提升第二层网络的通信效率，因此第二层网络可满足大量终端节点高频次并发数据传输时低时延的通信需求，有利于大规模组网。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的物联网通信***的架构图；
图2是本发明一种实施方式提供的物联网通信***的构建方法的流程图；
图3是本发明一种实施方式构建的网络树状拓扑图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明一种实施方式提供的物联网通信***的架构图。如图1所示，本实施方式提供一种物联网通信***，包括第一层网络和第二层网络，所述第一层网络为中心网关与簇头节点构建的以所述中心网关为根节点的多跳网络；所述第二层网络为所述簇头节点与终端节点构建的点对多点的单跳蜂窝网络；所述簇头节点是根据预设规则从所述终端节点中选举产生的，用于汇聚和转发所述终端节点发送的数据。所述终端节点与所述簇头节点之间采用时分多址、频分多址、码分多址及其组合方式并发传输数据。
本发明实施方式提供的物联网通信***，在网络构建过程中，根据预设规则选举簇头节点，保证第一层网络的中心网关到簇头节点的多跳级数尽可能少，减少中心网关与簇头节点之间的跳数，实现多跳路由最小化，大大降低端到端的时延，提高第一层网络的吞吐量，从而提高网络传输效率。此外，簇头节点与终端节点构成的第二层网络是点对多点的单跳蜂窝网络，而单跳蜂窝网络支持时分多址、频分多址、码分多址及其组合方式的数据传输方式，能够有效提升第二层网络的通信效率，因此第二层网络可满足大量终端节点高频次并发数据传输时低时延的通信需求，有利于大规模组网。
图2是本发明一种实施方式提供的物联网通信***的构建方法的流程图。如图2所示，本实施方式提供的物联网通信***的第一层网络和第二层网络通过以下方式构建：
S1)中心网关广播同步消息，对终端节点进行同步校准。
中心网关广播同步消息(例如，包含同步序列号的消息)，终端节点接收所述同步消息后向邻近的终端节点广播所述同步消息，即网络内的任意终端节点接收到同步消息后都要进行泛洪(向邻近的终端节点广播)，直到所有的终端节点都接收到所述同步消息，完成所有的终端节点的同步校准。
S2)所述中心网关广播建网消息，根据所述终端节点的响应消息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记。
所述中心网关广播建网消息，所述终端节点接收到所述建网消息后向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息。具体的，所述终端节点接收到所述建网消息后，首先进行载波侦听确认此时信道是否空闲；若信道空闲，则所述终端节点向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息；若信道忙，则所述终端节点退避，在预设时间后向所述中心网关发送响应消息或向邻近的终端节点转发所述建网消息。所述终端节点接收到邻近的终端节点转发的建网消息后，首先进行载波侦听确认此时信道是否空闲；若信道空闲，则所述终端节点在下一个超帧的起始时刻向邻近的终端节点发送响应消息；若信道忙，则所述终端节点退避，在预设时间后向邻近的终端节点发送响应消息。所有的终端节点接收到建网消息或响应消息后重复执行载波侦听和转发，直到所有的终端节点的响应消息均被转发到中心网关。
每个终端节点接收到建网消息后，根据建网消息生成邻近的终端节点的列表，该列表包括邻近的终端节点的身份信息以及邻近的终端节点的信号强度。所述终端节点向所述中心网关发送的响应消息包括所述终端节点的身份信息以及邻近的终端节点的列表。所述中心网关根据所述终端节点的响应消息中的身份信息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记。
S3)所述中心网关根据所有的终端节点的响应消息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图。
图3是本发明一种实施方式构建的网络树状拓扑图。
本实施方式中，所述中心网关根据所有的终端节点的响应消息中的身份信息和列表信息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图，如图3所示。网络树状拓扑图中各终端节点之间的连接关系还包括信号强度权值。
S4)所述中心网关根据所述网络树状拓扑图和所述预设规则从各终端节点中选举出簇头节点，完成所述第一层网络和所述第二层网络的构建。
选举簇头节点的预设规则为：将一跳到达中心网关(与中心网关直接相连)的终端节点确定为候选簇头节点，根据各候选簇头节点的信号强度权值对候选簇头节点降序排序，依次标识为簇头节点C(m)，m＝1，…，M；其中，M为候选簇头节点的数量；分别将每一簇头节点和与该簇头节点邻近的终端节点构建为一个簇，M个簇头节点分别构建为M个簇。例如，将信号强度权值最大的候选簇头节点选举为第一个簇头节点C(1)，若簇头节点C(1)邻近的终端节点有N(1)个，则簇头节点C(1)优先构建一个有N(1)个终端节点的簇；以此类推，所有的候选簇头节点都作为簇头节点，分别构建具有簇头节点C(m)对应N(m)个终端节点的簇。
若某个簇的簇头节点的邻近终端节点均为其它簇的簇头节点，则将该簇的簇头节点标记为空簇头节点，以确保所有能一跳到达中心网关的终端节点都被选择为一级簇头节点。
统计除空簇头节点以外的所有簇头节点的邻近终端节点是否覆盖了所有的终端节点，若是，则表明所有的终端节点都能一跳到达中心网关或者通过簇头节点两跳到达中心网关。若不同的簇内存在同一个终端节点(身份信息相同的终端节点)，则根据该簇的簇头节点的信号强度权值以及该簇内的终端节点的数量确定所述终端节点分配到哪一个簇头节点，确保每一个终端节点通信时对应唯一的簇头节点。
统计除空簇头节点以外的所有簇头节点的邻近终端节点是否覆盖了所有的终端节点，若不是，则存在不能直接到达中心网关或一级簇头节点的终端节点。若存在未分配簇头节点的终端节点W(i)，且该终端节点W(i)邻近的终端节点T(j)已分配到一级簇头节点，则终端节点T(j)被选择为终端节点W(i)的簇头节点，终端节点T(j)作为二级簇头节点；以此类推，在剩余的未分配簇头节点的终端节点W(i)中，选择包含终端节点W(i)的已分配终端节点T(j)作为二级簇头节点，不能直接到达一级簇头节点的所有终端节点都能通过二级簇头节点连接到一级簇头节点。若存在未分配簇头节点的终端节点Z(i)，且该终端节点Z(i)邻近的终端节点X(j)已分配到所述二级簇头节点，则终端节点X(j)被选择为终端节点Z(i)的簇头节点，终端节点X(j)作为三级簇头节点，不能直接到达二级簇头节点的所有终端节点都能通过三级簇头节点连接到一级簇头节点。以此类推，直到所有的终端节点都能加入网络或簇头节点的级数超出限制(例如簇头节点的级数限制为k级，k＝5)，第一层网络和第二层网络的构建完成。
本发明实施方式提供的物联网通信***的构建方法，在终端节点组网初始化过程中，根据预设规则选举簇头节点，保证第一层网络的中心网关到簇头节点的多跳级数尽可能少，减少中心网关与簇头节点之间的跳数，实现多跳路由最小化，大大降低端到端的时延，提高第一层网络的吞吐量，从而提高网络传输效率。此外，簇头节点与终端节点构成的第二层网络是点对多点的单跳蜂窝网络，而单跳蜂窝网络支持时分多址、频分多址、码分多址及其组合方式的数据传输方式，能有效提升第二层网络通信效率，因此第二层网络可满足大量终端节点高频次并发数据传输时低时延的通信需求，有利于大规模组网。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、***和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种物联网通信***，其特征在于，包括：第一层网络和第二层网络；
所述第一层网络为中心网关与簇头节点构建的以所述中心网关为根节点的多跳网络；
所述第二层网络为所述簇头节点与终端节点构建的点对多点的单跳蜂窝网络；
所述簇头节点是根据预设规则从所述终端节点中选举产生的，用于汇聚和转发所述终端节点发送的数据；
所述第一层网络和第二层网络通过以下方式构建：
S1)所述中心网关广播同步消息，对所述终端节点进行同步校准；
S2)所述中心网关广播建网消息，根据所述终端节点的响应消息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记；
S3)所述中心网关根据所有的终端节点的响应消息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图；
S4)所述中心网关根据所述网络树状拓扑图和所述预设规则从各终端节点中选举出簇头节点，完成所述第一层网络和所述第二层网络的构建；
步骤S4)中所述的选举出簇头节点的预设规则，包括：
将一跳到达中心网关的终端节点确定为候选簇头节点，根据各候选簇头节点的信号强度权值对候选簇头节点降序排序，依次标识为簇头节点C(m)，m＝1，…，M；其中，M为候选簇头节点的数量；
分别将每一簇头节点和与该簇头节点邻近的终端节点构建为一个簇，M个簇头节点分别构建为M个簇；
若某个簇的簇头节点的邻近终端节点均为其它簇的簇头节点，则将该簇的簇头节点标记为空簇头节点，以确保所有能一跳到达中心网关的终端节点都被选择为一级簇头节点。
2.根据权利要求1所述的物联网通信***，其特征在于，所述终端节点与所述簇头节点之间采用时分多址、频分多址、码分多址及其组合方式并发传输数据。
3.一种物联网通信***的构建方法，所述物联网通信***包括第一层网络和第二层网络，第一层网络以中心网关与簇头节点构建，第二层网络以簇头节点与终端节点构建，其特征在于，所述第一层网络和第二层网络通过以下方式构建：
S1)通过中心网关广播同步消息，对终端节点进行同步校准；
S2)通过中心网关广播建网消息，根据所述终端节点的响应消息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记；
S3)通过中心网关根据所有的终端节点的响应消息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图；
S4)通过所述中心网关根据所述网络树状拓扑图和预设规则从各终端节点中选举出簇头节点，完成所述第一层网络和所述第二层网络的构建；
步骤S4)中所述的选举出簇头节点的预设规则，包括：
将一跳到达中心网关的终端节点确定为候选簇头节点，根据各候选簇头节点的信号强度权值对候选簇头节点降序排序，依次标识为簇头节点C(m)，m＝1，…，M；其中，M为候选簇头节点的数量；
分别将每一簇头节点和与该簇头节点邻近的终端节点构建为一个簇，M个簇头节点分别构建为M个簇；
若某个簇的簇头节点的邻近终端节点均为其它簇的簇头节点，则将该簇的簇头节点标记为空簇头节点，以确保所有能一跳到达中心网关的终端节点都被选择为一级簇头节点。
4.根据权利要求3所述的物联网通信***的构建方法，其特征在于，步骤S1)通过中心网关广播同步消息，对终端节点进行同步校准，包括：
所述中心网关广播同步消息，所述终端节点接收所述同步消息后向邻近的终端节点广播所述同步消息，直到所有的终端节点都接收到所述同步消息，完成所有的终端节点的同步校准。
5.根据权利要求3所述的物联网通信***的构建方法，其特征在于，步骤S2)包括：
所述中心网关广播建网消息，所述终端节点接收到所述建网消息后向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息；所述响应消息包括所述终端节点的身份信息以及邻近的终端节点的列表，该列表包括邻近的终端节点的身份信息以及邻近的终端节点的信号强度；
所述中心网关根据所述终端节点的响应消息中的身份信息判断所述终端节点的合法性，并对合法的终端节点进行入网登记。
6.根据权利要求5所述的物联网通信***的构建方法，其特征在于，所述中心网关广播建网消息，所述终端节点接收到所述建网消息后向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息，包括：
所述终端节点接收到所述建网消息后，首先进行载波侦听确认此时信道是否空闲；
若信道空闲，则所述终端节点向所述中心网关发送响应消息，并向邻近的终端节点转发所述建网消息；
若信道忙，则所述终端节点退避，在预设时间后向所述中心网关发送响应消息或向邻近的终端节点转发所述建网消息。
7.根据权利要求5所述的物联网通信***的构建方法，其特征在于，步骤S3)包括：
所述中心网关根据所有的终端节点的响应消息中的身份信息和列表信息，获知各终端节点之间的连接关系，构建所述中心网关与各终端节点的网络树状拓扑图；所述网络树状拓扑图中各终端节点之间的连接关系还包括信号强度权值。
8.根据权利要求7所述的物联网通信***的构建方法，其特征在于，步骤S4)中所述的选举簇头节点的预设规则，还包括：
若不同的簇内存在同一个终端节点，则根据该簇的簇头节点的信号强度权值以及该簇内的终端节点的数量确定所述终端节点分配到哪一个簇头节点，确保每一个终端节点通信时对应唯一的簇头节点。
9.根据权利要求8所述的物联网通信***的构建方法，其特征在于，步骤S4)中所述的选举簇头节点的预设规则，还包括：
若存在未分配簇头节点的终端节点W(i)，且该终端节点W(i)邻近的终端节点T(j)已分配到一级簇头节点，则终端节点T(j)被选择为终端节点W(i)的簇头节点，终端节点T(j)作为二级簇头节点；
若存在未分配簇头节点的终端节点Z(i)，且该终端节点Z(i)邻近的终端节点X(j)已分配到所述二级簇头节点，则终端节点X(j)被选择为终端节点Z(i)的簇头节点，终端节点X(j)作为三级簇头节点。
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