CN106332102A - 一种物联网中的异构网络架构 - Google Patents

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赵志宇
曹厚华
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Abstract

本发明涉及一种无线网络及物联网技术领域，具体涉及一种物联网中的异构网络架构，包括第一级网络和第二级网络，第一级网络包括sink层，第二级网络包括中继层和传感层，中继层和传感层融合在一起，中继层包括中继节点，传感层包括传感节点；传感节点组成至少一个的传感器子网；中继节点接入至少一个传感节点，中继节点具有多信道接口结构和多协议栈结构，信通的类型和数量与接入的传感器子网类型和数量相匹配，协议栈的数量与接入的传感器子网数量相匹配。该网络格构实现了组网方式的统一，达到兼容多种传感器网络的效果，可在任何一种或多种传感器网络环境下应用，并优化了中继节点部署，降低中继节点的部署成本。

Description

一种物联网中的异构网络架构
技术领域
本发明涉及一种无线网络及物联网技术领域，具体涉及一种物联网中的异构网络架构。
背景技术
物联网通过局域网络或互联网等通信技术将传感器、控制器、机器、人员和物等联系在一起，形成人与物、物与物之间的相联，而无线传感器网络(WSN)是实现物联网的重要网络形式，无线传感器网络是由大量传感节点构成的无线自组织网络，用于物理环境信息的监测。WSN涉及到多种无线技术，例如Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、UWB等。这些无线技术在组网时所构成的网络架构都只针对各自技术特点设计，未考虑彼此之间的兼容和协同工作，导致了中继节点的部署也相对复杂，成本较高。
无线传感器网络的异构性主要体现在多种通信协议和传感通信要求两个方面。其中，通信协议异构性表现在数据传输采用的无线通信标准和协议的多样性；传感通信要求的异构性主要体现在不同类型的传感信息具有各不相同的传输需求。
对于不同的监测对象，无线传感器网络在能量消耗、传感频度、带宽需求、传输时延限制等方面也存在差异。WSN的这种异构性决定了在现有技术的架构下各种无线技术不具有通用性，在实际应用中只能在特定场景下选择特定的架构来适应，这往往需要增设大量的传感器，无疑大大增加了网络构架的设计成本。
另外，各种无线传感器网络组网在规模、拓扑结构、数据传输速率、适合的应用等方面均呈现不同要求，因而组网方式不统一。这些不同的组网方式和组网需求使得各个通信体制下的无线传感器网络之间的综合应用遇到障碍。
为此，有必要提供一种物联网中的异构网络架构，以优化物联网下各种无线技术的兼容性，以使得多种网络技术的传感器网络能够进行统一管理及有效互通，充分有效利用网络中的传感器，降低网络构架成本。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种物联网中的异构网络架构，实现不同网络的彼此兼容和统一管理。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种物联网中的异构网络架构，包括第一级网络和第二级网络，所述第一级网络包括sink层，所述第二级网络包括中继层和传感层，所述中继层和所述传感层融合在一起，所述中继层包括中继节点，所述传感层包括传感节点；
所述传感节点组成至少一个的传感器子网；
所述中继节点接入至少一个传感节点，所述中继节点具有多信道接口结构和多协议栈结构，所述信通的类型和数量与接入的传感器子网类型和数量相匹配，所述协议栈的数量与接入的传感器子网数量相匹配。所述中继节点接入的传感节点可以是在同一个传感器子网或是在不同的传感器子网上的。
设置的所述中继节点类似于现有无线传感器网络的传感器子网中的sink节点，从而可以达到不影响传感器子网原有的组网运行状态的效果。在具有分簇结构的传感器子网中，中继节点除了担任类似传感器子网的sink节点的角色，还可兼任簇首的功能。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述中继节点包括对接入的传感节点的传感信息进行汇集、融合、存储处理的信息汇聚层，所述信息汇聚层包括信息汇聚节点。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述中继层还包括对传感信息进行融合后的数据进行存储的业务点，所述业务点至少一个。所述业务点是根据对传感信息进行特征提取的结果和分布式存储策略，对融合后的数据进行存储，以便需要时提供给不同的应用。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述中继节点通过贪心算法进行优化部署。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述中继节点能够对接入的传感节点的传感信息进行归一化处理，并对归一化处理后的传感信息进行汇集、融合、存储处理。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述sink层包括sink节点或/和移动接入节点，所述sink节点或/和移动接入节点接入至少一个的中继节点。可采用多sink节点和/或移动接入节点方式实现组网。所述移动接入节点是指带有移动能力的信息汇聚节点或者是带有移动能力的sink节点，所述移动接入节点可以是蜂窝网的基站，通过无线方式与中继节点连接。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，还包括用于实现与外网互联的应用网关。所述应用网关，对外提供的是传感器网络的应用模型的抽象和映像、屏蔽内部具体的组网技术细节，从而达到具有通用性的互联效果。当传感器网络规模较大、应用复杂度和运算处理量较高时，应用网关可采用独立设备形式存在；相反情况下，应用网关可与sink节点合并、或多个sink节点构成逻辑应用网关。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，应用网关中包括用于连接上层应用系统与信息汇聚层的服务提供点，所述服务提供点是应用系统向下发送命令和获取所需要的数据的接口。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述sink层包括sink节点，所述sink节点通过有线方式或无线方式与所述信息汇聚点连接。
作为本发明所述的一种物联网中的异构网络架构的改进，所述sink节点不少于两个，所述sink节点之间通过有线网络互相连接。
本发明的有益效果在于：提供一种物联网中的异构网络架构，与现有技术相比，实现了组网方式的统一，达到兼容多种传感器网络的效果，可在任何一种或多种传感器网络环境下应用，尤其适合类似物联网的大规模异构传感网的综合应用场景。本发明还通过优化的中继节点选择部署，提高了无线传感网的网络效用，降低中继节点的部署成本。
附图说明
图1为物联网中的异构网络架构示意图。
图2为中继节点部署示意图之一。
图3为中继节点部署示意图之二。
图4为中继节点部署示意图之三。
图5为中继节点部署示意图之四。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和说明书附图对本发明及其有益效果作进一步详细说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。
如图1所示，一种物联网中的异构网络架构，包括第一级网络和第二级网络，所述第一级网络包括sink层，所述第二级网络包括中继层和传感层，所述中继层和所述传感层融合在一起，所述中继层包括中继节点，所述传感层包括传感节点；所述传感节点组成多个传感器子网；所述中继节点接入一个或多个相同或不同的传感节点，所述中继节点具有多信道接口结构和多协议栈结构，所述信通的类型和数量与接入的传感器子网类型和数量相匹配，所述协议栈的数量与接入的传感器子网数量相匹配。所述中继节点包括对接入的传感节点的传感信息进行汇集、融合、存储处理的信息汇聚层，所述信息汇聚层包括信息汇聚节点。所述中继层还包括对传感信息进行融合后的数据进行存储的业务点。所述中继节点通过贪心算法进行优化部署。所述中继节点能够对接入的传感节点的传感信息进行归一化处理。所述sink层包括sink节点，所述sink节点接入一个或多个的中继节点，所述sink节点通过有线方式或无线方式与所述信息汇聚点连接，所述sink节点之间通过有线网络互相连接。该物联网中的异构网络架构还包括用于实现与外网互联的应用网关，应用网关中包括用于连接上层应用系统与信息汇聚层的服务提供点，通过应用网关实现与互联网或其它专用网络进行互联。
其中，中继层是本架构设计的核心部分，由多个中继节点通过自组织方式实现组网。由于现有的采用不同无线技术的传感器网络彼此互不兼容、彼此相互孤立，因些通过增加由中继节点构成的中继层，以实现不同网络的彼此兼容及统一管理。为实现不同网络传感节点的传感信息的汇聚，所述中继节点具有如下特点：
第一：具有多信道接口结构
中继节点采用可重配置的多信道结构，用于支持灵活的多传感器子网接入的能力，其中，信道类型和数量与实际应用中所需接入的无线传感器子网类型和数量相匹配。在中继节点内部，可通过信息处理层来实现对各个对应传感器子网的信息进行归一化处理和对信息的汇集融合等综合处理。
由于存在多种传感器子网，各个传感器子网的信息类型、流量、QoS要求多种多样，中继节点要对它们进行统一描述，先要对信息进行归一化处理，根据归一化的信息，信息处理层再对各传感器子网信息进行必要的数据融合处理。在对信息进行归一化处理，并进行适当融合之后，就可以规避原有网络因技术差异而导致的数据差别，可进行统一处理。
第二：具有多协议栈结构
为了兼容已有的传感器子网，对于中继节点来说，既需要支持与各个传感器子网的通信，同时还需要支持中继节点之间的组网通信，因此应该具有多协议栈。协议栈的数量与实际应用中接入的无线传感器子网数量相匹配。从通用性角度考虑，中继节点协议栈应包含各个传感器子网的完整协议栈。也就是说，数据融合处理在各个协议栈的应用层之上来进行。这样才可以保证中继节点更好的兼容性和扩展性。
而传感器网络是一种与应用密切相关的功能性网络，与常规网络的不同之处在于传感信息不是单纯的传输，而是在传输过程中同时存在着信息汇聚、信息融合以及在网络中实现信息存储和信息查询等方面的信息处理过程。传统的传感器网络中，这些功能性的处理过程通常由传感节点担当，而在大规模组网中，功能性的信息处理过程可转移到中继层上来实现。本物联网中的异构网络架构设置的中继层则通过分布式网络实现传感信息的汇集、融合、存储、业务服务等逻辑功能。主要有以下功能：
第一，组网平台。
统一的组网方式将不同通信体制的异构传感器网络彼此互连起来。这种互连包括两个方面：一是能够允许传感器子网平滑接入；二是能够实现汇聚节点之间的自组织组网。
第二，信息汇聚平台。
传感信息经传感器子网采集后在中继层进行汇聚。信息汇聚具有两个层次：一是基于本地传感网信息的汇聚。同一个传感网络的传感节点，可能接入不同的中继节点，因此传感信息会经过多个中继节点进入信息汇聚网。这就需要信息汇聚层将来自同一个传感网的传感信息进行一次汇集处理。用来存储汇聚信息的节点称为传感信息点，通常是中继节点中的某些节点。二是基于服务类型的分布式信息汇聚。信息汇聚层根据信息的服务类型，将相同或相关服务类型的信息再一次进行汇聚。
第三，信息融合、存储平台。
中继层在对传感信息进行汇聚后，可以根据信息的冗余性进行数据融合处理。融合可以根据传感信息的区域性进行，也可根据服务类型进行。中继节点对信息进行汇聚和融合后，则采用分布式存储策略存储在中继层的业务点上，以便需要时提供给不同的应用。
第四，传感业务服务平台
中继层根据不同的应用需求，为上层提供信息共享服务。一种传感信息可能提供给多种应用系统使用；一种应用也可能同时用到来自不同传感器子网的多种传感信息。信息汇聚层根据上层应用的要求，从存储与该命令相关信息的所有中继节点上将信息提取出来，递交上层。递交的过程中也可能对数据再次进行融合处理。
本物联网中的异构网络架构所设置的中继节点，需要具有较强的信息处理能力，较多的电源功率配置，较大的无线通信距离和较高的传输速率，用于构成覆盖各个传感器子网区域、处理能力强的信息汇聚、传输和处理的中继节点网。使得传感信息在向sink节点传输或实现存储过程中，能更好地按信息的各种应用需求实现实时处理、融合处理或存储处理。通过将传感节点的功能简化并转移到信息汇聚节点上，通用的传感器网络系统的更新、维护和重构网络等主要集中在中继节点的层面上，将大大简化网络的运行维护成本，重构网络的复杂度和难度也将大大降低，这是该通用组网架构的优势所在。
如图2至5所示，由于一个中继节点需要负责一个或多个传感节点的接入，中继节点的数目根据传感节点具体位置确定。在这里采用贪心算法对中继节点进行优化部署，具体如下：
1、如图2所示，以sink节点为圆心，定义i＝1，j＝1；
2、以传感节点(SN)中的最大传输为半径(r)在圆心上作圆(O1)，以r加中继节点(RN)传输半径(R)的和为半径(R+r)作圆(O2)，圆O1和O2共圆心；
3、包含在圆O1内的传感节点SN标记为可连通；
4、连接圆心O1和处于半径r和r+R之间的传感器的直线与圆O1产生交点O1n，n＝1，2，3…；
5、以O1n为圆心，作半径r的圆，在所作的所有圆中选择包含传感器最多的圆心放置中继节点RNi；
6、如图3和4所示，以RNi为圆心，i＝j+1；
7、重复2-6，直至没有新的SN被标记为可连通，从而使得如图5所示，所有传感节点都被覆盖在sink节点或中继节点传输范围内。
传感节点的功能简化并转移到中继节点上，使得通用的传感器网络系统的更新、维护和重构网络等主要集中在中继节点的层面上，从而大大简化网络的运行维护成本。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：包括第一级网络和第二级网络，所述第一级网络包括sink层，所述第二级网络包括中继层和传感层，所述中继层和所述传感层融合在一起，所述中继层包括中继节点，所述传感层包括传感节点；
所述传感节点组成至少一个的传感器子网；
所述中继节点接入至少一个传感节点，所述中继节点具有多信道接口结构和多协议栈结构，所述信通的类型和数量与接入的传感器子网类型和数量相匹配，所述协议栈的数量与接入的传感器子网数量相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述中继节点包括对接入的传感节点的传感信息进行汇集、融合、存储处理的信息汇聚层，所述信息汇聚层包括信息汇聚节点。
3.根据权利要求2所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述中继层还包括对传感信息进行融合后的数据进行存储的业务点，所述业务点至少一个。
4.根据权利要求1所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述中继节点通过贪心算法进行优化部署。
5.根据权利要求1所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述中继节点能够对接入的传感节点的传感信息进行归一化处理。
6.根据权利要求1所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述sink层包括sink节点或/和移动接入节点，所述sink节点或/和移动接入节点接入至少一个的中继节点。
7.根据权利要求2所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：还包括用于实现与外网互联的应用网关。
8.根据权利要求7所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：应用网关中包括用于连接上层应用系统与信息汇聚层的服务提供点。
9.根据权利要求2所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述sink层包括sink节点，所述sink节点通过有线方式或无线方式与所述信息汇聚点连接。
10.根据权利要求9所述的一种物联网中的异构网络架构，其特征在于：所述sink节点不少于两个，所述sink节点之间通过有线网络互相连接。
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