CN107360067A - 一种智能家居系统中的网络负载均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能家居系统中的网络负载均衡方法，该方法由中央控制器计算每个接入点的负载比例，根据负载比例进行负载分类，将重负载接入点的设备主动调整到轻负载比例的接入点，从而实现网络负载均衡。本发明的技术方案相对于现有技术，各个接入点的负载更加均衡，而且在负载发生变化时，可以迅速进行调整，系统总体的资源利用率得到了提高，也提高了各个接入点的反应速度和数据传输率。
Description
【技术领域】
本发明属于计算机网络和智能家居领域，尤其涉及一种智能家居系统中的网络负载均衡方法。
【背景技术】
近年来，随着计算机行业的快速发展，计算机技术已经深入人们的生活，已经开始逐渐和我们的居住环境结合起来，出现了智能家居的概念。所谓智能家居，就是利用计算机、通信、传感器、家电等技术，将家庭中各种设备连接到一起，由一个中央控制器进行控制，从而给人们提供一个极其便利的生活环境。
现有技术中的家庭设备通常都是使用无线网络连接的，例如ZigBee、蓝牙或者WIFI等。其中WIFI是现在家庭中最常见的无线网络，智能家居系统使用WIFI网络可以充分利用家庭中现有的无线网络基础设施。但是，WIFI网络中的网络信号传输距离较小，而且受障碍物(例如墙体)影响较大，在家庭面积比较小时，这些缺点不明显，但是如果家庭面积比较大，就需要在家庭的不同位置布置多个接入点，以保证在家庭中的各个位置都能接收到WIFI信号。
然而，多个接入点会带来另外一个问题，对于智能家居系统中的一个设备，其可能处于多个接入点的覆盖范围内，现有技术中，该设备会选择接入信号最强的一个接入点，在这种情况下，对于一个信号发射功率较大的接入点，其可能接入大量的设备，造成这个接入点的负担极大，而其他接入点却可能无所事事，这种不平衡现象导致其他接入点资源被极大浪费，而功率大的接入点却可能被耗尽资源，反应速度极慢。因此，亟需一种新的网络负载均衡方案，使得不同的接入点之间能够均衡地接入设备，平衡各个接入点的负担，平均资源利用率。
【发明内容】
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种智能家居系统中的网络负载均衡方法。本发明提出的技术方案如下：
一种智能家居系统中的网络负载均衡方法，所述智能家居系统包括多个接入点、多个设备和中央控制器，各个设备通过无线网络接入到接入点，各个接入点通过有线网络和中央控制器连接，该方法包括如下步骤：
1)所述中央控制器向所有接入点发送请求，请求接入点所连接的设备数量，每个接入点在收到请求后，将其当前连接的设备数量返回给所述中央控制器；
2)所述中央控制器计算过去一定时间内每个接入点和所述中央控制器之间的上行数据传输率和下行数据传输率；
3)所述中央控制器根据步骤1-2的结果，计算各个接入点的负载比例；
4)所述中央控制器根据各个接入点的负载比例，将接入点分成三类：轻负载接入点、中负载接入和重负载接入点；
5)所述中央控制器检查是否存在重负载接入点，如果没有，则方法结束。否则继续下述步骤；
6)所述中央控制器选择一个重负载接入点Ak，向Ak查询其所有的接入设备，假设共有Sk个，将所述Sk个接入设备按照所述过去一定时间内的数据传输量从大到小进行排序；
7)如果Sk＝1，转到步骤12，否则所述中央控制器设置循环变量j＝2；
8)所述中央控制器根据步骤6的排序结果，获取排在第j位的设备，向该设备发出询问，询问其可以切换到的其他接入点；
9)所述中央控制器检测所述其他接入点中是否有轻负载接入点，如果有，则中央控制器从中选取负载比例最小的接入点，要求该设备切换到该负载比例最小的接入点；
10)在排除了切换走的设备的基础上，所述中央控制器重新计算Ak的负载比例，如果Ak不再是重负载接入点，则转到步骤12；
11)如果j<Sk，则j增加1，转到步骤8；
12)所述中央控制器对于每一个重负载接入点，都执行一遍步骤6-11。
进一步地，所述一定时间为T个小时。优选的，T＝1。
进一步地，所述负载比例按照如下方法计算：
假设接入点Ai接入的设备数量为Si，Ai的上行数据传输率为Ui，下行数据传输率为Di；则Ai的负载比例Fi根据下述公式计算
其中W1和W2是预先设置的权重系统，Mi是接入点Ai可承受的最大负载值，每个接入点可承受的最大负载是预先设置的。
优选的，将负载比例小于等于30％的接入点记为轻负载接入点，将负载比例大于30％且小于等于60％的接入点记为中负载接入点，将负载比例大于60％的接入点记为重负载接入点。
进一步地，所述中央控制器每隔预定时间执行一次所述网络负载均衡方法。
进一步地，所述预定时间为T小时。
进一步地，步骤6中接入设备的数据传输量包括设备的上行数据传输量和下行数据传输量。
本发明的有益效果包括：相对于现有技术，各个接入点的负载更加均衡，而且在负载发生变化时，可以迅速进行调整，系统总体的资源利用率得到了提高，也提高了各个接入点的反应速度和数据传输率。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明智能家居系统的总体架构图；
图2是本发明设备和接入点的网络连接图。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参考附图1，其示出了本发明所应用的智能家居系统，该系统包括多个设备和中央控制器，中央控制器和各个设备之间通过家庭内部WIFI网络连接，中央控制器通过该网络从这些设备接收其数据并进行处理，也可以通过网络控制这些设备。所述中央控制器通常是一种嵌入式设备，通过网络模块和外部通信。用户使用客户端(例如手机)通过互联网和中央控制器远程连接，从而可以通过中央控制器访问和控制家中的各个设备。
参见附图2，其示出了本发明各个设备和接入点的一个实施例的网络连接图，图中实施例的智能家居系统包括三个接入点，以及多个设备(图中以小圆圈代表)部署在这三个接入点周围，当设备启动时，其需要连接到其中一个接入点，从而接入家庭内部WIFI网络。三个接入点之间通过一个有线网络与中央控制器连接，从而各设备可与中央控制器进行通信。
由于在智能家居系统中，中央控制器可以控制各个接入点和设备，也可以获取各个接入点和设备的状态，因此本发明的基本思想就在于使用中央控制器主动控制各个接入点的网络负载，主动指挥设备的接入位置，从而达到主动式网络负载均衡的目的。
下面详细叙述本发明主动式网络负载均衡的步骤：
1)中央控制器向所有接入点发送请求，请求接入点所连接的设备数量，每个接入点在收到请求后，将其当前连接的设备数量返回给中央控制器。
接入点所连接的设备数量是用来衡量接入点负载的一个重要指标，通常情况下，接入点连接的设备数越多，即使这些设备不怎么传输数据，也会给接入点带来越高的负载压力。因此中央控制器需要查询各个接入点的接入设备数量，以用来计算接入点的负载。
2)中央控制器计算过去一定时间内每个接入点和中央控制器之间的上行数据传输率和下行数据传输率。
智能家居系统的一个主要特点，是各个设备通常都只和中央控制器进行通信，而它们之间的通信都需要经过接入点，因此中央控制器自身就可以对上述两个数据传输率进行实时统计。接入点到中央控制器的数据传输率称为上行数据传输率，其代表了该接入点所连接的各个设备向中央控制器传输数据的速度之和。中央控制器到接入点的数据传输率称为下行数据传输率，其代表了中央控制器向该接入点所连接的各设备发送数据的速度之和。这两个数据传输率是接入点负载的核心指标，接入点数据传输率越大，其负载越重。尤其对于WIFI网络，其信道可承载的数据传输率是有上限的，高数据传输率会导致信道中碰撞的大量增加，严重影响设备和接入点之间的链路质量。因此中央控制器通过实时统计上行传输的数据量和下行传输的数据量，就可以随机计算出过去一定时间内的数据传输率。所述一定时间是一个预定义的时间长度，一般为T个小时，优选的，T＝1。
3)中央控制器基于步骤1-2的结果，计算各个接入点的负载比例。
每个接入点所能承受的最大负载实际上是不同的，例如不同品牌、不同型号的接入点，其数据处理能力并不相同，工作在2.4GHz和5GHz上的接入点能承受的最大负载也不相同。因此，对于不同的接入点，不能仅计算其负载，还要考虑其能承受的最大负载。所述负载比例指的就是接入点当前负载与其可承受的最大负载之比。负载比例越大，说明该接入点越接近其承受极限，应该做出调整。其中每个接入点可承受的最大负载是预先设置的，例如可以由接入点厂家设置。
具体的，假设系统中共有n个接入点，记为A1，A2，……，An，步骤2获得的接入点Ai接入的设备数量为Si，步骤3获得的Ai的上行数据传输率为Ui，下行数据传输率为Di。则Ai的负载比例Fi根据下述公式计算：
其中W1和W2是预先设置的权重系统，Mi是接入点Ai可承受的最大负载值。
4)中央控制器根据各个接入点的负载比例，将接入点分成三类：轻负载接入点、中负载接入和重负载接入点。
基于本发明的一个实施例，将负载比例小于等于30％的接入点记为轻负载接入点，将负载比例大于30％且小于等于60％的接入点记为中负载接入点，将负载比例大于60％的接入点记为重负载接入点。上述分类方法只是一个优选方案，本领域技术人员可以根据实际需求进行其他合理划分。
5)中央控制器检查是否存在重负载接入点，如果没有，则方法结束，否则继续下述步骤；
6)中央控制器选择一个重负载接入点Ak，向Ak查询其所有的接入设备(共有Sk个)，将所述接入设备按照过去一定时间内的数据传输量从大到小进行排序。
所述一定时间与步骤2中统计数据传输率的时间相同，所述数据传输量包括设备的上行数据传输量和下行数据传输量，所述上行数据传输量指的是设备向接入点发送的数据量，所述下行数据传输量指的是接入点向设备发送的数据量。
7)如果Sk＝1，则不对Ak进行调整，转到步骤12，否则中央控制器设置循环变量j＝2。
之所以j＝2，目的是不允许数据传输量最大的设备进行切换，因为数据传输量最大设备的切换，很有可能导致重负载被转移到其他接入点，出现这种情况对整体而言并没有任何意义。
8)中央控制器根据步骤6的排序结果，获取排在第j位的设备，向该设备发出询问，询问其可以切换到的其他接入点。
对于设备来说，其附近可能有多个接入点，基于通常WIFI接入的方法，只要附近的接入点的RSSI大于预定义值，就可以视其为可切换的接入点。
9)中央控制器检测所述其他接入点中是否有轻负载接入点，如果有，则中央控制器从中选取负载比例最小的接入点，要求该设备切换到该负载比例最小的接入点；
10)在排除了切换走的设备的基础上，中央控制器重新计算Ak的负载比例，如果Ak不再是重负载接入点，则转到步骤12；
重新计算负载比例，意味着Ak的接入设备数需要排除掉切换走的设备，另外其上行数据传输率和下行数据传输率也要在扣除切换走的设备的基础上重新计算，在此基础上重新计算Ak的负载比例。
11)如果j<Sk，则j增加1，转到步骤8；
12)中央控制器对于每一个重负载接入点，都执行一遍步骤6-11。从而完成整个网络负载均衡方法。
上述方法步骤是一次网络负载均衡的步骤，由于每个接入点的负载是随时变化的，因此中央控制器应该主动性的定时执行一次网络负载均衡，优选的，执行间隔时间应当也是T小时。
发明人在现有的多种智能家居系统中应用了本发明的网络负载均衡方法，经过大量的实验和统计分析，本发明的方案相对于现有技术，各个接入点的负载更加均衡，而且在负载发生变化时，可以迅速进行调整，系统总体的资源利用得到了提高，也提高了各个接入点的反应速度和数据传输率。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (8)
1.一种智能家居系统中的网络负载均衡方法，所述智能家居系统包括多个接入点、多个设备和中央控制器，各个设备通过无线网络接入到接入点，各个接入点通过有线网络和中央控制器连接，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)所述中央控制器向所有接入点发送请求，请求接入点所连接的设备数量，每个接入点在收到请求后，将其当前连接的设备数量返回给所述中央控制器；
2)所述中央控制器计算过去一定时间内每个接入点和所述中央控制器之间的上行数据传输率和下行数据传输率；
3)所述中央控制器根据步骤1-2的结果，计算各个接入点的负载比例；
4)所述中央控制器根据各个接入点的负载比例，将接入点分成三类：轻负载接入点、中负载接入和重负载接入点；
5)所述中央控制器检查是否存在重负载接入点，如果没有，则方法结束。否则继续下述步骤；
6)所述中央控制器选择一个重负载接入点Ak，向Ak查询其所有的接入设备，假设共有Sk个，将所述Sk个接入设备按照所述过去一定时间内的数据传输量从大到小进行排序；
7)如果Sk＝1，转到步骤12，否则所述中央控制器设置循环变量j＝2；
8)所述中央控制器根据步骤6的排序结果，获取排在第j位的设备，向该设备发出询问，询问其可以切换到的其他接入点；
9)所述中央控制器检测所述其他接入点中是否有轻负载接入点，如果有，则中央控制器从中选取负载比例最小的接入点，要求该设备切换到该负载比例最小的接入点；
10)在排除了切换走的设备的基础上，所述中央控制器重新计算Ak的负载比例，如果Ak不再是重负载接入点，则转到步骤12；
11)如果j<Sk，则j增加1，转到步骤8；
12)所述中央控制器对于每一个重负载接入点，都执行一遍步骤6-11。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一定时间为T个小时。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，T＝1。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述负载比例按照如下方法计算：
假设接入点Ai接入的设备数量为Si，Ai的上行数据传输率为Ui，下行数据传输率为Di；则Ai的负载比例Fi根据下述公式计算
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</msub>
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</mrow>
其中W1和W2是预先设置的权重系统，Mi是接入点Ai可承受的最大负载值，每个接入点可承受的最大负载值是预先设置的。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，将负载比例小于等于30％的接入点记为轻负载接入点，将负载比例大于30％且小于等于60％的接入点记为中负载接入点，将负载比例大于60％的接入点记为重负载接入点。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中央控制器每隔预定时间执行一次所述网络负载均衡方法。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定时间为T小时。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6中接入设备的数据传输量包括设备的上行数据传输量和下行数据传输量。
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