CN109104371B - 基于通信开销优化物联网传输路由的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于通信开销优化物联网传输路由的方法，对信源部分进行特征定义和分类，确定信息信源可以定义的属性。途经各节点根据自身情况，维护修正属性。各节点对自身传输信息时的通信开销、优先级、时延进行评估，告知邻居节点。传输路由选择与具体的通信协议实现方式无关，不受信源节点和目的节点间通信协议的限制，节点间可以根据传输通路特点自行选择通信协议；可以根据传输信息的实际需求，综合考虑传输的开销和效率两者的平衡，采用分布式算法，将计算与决策分散在各节点，避免集中计算过大的开销；支持传输通路选择策略的预先配置，优化了转发的效率，对传输通路按照规则验证，可保证了选路的有效性和可靠性。

Description

基于通信开销优化物联网传输路由的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种基于通信开销优化物联网传输路由的方法，尤其是涉及涉及物联网通信系统中对传输通路的选择，是一种基于传输过程开销的评价，来选择通信通路及自组织网络的方法。

背景技术

物联网系统中，终端会具备多种通信能力。根据通信场景，除了采用公用移动通信网络，还会同时应用NB-IoT、LoRa、ZigBee、蓝牙等自组网协议，综合多种接入方式来实现组网。由于环境复杂，业务特征变化多样等原因，传输距离、能耗支持情况、计算能力等有很大的差别，传输通路也有各自的特点。物联网终端，可以按照一定的规则，灵活选择不同的传输通路及组合，实现信息送达目标节点。

从网络功能角度看，大部分节点只是作为系统末端，完成单一的采集或传感功能，并不能直接接入网络，需要和其它节点连接，借助自组织网络完成信息传递。特别是为了远距离或特殊应用，往往以级联作为多级传输形式。对单个节点而言，能源支持情况不同。有的采用低容量电池供电，处于长期休眠，有的有不间断电源支持，可以始终在线工作。接入方式也各不相同。有的使用专用网络、连接无费用。有的使用公用移动通信网络，按照连接次数或者传输流量计费。这里把对于电源支持要求及单次通信成本，抽象为通信开销。节点选择传输通路上，按照接入能力和传输需要，与邻近的节点按约定协议通信。不同传输技术，适用环境、网络性能都有不同，具体表现在速率、通信成本、节点能量消耗和误码率等方面。

对于整个系统网络，需要针对环境和节点特点，按照一定策略将多种接入方式，有机地整合为一个完整的信息传送体系。信源节点发出的信息，可能会通过多种路径达到由到达目的节点，期间经过多重接力和跳转。这就给系统提出了要求，根据不同的网络拓扑结构，实现最低的网络成本和最佳的传输效果，也就是通信开销优化问题。需要考虑针对终端具备多种接入能力的特点，针对不同业务特征，分析差异化的传输需求，设计算法，合理有效地选择传输路径或者路由，实现最小通信开销。

原有物联网无论采用星型或链型连接等拓扑，都是按照最短路由或者最小时延等测度，确定路径选择情况。没有考虑到信息本身业务特征和节点采用不同接入技术允许的通信开销。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于通信开销优化物联网传输路由的方法。

根据本发明提供的一种基于通信开销优化物联网传输路由的方法，包括以下步骤：数据包数据结构定义步骤：定义信息包的数据结构，信息包的数据结构包括信息包头、信息正文、信息包尾中的任一种或任多种信息，所述信息包头包括源节点的ID、目的节点的ID、信息包编号、通路判定条件、通信开销累计值中的任一种或任多种信息，所述信息包尾包括从源节点到目的节点的通路记录；所述通路记录包括节点ID、开销、接入技术中的任一种或任多种技术；传输通路选择步骤：将通路发送方记为上级节点，将通路接收方记为下级节点，记录传输通路特征参数，进行传输允许范围判定，若传输通路特征参数在通路判定条件的允许范围内，则将信息包传输到下级节点，并更新通路判定条件，若传输通路特征参数不在通路判定条件的允许范围内，则标识不通过，通知上级节点，信息包丢弃。

优选地，所述基于通信开销优化物联网传输路由的方法还包括以下步骤：对应传输节点表维护步骤：创建目的节点的对应传输节点表，所述对应传输节点表包括源节点的ID、最佳传输节点顺序、第一最小通信开销；开销记录比较步骤：对到达目的节点的信息包进行解包，获取信息包的内容，比较信息包的通信开销累计值是否小于对应传输节点表的第一最小通信开销，若通信开销累计值小于第一最小通信开销，则接收信息包，令信息包的通信开销累计值替换第一最小通信开销，令信息包的通路记录替换最佳传输节点顺序，启动反向回溯至信源节点步骤，若通信开销累计值不小于第一最小通信开销，则接收信息包。

优选地，所述基于通信开销优化物联网传输路由的方法还包括反向回溯至信源节点步骤；反向回溯至信源节点步骤：通过专用回溯指令，对信息包的通路记录表，逐级反向回溯直至源节点，得到各级节点至目的节点的下级通路表、第二最小通信开销。

优选地，所述反向回溯至信源节点步骤包括：节点通信开销计算步骤：计算信息包的通路记录表中的当前节点至目的节点的通信开销，记为第一通信开销，将通路记录表中的当前节点至目的节点的通路记录，记为第一下级通路表；当前节点通路表判断步骤：判定当前节点是否保存有当前节点至目的节点的下级通路表、第二最小通信开销的记录，若记录存在，则记为存在初始记录，将当前节点已存在的当前节点到目的节点的通信开销，记为第二通信开销，将当前节点已存在的当前节点到目的节点的对应下级通路表，记为第二下级通路表；若记录不存在，则记为不存在初始记录；节点通路更新步骤：对存在初始记录的当前节点，若第一通信开销小于第二通信开销，则令第一通信开销替换第二通信开销，令第一下级通路表替换第二下级通路表；若第一通信开销不小于第二通信开销，则继续后续节点的反向回溯；对不存在初始记录的当前节点，令第一通信开销保存为第二通信开销，第一下级通路表保存为第二下级通路表，第二下级通路表为当前节点至目的节点的下级通路表，第二通信开销为当前节点至目的节点的第二最小通信开销。

优选地，所述通路判定条件主要包括传输优先级、允许通信开销、允许跳数、允许传输时延；所述传输通路特征参数主要包括传输通讯开销、时延开销、跳数、本次传输开销。

优选地，所述传输允许范围判定分以下步骤：S01：判定允许通信开销是否大于传输通讯开销，若允许通信开销大于传输通讯开销，则执行S02；若允许通信开销不大于传输通讯开销，则传输允许范围判定不通过；S02：判定允许跳数是否大于跳数，若允许跳数大于跳数，则执行S03；若允许跳数不大于跳数，则传输允许范围判定不通过；S03：判定允许传输时延是否大于时延开销，若允许传输时延大于时延开销，则传输允许范围判定通过；若允许传输时延不大于时延开销，则传输允许范围判定不通过。

优选地，所述更新通路判定条件为令信息包的允许通信开销、允许跳数、允许传输时延分别减去传输通讯开销、跳数、时延开销，将信息包的通信开销累计值加上本次传输开销。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、传输路由选择与具体的通信协议实现方式无关，不受信源节点和目的节点间通信协议的限制，节点间可以根据传输通路特点自行选择通信协议；

2、可以根据传输信息的实际需求，综合考虑传输的开销和效率两者的平衡，同时采用分布式算法，将计算与决策分散在各节点，避免集中计算过大的开销；

3、支持传输通路选择策略的预先配置，优化了转发的效率，同时在传输过程中，对传输通路按照规则验证，可保证了选路的有效性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的传输通路优化流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明通过评估传输信息的特征，分析传输通路经过各个节点的传输能力属性，通信成本、能量消耗等因素，合理选择传输路由。利用自组网技术，改善和完备物联网传输的信息传输机制。

根据本发明公开的一种基于通信开销优化物联网传输路由的方法，包括以下步骤：数据包数据结构定义步骤：定义信息包的数据结构，信息包的数据结构包括信息包头、信息正文、信息包尾中的任一种或任多种信息，所述信息包头包括源节点的ID、目的节点的ID、信息包编号、通路判定条件、通信开销累计值中的任一种或任多种信息，所述信息包尾包括从源节点到目的节点的通路记录；所述通路记录包括节点ID、开销、接入技术中的任一种或任多种技术；传输通路选择步骤：将通路发送方记为上级节点，将通路接收方记为下级节点，记录传输通路特征参数，进行传输允许范围判定，若传输通路特征参数在通路判定条件的允许范围内，则将信息包传输到下级节点，并更新通路判定条件，若传输通路特征参数不在通路判定条件的允许范围内，则标识不通过，通知上级节点，信息包丢弃。

数据包数据结构如表1、表2所示，表1为信息包头的数据结构，表2为信息正文的数据结构：

表1

表2

具体地，所述基于通信开销优化物联网传输路由的方法还包括以下步骤：对应传输节点表维护步骤：创建目的节点的对应传输节点表，所述对应传输节点表包括源节点的ID、最佳传输节点顺序、第一最小通信开销；开销记录比较步骤：对到达目的节点的信息包进行解包，获取信息包的内容，比较信息包的通信开销累计值是否小于对应传输节点表的第一最小通信开销，若通信开销累计值小于第一最小通信开销，则接收信息包，令信息包的通信开销累计值替换第一最小通信开销，令信息包的通路记录替换最佳传输节点顺序，启动反向回溯至信源节点步骤，若通信开销累计值不小于第一最小通信开销，则接收信息包。

目的节点的对应传输节点表如表3所示，表3为目的节点存储的最佳传输节点顺序表：

表3

具体地，所述基于通信开销优化物联网传输路由的方法还包括反向回溯至信源节点步骤；反向回溯至信源节点步骤：通过专用回溯指令，对信息包的通路记录表，逐级反向回溯直至源节点，得到各级节点至目的节点的下级通路表、第二最小通信开销。

专用回溯指令的数据结构如表4所示，表4为回溯指令数据结构：

表4

下级通路表如表5所示，表5为节点存储的到目的节点的通路表：

表5

具体地，所述反向回溯至信源节点步骤包括：节点通信开销计算步骤：计算信息包的通路记录表中的当前节点至目的节点的通信开销，记为第一通信开销，将通路记录表中的当前节点至目的节点的通路记录，记为第一下级通路表；当前节点通路表判断步骤：判定当前节点是否保存有当前节点至目的节点的下级通路表、第二最小通信开销的记录，若记录存在，则记为存在初始记录，将当前节点已存在的当前节点到目的节点的通信开销，记为第二通信开销，将当前节点已存在的当前节点到目的节点的对应下级通路表，记为第二下级通路表；若记录不存在，则记为不存在初始记录；

节点通路更新步骤：对存在初始记录的当前节点，若第一通信开销小于第二通信开销，则令第一通信开销替换第二通信开销，令第一下级通路表替换第二下级通路表；若第一通信开销不小于第二通信开销，则继续后续节点的反向回溯；对不存在初始记录的当前节点，令第一通信开销保存为第二通信开销，第一下级通路表保存为第二下级通路表，第二下级通路表为当前节点至目的节点的下级通路表，第二通信开销为当前节点至目的节点的第二最小通信开销。

具体地，所述通路判定条件主要包括传输优先级、允许通信开销、允许跳数、允许传输时延；所述传输通路特征参数主要包括传输通讯开销、时延开销、跳数、本次传输开销。

具体地，所述传输允许范围判定分以下步骤：S01：判定允许通信开销是否大于传输通讯开销，若允许通信开销大于传输通讯开销，则执行S02；若允许通信开销不大于传输通讯开销，则传输允许范围判定不通过；S02：判定允许跳数是否大于跳数，若允许跳数大于跳数，则执行S03；若允许跳数不大于跳数，则传输允许范围判定不通过；S03：判定允许传输时延是否大于时延开销，若允许传输时延大于时延开销，则传输允许范围判定通过；若允许传输时延不大于时延开销，则传输允许范围判定不通过。

具体地，所述更新通路判定条件为令信息包的允许通信开销、允许跳数、允许传输时延分别减去传输通讯开销、跳数、时延开销，将信息包的通信开销累计值加上本次传输开销。

在本发明中，信息传输需求按照最短时延、最少通信开销、最小跳数等三个侧重点来衡量，也可以增加其他评价指标。一般来说，以一个指标为优先，在较复杂网络中也可综合多指标评价。其中，通信开销可以指通信连接费用、时长或者节点功率开销等多种物理指标。信源属性为{优先级pro；最大允许开销cost；最大允许跳数hop；最大允许时延delay}。优先级pro——传输信息路径中的优先级别，取值为0～9。0代表发出的是测试包，对各级节点进行通路测试，以获得节点间通路的开销和时延等信息。1代表开销优先，2代表跳数优先，3代表时延优先，4代表综合加权优先，5～9保留；允许开销cost——本信息在传输过程中可承受的通信费用或者消耗。例如商用网络通信次数或者无线收发次数开销等。取值为0～100。其中0代表本包只需转存在最近的存储节点，由该节点按照自身的数据存储转发逻辑处理；最大允许跳数hop——本信息在在传输过程中，可以承受最大节点间转发次数。取值为1～100；最大允许时延delay——本信息在传输过程中，信息转移过程中允许的最大时间间隔。取值为1～1000时间单位。

上下行节点建立的通路，其属性可以分为以下几个维度{通信能力级别ability；通信开销exp；时延di；跳数h}；一般来说，每级通路跳数为1。通信能力级别ability——表征本通路的综合评价；通信开销exp——表征信息经过本通路，消费的通信开销；时延di——表征信息经过本通路，增加的时延。

首先，对信源部分进行了特征定义和分类，确定了信息信源可以定义的属性，包括优先级、允许通信开销、允许跳数、允许传输时延等。途经各节点根据自身情况，维护和修正这些属性。各节点对自身传输信息时的通信开销、优先级、时延进行评估，并告知邻居节点。这样，每个终端都成为一个或若干个自组织网络的异构节点，根据传输信息的需求、通路特征、时延和跳数限制等，生成、变化和维护每个自组织网络的拓扑连接，实现信息从信源到目的地的传输过程。

本发明的技术要点在于，首先将信源节点传输信息到目的节点，定义为正向通路。目的节点传输信息至信源节点，则为反向通路。在物联网中，信源节点一般是指传感器节点，目的节点一般是指存储节点或者是互联网的接入点。目的节点对比信源节点而言，数量极为有限。信源节点发出信息包前，将源地址和目的地址映射为源节点ID和目的节点ID，将这些作为信息包头，并对信息包编号。信息包头还含有传输优先级、允许通信开销、允许跳数，允许传输时延、通信开销累计等。允许通信开销、允许跳数，允许传输时延等被赋值，通信开销累计值被初始化为零。信息包头和信息正文一起打包后传输。信源需要经过若干个节点才能到达目的节点。根据策略，两节点之间，选择一种接入技术实现链接，即作为一个传输通路。通路发送方称为上级节点，接收方称为下级节点。每个传输通路，都标识了自身传输通路特征，包括通信开销、时延开销等。信息包在经过该通路前，首先被判断持有的允许通信开销等，能负担本通路消费，再判断是否满足允许跳数、允许传输时延等传输参数的限制。如满足，信息包传输到下级节点。信息包头中的允许传输开销、允许跳数、允许传输时延等被减记，通信开销累计加入本段通信开销。在信息包尾部追加该通路的下级节点ID、各自接入技术标识和本段通信开销，并通知上级节点，该包向下级传输。不满足，则标识为不通过，并通知上级节点，包丢弃。目的节点保存有源节点ID为标识的最佳传输节点顺序表、最小通信开销。在系统初始时，这两项为空。信息包在到达目的节点，解包恢复原有信息。比较本信息包头记录的通信开销累积，是否小于最小通信开销。如是，除了接收本包内容，还用本包记录的通信开销累积更新最小通信开销，根据信息包尾附加的通路记录更新最佳传输节点顺序表，并启动反向回溯至信源节点的过程。如否，则只是接收本包。反向回溯至信源节点的过程，专用回溯指令携带原信息包尾部的通路记录表，逐级反向而上，到每级节点计算出该点至目标节点通信开销。在每级节点，如果保存有以目的节点ID为标识，本节点至目的节点的最小通信开销和下级通路表。收到来自下级节点，目的节点ID相同的回溯反馈，比较收到本节点至目标节点通信开销与保存值，若小于，则以本次作为最佳通路，更新最小通信开销和下级通路表。如果没有存有以目的节点ID为标识，本节点至目的节点的最小通信开销和下级通路表,则保存。继续向上级节点回溯。通过这样一个过程，直至回溯至源节点。节点记录了以目的节点ID为标识，通往下级节点最佳通路信息——下级通路表，供下次传输时直接使用。这样，当该节点传输或转发的目的地址为目标节点时，只需要传给记录中的下级节点。其下级节点也同样方式继续，直至目的节点。

由于传输路径的有限性，回溯过程一般仅存在于网络初始部署时段或者拓扑关系发生变化时。随着物联网稳定运行，将不会再有回溯过程发生。同时上述过程，可以通过软件仿真，并记录结果，获得每个节点至一个或若干个目的节点下级通路表，供规划设计使用。物联网设置和开通，需要规划设计，确定相应的位置和接入技术，因此在实践中，可以通过仿真等方式，先验获得传输通路选择规则，也就是给各节点预先设定下级通路表。如果物联网节点拓扑没有变化，则可直接使用，无需回溯过程验证。采用预设方式，可以加快信息传输，减少不必要传输开销。

系统初始条件，可以在规划阶段，对每个节点间通路，按照节点性能、通路测试情况，进行属性赋值，并对下行通路进行优先性比较，给出唯一选择。如果没有先验性过程，也可以通过下述的实施流程获得。

结合如图1所示，说明如下：

1.节点在接收到信息包，首先判断自身是否为目的结点。如果是，结束传输，并解包，获得最新传输节点顺序表和开销记录，并转至5。否则，转至2；

2.节点维护一个目的节点标识的下级通路链表，判断该目的节点是否在该表中，如果在，转至4。否则，转至3；

3.遍历下级各节点，根据通信协议规定进行选路和异常处理。

4.信息包按照各节点的{通信开、时延、跳数}修正信息包中的{最大允许开销、最大允许时延、最大允许跳数}，将本节点地址追加于包尾，并转至1；

5.节点根据本次记录的开销，与原有的相同源节点对应最小通信开销记录比较，若差值小于某一值，则更新对应源节点的最佳传输节点顺序表和最小通信开销，并开始反向回溯。否则，结束流程。

6.回溯至每一级节点，根据记录的目的节点，查找该节点是否存有此目的节点对应的下级通路表，如有，则转至7，否则将此记录的目的节点对应的下级通路表存入本地，转至8；

7.比较存有的本节点到目的节点的通信开销，若根据记录计算出的通信开销为小，则更新下级通路表和通信开销，并转入8。否则直接转入8；

再上一级，判断是否为源节点，如果是，则结束流程，否则转至5。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于通信开销优化物联网传输路由的方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据包数据结构定义步骤：定义信息包的数据结构，信息包的数据结构包括信息包头、信息正文、信息包尾，所述信息包头包括源节点的ID、目的节点的ID、信息包编号、通路判定条件、通信开销累计值，所述信息包尾包括从源节点到目的节点的通路记录；所述通路记录包括节点ID、开销、接入技术；

传输通路选择步骤：将通路发送方记为上级节点，将通路接收方记为下级节点，记录传输通路特征参数，进行传输允许范围判定，若传输通路特征参数在通路判定条件的允许范围内，则将信息包传输到下级节点，并更新通路判定条件，若传输通路特征参数不在通路判定条件的允许范围内，则标识不通过，通知上级节点，信息包丢弃；

还包括以下步骤：

对应传输节点表维护步骤：创建目的节点的对应传输节点表，所述对应传输节点表包括源节点的ID、最佳传输节点顺序、第一最小通信开销；

开销记录比较步骤：对到达目的节点的信息包进行解包，获取信息包的内容，比较信息包的通信开销累计值是否小于对应传输节点表的第一最小通信开销，若通信开销累计值小于第一最小通信开销，则接收信息包，令信息包的通信开销累计值替换第一最小通信开销，令信息包的通路记录替换最佳传输节点顺序，启动反向回溯至信源节点步骤，若通信开销累计值不小于第一最小通信开销，则接收信息包；

所述传输允许范围是指传输通路特征参数在通路判定条件的允许范围；

所述通路判定条件主要包括传输优先级、允许通信开销、允许跳数、允许传输时延；

所述传输通路特征参数主要包括传输通讯开销、时延开销、跳数、本次传输开销。

所述传输允许范围判定分以下步骤：

S01：判定允许通信开销是否大于传输通讯开销，若允许通信开销大于传输通讯开销，则执行S02；若允许通信开销不大于传输通讯开销，则传输允许范围判定不通过；

S02：判定允许跳数是否大于跳数，若允许跳数大于跳数，则执行S03；若允许跳数不大于跳数，则传输允许范围判定不通过；

S03：判定允许传输时延是否大于时延开销，若允许传输时延大于时延开销，则传输允许范围判定通过；若允许传输时延不大于时延开销，则传输允许范围判定不通过。

2.根据权利要求1所述的基于通信开销优化物联网传输路由的方法，其特征在于，还包括反向回溯至信源节点步骤；

反向回溯至信源节点步骤：通过专用回溯指令，对信息包的通路记录表，逐级反向回溯直至源节点，得到各级节点至目的节点的下级通路表、第二最小通信开销。

3.根据权利要求2所述的基于通信开销优化物联网传输路由的方法，其特征在于，所述反向回溯至信源节点步骤包括：

节点通信开销计算步骤：计算信息包的通路记录表中的当前节点至目的节点的通信开销，记为第一通信开销，将通路记录表中的当前节点至目的节点的通路记录，记为第一下级通路表；

当前节点通路表判断步骤：判定当前节点是否保存有当前节点至目的节点的下级通路表、第二最小通信开销的记录，若记录存在，则记为存在初始记录，将当前节点已存在的当前节点到目的节点的通信开销，记为第二通信开销，将当前节点已存在的当前节点到目的节点的对应下级通路表，记为第二下级通路表；若记录不存在，则记为不存在初始记录；

节点通路更新步骤：对存在初始记录的当前节点，若第一通信开销小于第二通信开销，则令第一通信开销替换第二通信开销，令第一下级通路表替换第二下级通路表；若第一通信开销不小于第二通信开销，则继续后续节点的反向回溯；对不存在初始记录的当前节点，令第一通信开销保存为第二通信开销，第一下级通路表保存为第二下级通路表，第二下级通路表为当前节点至目的节点的下级通路表，第二通信开销为当前节点至目的节点的第二最小通信开销。

4.根据权利要求1所述的基于通信开销优化物联网传输路由的方法，其特征在于，所述更新通路判定条件为令信息包的允许通信开销、允许跳数、允许传输时延分别减去传输通讯开销、跳数、时延开销，将信息包的通信开销累计值加上本次传输开销。

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