CN109495908B - 一种基于lte无线与超低功耗物联网无线融合的网络优化方法 - Google Patents

一种基于lte无线与超低功耗物联网无线融合的网络优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网技术领域，具体公开了一种基于LTE无线与超低功耗(LPWAN)物联网无线融合的网络优化方法。本发明包括：引入令牌方式使得复杂协议进行简化，并采用硬件解码的方式，提高网络协议转换速度，利用缓存机制避免LPWAN网络中的数据碎片，提高可调度性；在传统射频模型的基础上建立LPWAN多跳通信的路由压力模型；将源节点与所有组播节点的通信路由视为一颗组播树，在满足约束条件下，综合路由压力最小的组播树即为最优路径；确定通信节点的最佳数量；建立组播源节点与所有组播节点之间的通达路由备选路径集。本发明根据LTE无线与超低功耗(LPWAN)物联网无线系统之间的内在关联，利用软/硬件方式提高网络融合紧密度，建立无线网络路由节点压力模型，优化路由节点压力，提高重要数据网络响应速度，显著提高无线网络的工作效率。

Description

一种基于LTE无线与超低功耗物联网无线融合的网络优化 方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种基于LTE无线与超低功耗(LPWAN)物联网无线融合的网络优化方法。
背景技术
能源互联网通过信息通信深度融入能源电力系统，实现广泛的新能源开发利用，建立电力市场，为用户提供多样化、自主可控的能源获取渠道和方法。能源互联网需要海量的数据连接支持。
中国电力系统以总线通信+接入网+骨干通信网为主，无线通信为辅的电力通信专网。在终端设备中多采用LTE无线通信标准，LTE核心技术随时间推移长期演进，其特点是覆盖广泛，协议的网络层与传输层可应用TCP/IP通用性好，软件开发方便，但由于其协议复杂，功耗等原因，许多电力物联网设备却难以直接应用LTE网络。超低功耗(LPWAN)物联网以其低带宽、低功耗、远距离、大量连接等优势完美的弥补了LTE网络的不足可作为能源互联网的补充。
国内常见的LPWAN以LoRa无线技术为代表，LoRa采用线性扩频技术，使用公用频段部署，满足低能耗、小数据量(低于100kbps)的使用场景。LPWAN特别适合状态变化慢、采集频次低、越限影响大、业务相关性强、高度分散分布的“小数据”连接。在能源互联网广泛海量的连接需求中，同样存在这样的“小数据”，如电气设备温度、用户电器运行状态、配网设备(如故障指示器)状态、智能表计量数据、分布式发电设备状态、杆塔倾斜状态、电气设备位移状态、基础沉降状态等。采用LPWAN物联网技术，与现有电力通信专网融合，建设运营级的能源电力物联专网，实现“小数据”连接，是能源互联网发展的重要支撑。
然而传统多协议融合方式是将其中的主通信协议打包成数据嵌套在另一个通信协议中，LTE网络协议较为复杂，而LPWAN通信受硬件限制无法嵌入复杂协议栈，异构无线网络管理也是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有能源物联网的技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于LTE网络与超低功耗(LPWAN)物联网融合，并针对LoRa无线通信技术的LPWAN异构无线网络进行有效管理，提高系统故障处理能力、增强健壮性与鲁棒性、具有良好应用前景网络优化方法。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于LTE无线与超低功耗物联网无线融合的网络优化方法，具体步骤如下：
S1：一种基于令牌与硬件解码加速的无线网络融合方法
S1.1：LTE数据到达网关后，通过LTE数据接口与转换器提取出TCP/IP数据包；
S1.2：将所述TCP/IP数据包送至网关中的数据处理模块，数据处理模块将采用硬件解码方式解码所述TCP/IP数据包，并将解码后的有效数据暂存到网关的存储芯片中；
S1.3：将所述解码后的有效数据加上令牌字头，令牌字头为网络层的压缩包含源数据地址，数据类型，数据紧急程度等信息；并通过LPWAN无线通讯模块将其进行编码生成LPWAN无线网络数据包，发送到组播树中；
S2:一种基于路由压力预测的全局动态路由均衡算法的路由优化方法
S2.1：建立虚拟组播树，将组播源节点与所有组播节点的通信路由视为一颗组播树；
S2.2：建立传输模型，即在传统射频模型的基础上根据LoRa无线通信距离与通信速率关联建立多跳通信的路由压力模型；
S2.3：优化节点数量，即确定通信节点的最佳数量；
S2.4：组播源节点首先广播一个路由请求信息给其邻域节点；邻域节点收到请求信息后，一方面与组播源节点建立路由通路，另一方面继续广播所述请求信息给其邻域节点，建立相应的路由通路，依此类推，直至到达所有组播节点；通过所述路由信息遍历所有组播节点，建立组播源节点与所有组播节点之间的路由备选路径集；
S2.5：在满足路由压力模型的约束条件下，通过优化路由节点的方法，得到路径上路由总压力最小的组播树，即为最优路径；并通过路由算法提高系统的响应能力。
优选方式下，所述多跳通信的路由压力模型为：
Figure GDA0003354914230000021
其中，ai，bi为无线传感器网络中的通信节点，N为通信所需的跳数，Pi(ai，bi)为节点ai与bi节点通信所消耗的带宽，Pm为此多跳通信所消耗的总带宽；
所述约束条件为：
(1)邻域节点的距离；
其中，邻域节点的距离所代表的约束因子，F1为：
Figure GDA0003354914230000031
R为节点的邻域半径，即LoRa模块标准速率下的最大通信距离；d(a,b)为节点a与邻域节点b之间的距离；
(2)邻域节点的剩余带宽资源和到达目的节点的跳数；
在满足F1＞0的条件下，取邻域节点的剩余带宽资源较多且到达目的节点的跳数较少的组播树为满足约束条件的组播树。
优选方式下，所述优化路由节点压力的方法包括以下步骤：
S1：由组播源节点S开始依次遍历组播树上的每一个组播节点，得到每个节点的权值M；
所述权值M为某个传输路径上任意一个组播节点T到组播源节点S所需经历的最少跳数；
S2：计算所述组播节点T与其余节点的欧氏距离dist；
S3：将得到所述组播节点T的欧氏距离dist与它的领域半径R进行比较，判断哪些是邻域节点，哪些是非邻域节点；
S4：计算组播节点T与邻域节点间的最大传输效率；
Ti节点与其邻域节点Tj间最大传输效率计算方法为：
Figure GDA0003354914230000032
其中zs为效率折损参数，disti，j为Ti节点与其邻域节点Tj间的欧氏距离，distmin与distmax分别为最小传输距离与最大传输距离，Qmax为通信节点的理想传输效率。
S5：重复S4，直到计算完成所有组播节点与其邻域节点最大传输效率，利用公式
Figure GDA0003354914230000033
计算出组播节点T最大的路由压力Smax，当ST>Smax时，ST＝Smax，Smax为节点所能承受最大带宽吞吐量，由LoRa模块硬件参数决定；其中，Qij即Q(i，j)；
S6：当组播节点T为其它组播节点的必经节点时，则组播节点T有针对某个或某几个组播节点的固定带宽消耗用STg表示，计算组播节点T节点灵活带宽资源STl＝ST-STg；
S7：设置一个阈值Sini，根据Sini与STl的大小关系判定节点是否可以被激活从而进行信息的传输；设置阈值Sini的初始值，使得网络中所有组播节点都能连接到组播源节点S；
S8：通过公式
Figure GDA0003354914230000041
计算事件信息源在汇聚节点的误差，并作为最大约束值，汇聚节点指的是与T节点直接相连的上级节点；其中，ρs为T节点与源节点S的紧密度，ρij为T节点与通信线路上的其他节点的亲密度，M为通信线路的跳数；
S9：随着阈值Sini继续增加，满足约束条件的组播节点的数量逐渐减少，当达到所述S8最大约束值时，停止增加阈值Sini，并将最后的Sini广播给所有组播节点；
S10：将Sini与节点亲密度进行比较，若ρ＜Sini，则该节点被激活参与事件信息的传递，若ρ＜Sini，该节点不参与信息的传递。
优选方式下，所述通过路由算法提高系统的响应能力，即，提高系统响应的路由算法包括以下步骤：
S1：在数据传输过程中将较大数据包，数据量大小阈值为Dm，按数据紧急程度Jp分割成N个小型数据包，并打上数据顺序戳，其中Dm根据网络最大承载带宽与需求响应速度选取，一般不超过网络最大承载带宽的5到8倍，N值最大为网络最大承载带宽10倍，当N取值为1时数据为紧急数据不做分割；
S2：在数据包传输过程中，若路由节点正传输紧急程度较高的数据时，根据数据的紧急程度，在路由灵活带宽资源STl的基础上减去mSj，将其作为新的路由节点灵活带宽资源，Sj为紧急数据的带宽占用，m为惩罚因子根据紧急程度Jp选取，一般为1.1到2.5，路由节点为所述组播节点中起到路由功能的节点；
S3：当数据到达节点T时，若所述新的的路由节点灵活带宽资源STl小于链路通信阈值Sini，并判断其它邻域节点灵活带宽资源STl是否大于链路通信阈值Sini，若是，则建立与该邻域节点的备选路径，并重新建立新的组播树；否则，丢弃该路径；
S4：建立新的组播树，用邻域节点取代组播源节点，使之成为新的组播源节点；
S5：判断当前节点T是否是组播节点，再判断是否满足跳数要求，若是，说明路由路径已建立，否则返回S3，继续寻找与其它邻域节点的备选路径，若其它邻域节点带宽资源STl均小于链路通信阈值Sini，则在T节点缓存数据直到某个节点的灵活带宽资源STl大于链路通信阈值Sini。
本发明具有以下优点及有益效果：
(1)在分析LoRa无线传感器网络通信机理的基础上，建立组播树与节点通信路由之间的联系，给出路由节点通信带宽压力模型与最优路由评价标准，结合虚拟组播树，提高了无线传感器网络的健壮性；
(2)利用全局网络压力均衡原理进行详细分析，包括关键节点、数据分流、重要数据判别和机器学习，应用于无线传感器网络，提高网络响应速度和故障分析与处理能力；
(3)根据路由优化与多通信协议网络系统之间的内在关联，建立路由优化问题求解与数据令牌、网络缓冲、硬件解码技术，完成多通信协议的同网融合提高优化速度，显著减少无线传感器网络的自愈时间。
附图说明
图1令牌生成与简化TCP/IP协议示意图；
图2硬件解码加速硬件电路图；
图3应用于LPWAN网络的LoRa无线协议规划处理图；
图4无线网络节点路由压力遍历示意图；
图5应用路由均衡算法的虚拟组播树生成流程图；
图6节点数据流量变化算法流程图；
图7数据分割与关键数据插值示意图。
具体实施方式
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
1、设计具有硬件解码加速的网关
1)包含网络接口模块，用于连接LTE网卡，可以实现接入LTE网络；
2)包含独立的硬件网络协议解码模块，可以实现TCP/IP的硬件加速解码；
3)包含微处理器模块，负责分析数据，数据令牌发放与LPWAN网络协议编/解码工作。同时其作为核心控制模块起到协调各个功能模块工作的作用；
4)包含LPWAN网络通信模块，用于连接LPWAN网络；
5)包含实时时钟模块，为整个系统提供精密的基准时钟源，保证实时数据高度时间同步性；
6)包含存储模块，用于LTE网络数据的暂存，避免LPWAN网络中存在碎片化数据，保证实时数据完整性，可调度性；
图2给出了本发明实施例中各个模块的具体硬件组成：
本设计主控制器采用意法半导体公司的STM32F108RE ARM微控制器，只需要一颗8MHz的晶体振荡器与复位电路就可以组成其最小系统STM32F108RE系列微控制器具有丰富的片内资源与外围接口就可以方便的和其他模块连接。另外STM32F108RE具有独立的RTC电路可为系统提供精密的时钟信号。
硬件网络协议解码模块选用WIZnet公司推出的高性能网络接口芯片W5500，其内部集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY。全硬件协议栈技术采用硬件逻辑门电路实现复杂的TCP/IP协议簇，其应用具有简单快速、可靠性高、安全性好等显著优势；内部集成MAC和PHY工艺。
选用LoRa通信模块作为LPWAN网络通信模块，其最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。通信距离和通信速率的动态平衡也是其主要特点之一，即若想获得更大的通信距离就必须牺牲通信速率反之亦然，拥有更大的使用灵活性。
2、建立路由节点带宽压力模型
与传统的无线网络相比，LoRa无线通信网络的特点，当组播节点与源节点进行数据通信时，通信距离与通信速率有动态的平衡关系，在一定范围内通信距离的降低带来通信速率的增加，通信速率的降低带来通信距离的增加。由于传统的无线通信网络在节点和网络调度方面都与LoRa无线通信网络差别较大，直接采用传统无线网络的通信模型不能完全反映LoRa无线传感器网络的特性。所以需要建立LoRa无线网络模型，而LPWAN网络的路由压力模型可以全面的反映网络状态。
图3给出了LoRa无线网络的路由压力示意图，S为源节点，假定A节点与B节点都要向S节点发送同等数量的数据包，图中i>j，根据LoRa无线网络的距离与速率特性B节点要比A节点花费更大的网络开销，故B节点压力较大。
首先建立虚拟组播树，将源节点与所有组播节点的通信路由视为一颗组播树，在满足约束条件下，路径上路由总压力最小的组播树即为最优路径。
套用图3的原理，图4给出完整的组播树遍历过程，S为源节点，A～R为组播节点。左下图为路由压力模型建立(其中节点上的数值定性表征压力程度)，具体过程如下：
组播树中源节点首先广播一个路由请求信息给其邻域节点，邻域节点收到请求信息后，记录请求包经过该节点，一方面与组播源节点建立路由通路，另一方面继续广播该请求信息给其邻域节点，建立与之相应的路由通路，依此类推，直至到达组播节点，通过遍历所有组播节点，建立组播源节点与所有组播节点之间的通达路由备选路径集。多跳通信的路由压力模型为：
Figure GDA0003354914230000071
其中，ai，bi为无线传感器网络中的通信节点，N为通信所需的跳数，Pi(ai，bi)为节点ai与bi节点通信所消耗的带宽资源，Pm为此多跳通信所消耗的总带宽。
所述约束条件为：
(1)邻域节点的距离；
(2)邻域节点的剩余带宽资源；
(3)到达目的节点的跳数(为右上图表示数值为到源节点的最小跳数)；
其中，邻域节点的距离所代表的约束因子，F1为：
Figure GDA0003354914230000072
R为节点的邻域半径，为两个节点能够通信的最大距离，节点a与邻域节点b之间的距离为d(a,b)，即LoRa模块的最大通信距离；
在满足F1＞0的条件下，取邻域节点的剩余带宽资源较多且到达目的节点的跳数较少的组播树，例如:图4右下J、I、F、A、S就是一条组播树,重复过程直到所有节点都在组播树中。
3、提高LPWAN网络响应速度
在数据传输过程中将较大数据包(数据量大小阈值为Dm)按数据紧急程度Jp分割成N个小型数据包，并打上数据顺序戳，其中Dm根据网络最大承载带宽与需求响应速度选取，一般不超过网络最大承载带宽的5到8倍，N值最大为网络最大承载带宽10倍，当N取值为1时数据为紧急数据不做分割。
在数据包传输过程中，若路由节点正传输紧急程度较高的数据时，根据数据的紧急程度，在路由灵活带宽资源STl的基础上减去mSj，将其作为新的路由节点灵活带宽资源，Sj为紧急数据的带宽占用，m为惩罚因子根据紧急程度Jp选取，一般为1.1到2.5。
当数据到达某个节点T时，若源路径的灵活带宽资源STl小于链路通信阈值，判断其它邻域节点是否大于链路通信阈值，若是，则建立与该邻域节点的备选路径，否则，丢弃该路径，按照用邻域节点取代源节点，使之成为新的源节点。
判断当前节点是否是组播节点，再判断是否满足跳数要求，若是，说明路由已建立，否则继续寻找与其它邻域节点的路由，若其它邻域节点带宽资源STl均小于链路通信阈值，则在T节点缓存数据直到某个节点的灵活带宽资源STl大于链路通信阈值。

Claims (1)

1.一种基于LTE无线与超低功耗物联网无线融合的网络优化方法，其特征在于：
S1：一种基于令牌与硬件解码加速的无线网络融合方法
S1.1：LTE数据到达网关后，通过LTE数据接口与转换器提取出TCP/IP数据包；
S1.2：将所述TCP/IP数据包送至网关中的数据处理模块，数据处理模块将采用硬件解码方式解码所述TCP/IP数据包，并将解码后的有效数据暂存到网关的存储芯片中；
S1.3：将所述解码后的有效数据加上令牌字头，令牌字头为网络层的压缩包含源数据地址，数据类型，数据紧急程度等信息；并通过LPWAN无线通讯模块将其进行编码生成LPWAN无线网络数据包，发送到组播树中；
S2：一种基于路由压力预测的全局动态路由均衡算法的路由优化方法
S2.1：建立虚拟组播树，将组播源节点与所有组播节点的通信路由视为一颗组播树；
S2.2：建立传输模型，即在传统射频模型的基础上根据LoRa无线通信距离与通信速率关联建立多跳通信的路由压力模型；所述多跳通信的路由压力模型为：
Figure FDA0003354914220000011
其中，ai，bi为无线传感器网络中的通信节点，N为通信所需的跳数，Pi(ai，bi)为节点ai与bi节点通信所消耗的带宽，Pm为此多跳通信所消耗的总带宽；
- 约束条件为：
(1)邻域节点的距离；
其中，邻域节点的距离所代表的约束因子，F1为：
Figure FDA0003354914220000012
R为节点的邻域半径，即LoRa模块标准速率下的最大通信距离；d(a，b)为节点a与邻域节点b之间的距离；
(2)邻域节点的剩余带宽资源和到达目的节点的跳数；
在满足F1＞0的条件下，取邻域节点的剩余带宽资源较多且到达目的节点的跳数较少的组播树为满足约束条件的组播树；
S2.3：优化节点数量，即确定通信节点的最佳数量；
S2.4：组播源节点首先广播一个路由请求信息给其邻域节点；邻域节点收到请求信息后，一方面与组播源节点建立路由通路，另一方面继续广播所述请求信息给其邻域节点，建立相应的路由通路，依此类推，直至到达所有组播节点；通过路由信息遍历所有组播节点，建立组播源节点与所有组播节点之间的路由备选路径集；
S2.5：在满足路由压力模型的约束条件下，通过优化路由节点的方法，得到路径上路由总压力最小的组播树，即为最优路径；并通过路由算法提高系统的响应能力；
所述优化路由节点压力的方法包括以下步骤：
S2.51：由组播源节点S开始依次遍历组播树上的每一个组播节点，得到每个节点的权值M；
所述权值M为某个传输路径上任意一个组播节点T到组播源节点S所需经历的最少跳数；
S2.52：计算所述组播节点T与其余节点的欧氏距离dist；
S2.53：将得到所述组播节点T的欧氏距离dist与它的领域半径R进行比较，判断哪些是邻域节点，哪些是非邻域节点；
S2.54：计算组播节点T与邻域节点间的最大传输效率；
Ti节点与其邻域节点Tj间最大传输效率计算方法为：
Figure FDA0003354914220000021
其中zs为效率折损参数，disti，j为Ti节点与其邻域节点Tj间的欧氏距离，distmin与distmax分别为最小传输距离与最大传输距离，Qmax为通信节点的理想传输效率；
S2.55：重复S4，直到计算完成所有组播节点与其邻域节点最大传输效率，利用公式
Figure FDA0003354914220000022
计算出组播节点T最大的路由压力Smax，当ST＞Smax时，ST＝Smax，Smax为节点所能承受最大带宽吞吐量，由LoRa模块硬件参数决定；其中，Qij即Q(i，j)；
S2.56：当组播节点T为其它组播节点的必经节点时，则组播节点T有针对某个或某几个组播节点的固定带宽消耗用STg表示，计算组播节点T节点灵活带宽资源STl＝ST-STg；
S2.57：设置一个阈值Sini，根据Sini与STl的大小关系判定节点是否可以被激活从而进行信息的传输；设置阈值Sini的初始值，使得网络中所有组播节点都能连接到组播源节点S；
S2.58：通过公式
Figure FDA0003354914220000031
计算事件信息源在汇聚节点的误差，并作为最大约束值，汇聚节点指的是与T节点直接相连的上级节点；其中，ρs为T节点与源节点S的紧密度，ρij为T节点与通信线路上的其他节点的亲密度，M为通信线路的跳数；
S2.59：随着阈值Sini继续增加，满足约束条件的组播节点的数量逐渐减少，当达到所述S2.58 最大约束值时，停止增加阈值Sini，并将最后的Sini广播给所有组播节点；
S2.510：将Sini与节点亲密度进行比较，若p＞Sini，则该节点被激活参与事件信息的传递，若ρ＜Sini，该节点不参与信息的传递；
而所述通过路由算法提高系统的响应能力，即提高系统响应的路由算法包括以下步骤：
SA1：在数据传输过程中将较大数据包，数据量大小阈值为Dm，按数据紧急程度Jp分割成N个小型数据包，并打上数据顺序戳，其中Dm根据网络最大承载带宽与需求响应速度选取，一般不超过网络最大承载带宽的5到8倍，N值最大为网络最大承载带宽10倍，当N取值为1时数据为紧急数据不做分割；
SA2：在数据包传输过程中，若路由节点正传输紧急程度较高的数据时，根据数据的紧急程度，在路由灵活带宽资源STl的基础上减去mSj，将其作为新的路由节点灵活带宽资源，Sj为紧急数据的带宽占用，m为惩罚因子根据紧急程度Jp选取，一般为1.1到2.5，路由节点为所述组播节点中起到路由功能的节点；
SA3：当数据到达节点T时，若所述新的路由节点灵活带宽资源STl小于链路通信阈值Sini，并判断其它邻域节点灵活带宽资源STl是否大于链路通信阈值Sini，若是，则建立与该邻域节点的备选路径，并重新建立新的组播树；否则，丢弃该路径；
SA4：建立新的组播树，用邻域节点取代组播源节点，使之成为新的组播源节点；
SA5：判断当前节点T是否是组播节点，再判断是否满足跳数要求，若是，说明路由路径已建立，否则返回S3，继续寻找与其它邻域节点的备选路径，若其它邻域节点带宽资源STl均小于链路通信阈值Sini，则在T节点缓存数据直到某个节点的灵活带宽资源STl大于链路通信阈值Sini。
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