CN109640357A - 适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资源预留方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资源预留方法，它通过为关键业务的关键数据包的传送分配足够的资源以达到对无线传感器网络中有限资源如带宽、能耗、处理资源以及存储资源的最佳利用，减小关键数据的传输时延，提高关键业务的可靠性，进而提高整个系统的性能。

Description

适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资 源预留方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络资源预留机制，特别是一种适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资源预留方法。

背景技术

随着各类电力业务终端数量的不断增加与新型智能电网业务的不断开展，大规模物联业务逐渐向智能电网渗入。物联网技术应用于智能电网是信息通信技术发展到一定阶段的必然趋势，物联网技术为智能电网提供强大的技术支持，使信息通信技术在电力系统中能够得到更好的应用，从而提高电力系统的信息化水平。而IoT(Internet of Things)技术的出现使得资源受限的电力设备之间的通信更加高效。这些设备可以从周边环境中感知并采集数据。无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是IoT中的一种受限网络，它使得IoT得以扩展。

智能电网中的无线传感器网络是一组电力设备的集合。由于这些电力设备大都是一些嵌入式设备，因此每个设备的功率、带宽、能量、内存等资源都是有限的。这些设备能够从周边环境中感知并采集数据，采集到的数据将先传送到基站，再由基站通过IoT网关转发到因特网中，进而实现设备与设备或者设备与服务器之间的通信。数据类型是多样的，可以是标量数据(比如湿度、压力、温度等)，也可以是多媒体数据(比如音频、视频、图像等)。由于这些设备在无线传感器网络中的作用是相似的，因为可以将这些设备抽象为传感器节点。每个节点的资源都是有限的。大量此类节点聚集在一起将有能力处理一个特定的业务。它们在智能电网的各个物联业务中都具有广泛的应用，

由于在智能电网的无线传感器网络中，单个传感器节点，即单个电力设备的资源是有限的，因此在当前的智能电网的无线传感器网络中存在一些问题需要解决。诸如安全问题、隐私问题、异构性、可扩展性、鲁棒性等都是一些比较重要的问题。由于在智能电网中存在一些关键业务，这些关键业务中的关键数据往往需要及时并且可靠地到达基站，因此需要设计资源管理及预留机制使得有限的资源得到最佳地利用。资源管理及预留机制需要考虑一些因素。首先，由于每个电力设备的带宽、电池、存储以及处理资源等都是有限的，因此需要最大化地利用这些有限地资源。其次，智能电网的无线传感器网络需要针对这些有限的资源以及当前网络的情况实时地对资源进行分配及调度。最后，由于不同的电力业务对QoS的要求不同，例如一些关键业务需要较低的时延以及较高的可靠性，因此智能电网的无线传感器网络需要监控网络内的每个业务，最大化地满足每个业务的QoS尤其是关键业务的QoS。

下面简要介绍几种资源分配方法：

方案1：专利号ZL201010005213.5提供了一种改进频域资源分配实现LTE在物联网的应用的方法，包括：网络侧生成数据传输的控制信令，控制信令中包括当前数据传输所占用的子载波信息以及当前数据的格式信息；依据子载波信息在相应的子载波频域位置传输相应格式的数据；接收端从子载波频域位置接收所述数据，并按照数据格式信息解析数据。该方法可以在保证低速率业务处理的可靠性的基础上，有效提高频域资源的利用率。

方案2：专利号ZL201310698991.0提供了一种物联网多任务资源分配方法，包括：接收客户端发送的资源请求，并将资源请求依次转换为搜索请求；根据搜索请求中的搜索条件，搜索云资源中传感器节点的资源列表，并获取满足搜索条件的传感器节点对应的资源ID；搜索资源ID的数据列表，并获取数据列表中资源ID对应的已用频率；比较已用频率和搜索条件中的搜索频率，判断数据列表中的缓存数据是否充足；根据搜索条件控制传感器节点按照资源ID优先级收集资源数据，并将收集的资源数据反馈至客户端。该方案可以有效地将云资源中的传感器节点进行整合及分配，提高了传感器节点的利用率，使得物联网负载更加平衡。

方案3：专利号ZL201310479384.5提供了一种资源分配方法及装置，包括：根据物联网终端发送的包括请求业务的标识的业务请求获得请求资源信息；根据预存的各业务类型所属的服务类型，确定请求业务所属的业务类型所属的服务类型；若为自有类型，则根据当前存储的云计算中心的当前可用资源信息，为物联网终端分配与请求资源信息对应的资源；若为行业类型，则根据预存的各业务类型对应的行业平台的标识，向物联网终端返回请求业务所属的业务类型对应的行业平台的标识。该方案能够实现对物联网业务对应的资源进行有效统一的分配。

但以上的几种方法都存在不足，方案1：该方案提供了一种改进频域资源分配实现LTE在物联网的应用的方法、一种改进频域资源分配实现LTE在物联网的应用的系统，、一种改进频域资源分配实现LTE在物联网的应用的基站以及一种改进频域资源分配实现LTE在物联网的应用的用户终端，在保证低速率业务处理的可靠性的基础上，有效提高频域资源的利用率。但是该方案只考虑了频域资源的分配，没有考虑带宽、能耗等资源的分配，并且该方案只能保证低速率业务的可靠性，不能保证关键业务的可靠性。

方案2：该方案首先接收客户端发送的资源请求，然后将资源请求依次转换为搜索请求，根据搜索请求将搜索到的资源返回反馈至客户端。虽然该方案在搜索资源时考虑了资源的优先级，可以实现将云中的资源进行有效地整合及分配，但是该方案没有考虑请求的优先级，无法保证关键业务可以得到及时地响应及处理。

方案3：该方案提供一种资源资源分配方法及装置，通过对业务进行分类以及对终端请求的业务进行标识以解决现有的针对物联网业务的资源分配方案无法实现对资源进行有效统一分配的技术问题。该方案详细阐述了终端请求业务的过程，但是没有对资源的传输过程作进一步的讨论，仍然无法保证为关键业务预留足够多的资源，因此无法保证关键业务的实时性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种可以达到对无线传感器网络中有限资源如带宽、能耗、处理资源以及存储资源的最佳利用，减小关键数据的传输时延，提高关键业务的可靠性，进而提高整个系统的性能的一种适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资源预留方法。

一种适用于智能电网的无线传感器网络的基于优先级的最优资源预留方法：(1)各个传感器节点监测当前网络中是否有事件发生，当某个传感器节点检测到事件发生时，该传感器节点将采集并感知数据，同时将数据包发送到距离自己最近的第一层簇的簇头中H₁中；

(2)H₁在清理掉数据包中冗余信息之后，使用TDMA方式将数据包发送到距离自己最近的下一层簇的簇头H₂中，同时H₁还会将数据包的关键性信息一同发给H₂。

(3)H₂在对数据包的关键性信息进行分析之后为该数据包分配优先级。在为每一个数据包分配完优先级之后，H₂根据每一个数据包的优先级为每一个数据包分配传输所需的带宽。之后，H₂根据每个数据包的优先级将该数据包放到合适的队列中并转发到距离自己最近的下一层中间簇的簇头中。

(4)数据包在经过若干个中间簇的处理及转发之后来到基站，基站在接收到数据包之后可以立即将其发送到IoT网关，IoT网关将数据包发送到因特网，最终数据包通过因特网到达目的地。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

1、本发明提出的智能电网的无线传感器网络下的分层集群架构可以更加全面地捕获网络中事件的发生，同时实现对网络中有限资源如带宽、能耗等更加细粒度的管理与分配。

2、在数据包从传感器节点传输到基站的过程中通过为不同类型的数据包分配不同的优先级，并根据不同的优先级为数据包分配不同的资源，使得关键任务可以得到及时的响应和处理，提高系统的稳定性和可靠性。

3、同传统的考虑资源管理与分配方式不同，本发明考虑的是一种资源预留的机制，通过这种机制可以实现为关键数据分配足够多的资源，保证关键数据以低时延甚至零时延到达目的地，进而提高整个系统的性能。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

一种适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资源预留方法，该架构由M个不同的簇、一个基站和一个IoT路由器组成，基站与IoT路由器直接相连，该IoT路由器作为因特网的网关。M个簇分别被部署到不同的层。每一个簇中有唯一的一个簇头，该簇头作为和下一层直接通信的节点。我们设第一层的簇头为H₁,第二层的簇头为H₂，第三层的簇头为H₃，依次类推。当任意一个簇中的任意一个传感器节点发生事件时，该传感器节点将会感知并采集数据，同时将数据包发送到距离自己最近的第一层的簇的簇头H₁。在H₁清除掉数据中的冗余信息之后，将数据存储到自己的存储器中。然后H₁使用TDMA方式将数据包发送到下一层簇的簇头H₂中，同时H₁和H₂之间还会交换数据的关键性信息，这些关键性信息包括数据是如何捕获的，流量的类型以及数据承载的业务种类等。这些关键性信息之后将用于对每个数据包划分优先级。H₂在将数据包进一步发送到基站之前可能还会经过一些中间的簇(比如H₃、H₄、…)的转发，但是从H₂到下一个中间簇之间的传输链路的带宽受限于从上一层簇中接收到的数据的带宽。

在资源受限的无线传感器网络中，带宽、存储资源以及处理资源都是受限资源，因此我们要尽可能以最低的数据包丢失率以及最小的延迟实现对这些资源的最佳利用，进而实现物理设备之间可靠且及时地通信。因此，H₂将基于从上一级的H₁中接收到的数据的关键性信息来为每一个数据包分配优先级。在为每一个数据包分配完优先级之后，H₂根据每一个数据包的优先级为每一个数据包分配带宽。因此，高优先级的数据包将被分配到足够的带宽，使其可以以较低的时延及较高的可靠性到达基站，进而得到及时地处理。

在H₂对数据包进行优先级划分以及带宽分配之后，数据包需要经过若干个中间簇的转发传送到基站，再由基站传送到IoT网关。由于不同的数据包的优先级不同，因此需要将不同的数据包分开传输。假设将所有的数据包划分为1和2两个优先级，1表示高优先级，2表示低优先级，因此中间簇和基站有两个队列(Q₁和Q₁)和一个分类器，该分类器首先根据数据包的优先级将其分配到适当的队列中，然后再为每个数据包分配传输所需要的资源。

基站在收到从上一级的簇中接收到的数据包之后可以立即将其发送到IoT网关，进而通过因特网到达目的地。在因特网上可以重复相同的基于优先级的最佳资源预留机制。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种适用于电力物联环境的基于优先级的无线传感器网络最优资源预留方法：(1)各个传感器节点监测当前网络中是否有事件发生，当某个传感器节点检测到事件发生时，该传感器节点将采集并感知数据，同时将数据包发送到距离自己最近的第一层簇的簇头中H₁中；

(2)H₁在清理掉数据包中冗余信息之后，使用TDMA方式将数据包发送到距离自己最近的下一层簇的簇头H₂中，同时H₁还会将数据包的关键性信息一同发给H₂；

(3)H₂在对数据包的关键性信息进行分析之后为该数据包分配优先级，在为每一个数据包分配完优先级之后，H₂根据每一个数据包的优先级为每一个数据包分配传输所需的带宽，之后，H₂根据每个数据包的优先级将该数据包放到合适的队列中并转发到距离自己最近的下一层中间簇的簇头中；

(4)数据包在经过若干个中间簇的处理及转发之后来到基站，基站在接收到数据包之后可以立即将其发送到IoT网关，IoT网关将数据包发送到因特网，最终数据包通过因特网到达目的地。