CN109890058A - 一种大规模低流量数据源访问的网络自组织方法 - Google Patents

Abstract

该大规模低流量数据源访问的网络自组织方法采用新的节点网络自组织方法，构建“节点‑网关‑服务器”新模型，升级后的数据源节点包含有数据源采集、附加路由器以及网路计算单元，从真正意义上将原中央处理器部分工作下放到节点，进行现场边缘实时路由计算选择，实现大规模节点数据采集和上报能力，并且基于节点的组网方式保证任意新节点加入或内节点正常/异常脱离不会对整个网络产生影响，充分考虑以最低成本功耗进行数据采集和上层数据访问，应用的节点越多，网络传输越可靠，扩展节点应用灵活，适合低流量特性的现场级组网信息传输，弥补传统移动网络如CDMA、GSM特殊区域无法覆盖的情况下建立大规模信息采集系统和传感系统。

Description

一种大规模低流量数据源访问的网络自组织方法

技术领域

本发明为自动控制和远程控制领域中低复杂度、网络要求自组织、低速率低功耗场合所提出的一种新的无线传感网络自组织方法，属于通信领域。

技术背景

随着无线传感网络技术的快速发展，大规模低流量数据源访问的网络被越来越多的用于各类物联网行业中。现实环境中，大规模的节点联网机制非常复杂，不但要保证端对端的通信实时性可靠性，还要充分考虑其网络覆盖度和功耗，若是用在低流量广域网上的无线终端数据传输上难免大材小用，虽然保证了数据传输可靠、实时，但附加的网关设备等额外开销都会成倍增长，得不偿失；并且在原基础协议上开发新的指令对数据源信息访问所耗时间金钱都很大，所以基于一种大规模低流量数据源访问的网络自组织方法就显得尤为重要。

传统的无线网络应用如WIFI虽然保证通讯的实时性，但可容纳的终端数量少，网络覆盖面窄，且对功耗没有明显的限制，适合大数据量的通讯，无法整体大规模的应用到广域物联网各行业中；而最近出现的一些适合低功耗设备也都是一些私有协议集成，与标准网络不兼容，也无法根本从标准网端直接访问控制微型设备。另外，大规模低数据量的网络要求自组织，所以能够自愈，安全和稳健的网状协议才是低流量网络所需，这就要求设备节点能快速自动并网的同时合理兼顾网路信道承载能力进行数据传输。

发明内容

本发明主要针对大规模低流量数据源访问场景，采用升级后的数据源节点，摒弃传统的“数据源-路由-网关-服务器”逐级传输组网模式，采用基于节点的网络自组织方法，实现大规模节点数据采集和上报能力，保证数据可靠传输的同时，充分考虑以最低成本功耗进行数据采集和上层数据访问，扩展节点应用多样性。

本发明是基于节点的网络自组织方法，利用升级后的数据源节点，构建“节点-网关-服务器”新模型，非常适合广域网低流量特性的现场级组网信息上报，其具体实施过程包括节点升级自组织和网关信息整合管理。

新升级的数据源节点含有数据源采集、附加路由器以及网路计算单元的智能节点，这在一些传统移动网络如CDMA、GSM无法覆盖的情况下建立大规模信息采集有着很大应用前景。

1.附加路由器在传统专用路由器的基础上只保留数据转发以及节点扫描，并且周期性发送消息确认帧进行周围节点确认，网路计算单元是整个节点的核心，也是基于本技术之上的组网的基础。

2.计算单元通过附加路由扫描得到的周边信道信息，当节点数目突增、数据量变大时，对网络信道进行优化选择，改善信息传递途径。

3.计算单元同时负责本节点能耗，通过对数据进行分类，分为本源数据，转发数据，以及自身信息，基于信息类的能耗管理，有效延长电池供电时间。并且新节点加入时，用于对新节点进行初始化，并上报上级网络，为入网做准备。

4.节点自身留有第三方数据接口，可通过与任意节点路由进行无线连接，获取该节点或目标节点的数据资源。

5.与传统广域网节点相比，其路由与数据采集分离，专有无线模块进行数据转发，造成不必要设备浪费，且无线信息传输到路由节点只有点对点应用，无法保证数据传输可靠性，传输至上层网关有数据丢失或被丢弃。

6.新的智能节点组成的网络模式，网关发送相关请求命令至其中一个或者几个节点附加路由，由节点附加路由组成的内网进行节点数量管理，每发现一个数据节点，计算单元会进行信息同步管理，此种管理模式可以更快速的了解各节点信息状态。

7.基于节点间组网模式，节点间协议采用多路径技术，同时支持第三方的数据接口，可通过第三方登录数据服务器获取节点信息源；与传统的只能在电脑界面访问来讲，更多元化进行数据采集。

8.高度自动动态组网、自主路由模式，无论某个节点出现什么问题，都可自行退出网络或者加入新的节点。

本发明的优点和效果：明显改善传统节点设备功耗消耗问题，自身智能计算单元能根据当前网络节点数据进行分类，计算单元基于信息类的能耗管理，有效延长电池供电时间，易扩展的第三方接口实现数据远程终端随时访问，对于大规模应用并不影响网络性能，提高网络可靠性。

附图说明

图1为新升级后的节点进行节点内组网以及节点智能单元图。

图2为数据源节点初始化流程图。

图3为网络数据流程图。

图4为新新节点加入时流程图。

图5为该智能节点组成的节点网络模型。

图6为采用该智能节点的新的网络应用示意图。

具体实施方式

本发明是基于节点的网络自组织方法，利用升级后的数据源节点，构建“节点-网关-服务器”新模型，非常适合广域网低流量特性的现场级组网信息上报，其具体实施过程包括节点升级自组织和网关信息整合管理；新的广域网数据采集节点是在“数据源+发射/接收端”基础上进行改造。数据源节点附带用于检测采集目标信息的各种传感器，用于相关数据采集，附加路由器在传统专用路由器的基础上只保留数据转发以及节点扫描，并且周期性发送消息确认帧进行周围节点确认。

网路计算单元是整个节点的核心，也是基于本技术之上的组网的基础，主要进行如下功能：

1.计算通过附加路由扫描得到的周边信道信息，当节点数目突增、数据量变大时，对网络信道进行优化选择，改善信息传递途径。

2.负责本节点能耗，通过对数据进行分类，分为本源数据，转发数据，以及自身信息，基于信息类的能耗管理，有效延长电池供电时间。

3.新节点加入时，用于对新节点进行初始化，并上报上级网络，为入网做准备。

4.节点自身留有第三方数据接口，可通过与任意节点路由进行无线连接，获取该节点或目标节点的数据资源。

数据源节点由内部计算单元发起，首先判断本节点还未与其它网络连接，如果存在连接，则作为路由进行正常的入网流程，然后进行信标请求命令，在主动扫描期间，MAC层将丢弃PHY层数据服务接收到的除信标以外的所有帧，在有限的扫描期限内检测联网信标，进行广播扫描；接着选择信道号，设置网络ID等待其他节点加入。

网关发送相关请求命令至其中一个或者几个节点附加路由，由节点附加路由组成的内网进行节点数量管理，每发现一个数据节点，计算单元会进行信息同步管理，此种管理模式可以更快速的了解各节点信息状态。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是由新升级的节点进行组网模型，采用新升级的智能节点模块，数据采集用于信息感知，附加路由器负责节点扫描以及数据转发，网路计算单元负责对整个网络进行点级信息算法评估，为数据源提供最佳路径传输。

新节点网路计算单元以数据源类将数据分为本源数据、转发数据以及自身信息，采用自有数据源分类节点优化算法，进行信息转发。

图3是由新升级节点组成的简单网络模型，每个网关携带有要转发给上层的数据源，网关之间或直接通过有线连接上层服务器，或经过其余网关转发来自其他网关的数据内容：

1.对本网关覆盖范围内节点进行信息备份，并定时发送消息帧，用于对范围内节点进行管理；传统无线广域网无法做到对节点进行管理

2.定时转发节点数据，或通过有线直接与网络服务器或者第三方客户端连，或通过无线与邻近网关连接进行数据上报，有效避免因节点流量不平衡导致的数据链路拥塞，此为传统无线广域网诟病

3.管理新节点加入网络，如图4的流程所示，关发送相关请求命令至其中一个或者几个节点附加路由，由节点附加路由组成的内网进行节点数量管理，每发现一个数据节点，计算单元会进行信息同步管理，此种管理模式可以更快速的了解各节点信息状态。

图6是新升级节点对节点的透传模型，新的网络中每个节点根据是否要进行本数据上报和中继转发：

1.特定节点数据上报

网关启动之前，全部设备上电完成自检并且进行自联网

成默认低功耗模式，下发带有A节点号的数据上报命令，

其他节点在检测到不是自身节点号时，只进行多路径转

发，其原理是路由扫描当前周边节点信道状态，并检测

是否有数据发送，判断最佳路由，在每个节点形成路径

表，进行逐级发送；最终在A节点的计算单元汇聚，翻

译成原始命令进行数据采集，并且在A节点出形成路径

传送表；数据采集完成根据A节点传送数据表进行原路

上报，最终到达网关。

2.全节点数据上报

网关对网络内全部节点数据进行访问，上行命令帧发送附带广播标识帧，所经过的每一级节点在确认是广播帧后，一方面进行原数据转发下一级节点；一方面准备自己的数据源帧，附带节点号，每个节点在接收到不同本节点数据帧时只进行中继转发，本节点数据发送根据计算单元评估出的最佳信道路径进行上报，各节点依据信道占用状态进行“逐级判决”转发，由于数据量小，相邻信道状况相似，所以对于同一节点有一组相近的可供可靠传输信道，就产生了丰富的路径选择可能性，从而提高了网络的可靠性、自愈性、抗干扰性。

网络节点自动分离，网关向附加路由发送脱离连接命令，不管设备是否有ACK回应，网关都认为该设备已经分离；节点接收到脱离命令后会继续向网关发送脱离确认帧，在预设时间间隔内抑或是收到确认脱离帧或是没收到都标记本节点为死节点。

异常分离，由于设备突然断电或者被阻挡覆盖，而造成的分离。但此种设备会尝试重传并等待ACK响应，如果没有响应，设备则为认为自己已经失去联系，预设时间段内，节点脱离网络。这样的机制充分改善数据源节点因数据上报错误而引发的节点掉线囧境，提高网络可靠性。

Claims (8)

1.基于大规模低流量数据源访问的网络自组织方法，其特征在于其特征在于对普通数据节点再升级，成为集数据源采集、附加路由以及网路计算单元为一体的智能节点，包含数据上报和转发功能，以其特有的窄带网络构建的大规模应用节点具有良好的″可塑性″，以其易布置，低功耗，网络覆盖范围广等特点在满足特殊环境需求的情况下，也可充当临时通信单元，满足多元化应用。

2.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法，其特征在于对普通数据采集节点的新升级，新升级节点包括：

a)数据源采集器，附带用于检测采集目标信息的各种传感器用于相关数据采集；

b)附加路由器在传统专用路由器的基础上保留数据转发以及节点扫描，并且周期性发送消息确认帧进行周围节点确认，也是组件新型窄带局域网基础环节；

c)网路计算单元是整个节点的核心，同时也是基于该计算单元节点间自由组网，突破传统意义上带宽信道限制，实现节点越多，可用网路越宽，数据传递也就越可靠。

3.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法其特征在于，构建的新的自组网智能网络由于节点″可塑性″，节点上电附加路由自动扫描周边同节点，并有计算单元根据当前节点位置选择最佳信息传输路径作为备用网路，网络更易管理和维护。

4.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法其特征在于，新的自组织网络模型每个节点根据是否要进行本节点数据源采集份两种功能，数据上报和中继转发：

a)特定节点数据上报时，节点自检完成自联网成默认低功耗模式，下发带有用户节点ID的数据上报命令，根据选择的最佳路径表，进行逐级发送。

b)全节点数据上报时，上行命令帧发送附带广播标识帧，一方面进行原数据中继转发下一级节点；一方面准备自己的数据源帧附带节ID每个节点在接收到不同本节点数据帧时只进行中继转发，各节点依据信道占用状态进行″逐级判决″转发。

5.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法其特征在于改善传统物联网布设繁复操作，节点开机即可完成本源节点自检以及网路扫描，为数据发送或者中继做好网路预设选择。

6.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法其特征在于明显改善传统节点设备功耗消耗问题，自身智能计算单元能根据当前网络节点数据进行分类，大体分为本源数据，转发数据以及自身信息，计算单元基于信息类的能耗管理，有效延长电池供电时间。

7.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法，其特征在于，基于实际的物理窄带设备，以其强的绕射能力和远距离传输性能基于新的组网模式，加上节点间多路径协议技术，即使点对点应用也可覆盖数公里范围。

8.如权利要求1所述的大规模低流量数据源访问的网络自组织方法，其特征在于基于该智能节点构建的″节点-网关-服务器″新模型，其中网关负责整个无线覆盖范围内的节点数据上报以及相关数据连接至该网关的节点管理，主要包含上行命令和下行数据上报，并且网关间也可进行无线数据传输。