CN110138683B - 一种支持QoS的物联网数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持服务质量QoS的物联网数据传输方法及系统，所述方法包括：从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态，接收第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；接收第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输，本发明将信道竞争与数据传输过程解耦，高密度环境下减少碰撞以及实现无碰撞的数据传输，根据不同的QoS给予不同的传输机会，充分利用物联网资源以及满足网络中实时性业务的需求。

Description

一种支持QoS的物联网数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通信和网络技术领域，具体而言，涉及一种支持服务质量(Quality ofService，QoS)的物联网数据传输方法及系统。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网，顾名思义就是物物相连的互联网。物联网通过信息传感设备、智能识别、智能计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合之中，因此，物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业第三次浪潮。全球信息科技发展正经历从互联网到物联网的延伸。物联网可以广泛应用于智能交通、智能家居、智能农业、智能环保监控等多个技术领域，具有广阔的发展前景。

物联网技术的应用，需要大量的数据传输，在物联网的高密度网络环境中，传统的基于随机接入的竞争机制会导致信道碰撞急剧增加，较高的碰撞率会使网络吞吐量下降，时延增加，信道利用率低等问题。

目前，在针对不同业务类型进行数据传输时，通常仅根据数据传输任务的时间顺序或者随机确定的顺序，为数据传输任务分配网络资源。网络针对不同的QoS需求，如带宽需求、时延要求、可靠性等，网络区分业务性差，可靠性难以保证，网络资源利用不均衡，如何分配不同的传输机会，提高数据传输的合理性是将要解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种支持QoS的物联网数据传输方法及系统，将信道竞争与数据传输过程解耦，同时区分不同的业务类型分配不同的传输机会进行数据传输过程。

根据本发明的一方面，提供一种支持服务质量QoS的物联网数据传输方法，包括以下三个步骤：

步骤1，从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态；

步骤2，从节点接收主节点向从节点广播的携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；

步骤3，从节点接收主节点向从节点广播的指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输。

根据本发明的另一个方面，提供一种支持服务质量QoS的物联网数据传输系统，包括：

主节点，用于向从节点广播的携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，向从节点广播的指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，接收从节点传输的数据；

多个从节点，用于根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态，接收携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；接收指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输。

本发明的有益效果在于，提出了一种支持QoS的物联网数据传输方法及系统，将信道竞争与数据传输过程解耦，在信道竞争过程中，按照服务状态优先级和“与”运算匹配度判断节点能否参与到信道竞争过程中，满足竞争条件的按照自由竞争原则进行信道竞争，高密度环境下减少了碰撞以及实现无碰撞的数据传输，根据不同的QoS给予不同的传输机会，充分利用了物联网资源以及满足网络中实时性业务的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要的附图做简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实例，因此不应被看作是对范围的限定，是对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法的位图法标记格式图；

图3是本发明另一实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法流程图；

图4是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法的超帧结构图；

图5是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输系统示意图；

图6是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输的分布式网络拓扑及节点对应的位图标识示例图；

图7是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输的电力线载波通信网络拓扑示例图。

具体实施方式

下面对本发明具体的实施方式进行阐述，来进一步说明本发明的出发点以及相应的技术方案。

图1是一种支持服务质量QoS的物联网数据传输方法示意图。所述方法包括三个步骤：

步骤1，从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态；

步骤2，从节点接收主节点向从节点广播的携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；

步骤3，从节点接收主节点向从节点广播的指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输。

如图2所示，是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法的位图法标记格式图。优选的，步骤1从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态包括：

采用位图法设置从节点服务优先级状态，使用M个比特位来标识服务优先级状态，每个比特标识一个服务优先级状态，满足要求则将相应比特位置为1，否则置为0，所述M的大小为服务优先级状态的个数。

优选的，所述服务优先级状态至少包括宽带要求的服务优先级状态、时延要求的服务优先级状态和可靠性要求的优先级状态，其中带宽要求的服务优先级高低依次分为高带宽、中带宽、低带宽；时延要求的服务优先级高低依次分为及时性、低时延、中时延和高时延；可靠性要求的服务优先级高低依次分为可靠和非可靠。这些服务优先级均为与QoS要求相关的，用于设置节点相应的服务优先级状态。带宽、时延、可靠性三者可根据实际的应用场景需求进行优先级的区分。

在设定节点服务优先级状态时采用位图法，就是用每一位来存放某种状态。如图2所示，设置用1bit位来标识服务优先级状态，使用1/0表示。例如根据以上要求采用8bit位来标识服务优先级状态，分别代表高带宽、中带宽、低带宽、及时、低时延、中时延、高时延、可靠性要求，满足要求的位将置为1，否则置为0。使用位图法，可综合考虑节点对带宽、时延、可靠性等QoS要求。

图3是本发明另一实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法流程图。主节点发送携带服务优先级的第一信标帧，接收到信标帧的从节点并且满足竞争条件的从节点参与到信道竞争过程中。当处于信道竞争阶段时，需要传输数据的多个节点进行竞争，满足竞争条件的节点参与到信道竞争。竞争阶段结束时，主节点发送通知从节点信道竞争阶段结束数据传输阶段开始的第二信标帧。当处于数据传输阶段时，节点按照成功竞争到的信道的顺序进行数据传输，实现无碰撞的数据传输过程。

优选的，从节点将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争包括：

根据位图法将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行“与”运算，若“与”运算结果中存在某位为1，表示从节点为与服务优先级相匹配的节点，则确定该从节点能参与到信道竞争过程中；若“与”运算结果不存在某位为1，若从节点的服务优先级高于第一信标帧中携带的服务优先级，则确定该从节点能参与到信道竞争过程；否则，确定该从节点不能参与到信道竞争过程，该从节点忽略所述第一信标帧。

优选的，从节点按照竞争到的信道的顺序进行数据传输包括：

从节点按照自由竞争原则或者根据位图法“与”运算结果和服务优先级状态，将在信道竞争过程中成功竞争到的信道的进行排序，并根据相应的服务优先级分配的传输机会进行数据传输。

图4是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输方法的超帧结构图。为了在高密度的物联网环境下，实现减少碰撞以及无碰撞的数据传输，在一个通信周期内分为信标帧、信道竞争、信标帧、数据传输四个阶段，如图4所示。所述第一信标帧用于指示从节点进入信道竞争阶段，第二信标帧用于指示从节点信道竞争阶段结束、数据传输阶段开始，第一信标帧和第二信标帧将从节点的信道竞争阶段和数据传输阶段解耦。

图5是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输系统示意图，所述系统包括：

主节点，用于向从节点广播的携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，向从节点广播的指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，接收从节点传输的数据；

多个从节点，用于根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态，接收携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；接收指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输。

优选的，从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态包括：

采用位图法设置从节点服务优先级状态，使用M个比特位来标识服务优先级状态，每个比特标识一个服务优先级状态，满足要求则将相应比特位置为1，否则置为0，所述服务优先级状态至少包括宽带要求的服务优先级状态、时延要求的服务优先级状态和可靠性要求的优先级状态，所述M的大小为服务优先级状态的个数。

优选的，从节点将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争包括：

根据位图法将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行“与”运算，若“与”运算结果中存在某位为1，表示从节点为与服务优先级相匹配的节点，则确定该从节点能参与到信道竞争过程中；若“与”运算结果不存在某位为1，若从节点的服务优先级高于第一信标帧中携带的服务优先级，则确定该从节点能参与到信道竞争过程；否则，确定该从节点不能参与到信道竞争过程，该从节点忽略所述第一信标帧。

优选的，从节点按照竞争到的信道的顺序进行数据传输包括：

从节点按照自由竞争原则或者根据位图法“与”运算结果和服务优先级状态，将在信道竞争过程中成功竞争到的信道的进行排序，并根据相应的服务优先级分配的传输机会进行数据传输。

图6是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输的分布式网络拓扑及节点对应的位图标识示例图。假设在分布式的网络环境中，多个节点共同竞争信道。节点1为高带宽、可靠性要求；节点2为低时延、可靠性要求；节点3为高时延要求；节点4为中带宽、高时延要求；节点5为低带宽、中时延要求；节点6为低时延要求。节点满足服务优先级状态要求的相应位将置为1，其余为0。

假设信标帧所携带的服务优先级状态信息为中带宽、中时延节点传输数据。根据服务优先级要求，采用位图法“与”运算，节点1服务优先级高于请求服务优先级；节点2为低时延要求，服务优先级高于请求服务优先级；节点3服务优先级状态信息不匹配且低于请求服务优先级则忽略此信标帧，继续等待下一个信标帧；节点4自身的服务优先级状态成功匹配到信标帧中所携带的服务优先级状态要求；节点5自身的服务优先级状态成功匹配到信标帧中所携带的服务优先级状态要求；节点6为低时延要求，服务优先级高于请求服务优先级。

根据位图法“与”运算结果以及服务优先级状态高低，则节点1、2、4、5、6开始信道竞争过程。在信道竞争过程中，按照服务状态优先级和“与”运算匹配度判断节点能否参与到信道竞争过程中，满足竞争条件的按照自由竞争原则或者根据位图法“与”运算结果和服务优先级状态进行信道竞争。若节点1、2、4、5、6在信道竞争过程中成功竞争到的信道的顺序为2、6、1、4、5，则在数据传输阶段按此顺序传输，并根据相应的服务优先级分配传输机会。

图7是本发明实施例提供的一种支持QoS的物联网数据传输的电力线载波通信网络拓扑示例图。假设在电力线载波通信网络中A节点下的子节点1为高带宽、低时延要求，子节点2为中带宽、可靠要求，子节点3为低带宽要求，子节点4为高带宽、中时延要求。节点满足服务优先级状态要求的相应位将置为1，其余为0。

假设中央控制器CCO向所有节点广播信标帧，使中带宽、低时延节点传输数据。根据服务优先级要求，采用位图法做“与”运算，子节点1、2节点自身的服务优先级状态成功匹配到信标帧中所携带的服务优先级状态要求；子节点3服务优先级状态信息不匹配且低于请求服务优先级则忽略此信标帧，继续等待下一个信标帧；节点4为高带宽要求，服务优先级高于请求服务优先级。根据位图法“与”运算结果以及服务优先级状态，确定子节点1、2、4开始信道竞争过程。子节点1、2、4按照成功竞争到的信道的顺序开始数据传输过程。若子节点1、2、4在信道竞争过程中成功竞争到的信道的顺序为1、4、2，则在数据传输阶段按此顺序传输，并根据相应的服务优先级分配传输机会。对于A节点下子节点3的子节点7、8和9，以及E节点下的子节点5和6，均采用上述方法进行信道竞争和数据传输，在此不做赘述。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种支持服务质量QoS的物联网数据传输方法，其特征在于，包括：

步骤1，从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态；

步骤2，从节点接收主节点向从节点广播的携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；

步骤3，从节点接收主节点向从节点广播的指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输；

其中，步骤2所述的将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争，包括：

根据位图法将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行“与”运算，若“与”运算结果中存在某位为1，表示从节点为与服务优先级相匹配的节点，则确定该从节点能参与到信道竞争过程中；若“与”运算结果不存在某位为1，若从节点的服务优先级高于第一信标帧中携带的服务优先级，则确定该从节点能参与到信道竞争过程；否则，确定该从节点不能参与到信道竞争过程，该从节点忽略所述第一信标帧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态包括：

采用位图法设置从节点服务优先级状态，使用M个比特位来标识服务优先级状态，每个比特标识一个服务优先级状态，满足要求则将相应比特位置为1，否则置为0，所述M的大小为服务优先级状态的个数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所述的从节点按照竞争到的信道的顺序进行数据传输包括：

从节点按照自由竞争原则或者根据位图法“与”运算结果和服务优先级状态，将在信道竞争过程中成功竞争到的信道的进行排序，并根据相应的服务优先级分配的传输机会进行数据传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信标帧还用于指示从节点进入信道竞争阶段，第二信标帧用于指示从节点信道竞争阶段结束、数据传输阶段开始，第一信标帧和第二信标帧将从节点的信道竞争阶段和数据传输阶段解耦。

5.根据权利要求1至4所述的任一方法，其特征在于，所述服务优先级状态至少包括宽带要求的服务优先级状态、时延要求的服务优先级状态和可靠性要求的优先级状态，其中带宽要求的服务优先级高低依次分为高带宽、中带宽、低带宽；时延要求的服务优先级高低依次分为及时性、低时延、中时延和高时延；可靠性要求的服务优先级高低依次分为可靠和非可靠。

6.一种支持服务质量QoS的物联网数据传输系统，其特征在于，包括：

主节点，用于向从节点广播的携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，向从节点广播的指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，接收从节点传输的数据；

多个从节点，用于根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态，接收携带有服务优先级状态信息的第一信标帧，将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争；接收指示信道竞争结束、数据传输开始的第二信标帧，按照竞争到的信道的顺序进行数据传输；

其中，所述将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行匹配，根据匹配结果判断从节点能否参与信道竞争，包括：

根据位图法将第一信标帧中携带的服务优先级状态信息和从节点的服务优先级状态信息进行“与”运算，若“与”运算结果中存在某位为1，表示从节点为与服务优先级相匹配的节点，则确定该从节点能参与到信道竞争过程中；若“与”运算结果不存在某位为1，若从节点的服务优先级高于第一信标帧中携带的服务优先级，则确定该从节点能参与到信道竞争过程；否则，确定该从节点不能参与到信道竞争过程，该从节点忽略所述第一信标帧。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，从节点根据QoS要求设置从节点的服务优先级状态包括：

采用位图法设置从节点服务优先级状态，使用M个比特位来标识服务优先级状态，每个比特标识一个服务优先级状态，满足要求则将相应比特位置为1，否则置为0，所述服务优先级状态至少包括宽带要求的服务优先级状态、时延要求的服务优先级状态和可靠性要求的优先级状态，所述M的大小为服务优先级状态的个数。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，从节点按照竞争到的信道的顺序进行数据传输包括：

从节点按照自由竞争原则或者根据位图法“与”运算结果和服务优先级状态，将在信道竞争过程中成功竞争到的信道的进行排序，并根据相应的服务优先级分配的传输机会进行数据传输。

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