CN110958592B - 一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，根据工业物联网场景中周期性业务、增强型移动宽带业务和非周期关键业务三种业务的时延特征，雾计算接入点(Fog Access Point，F‑AP)能够灵活采用半静态调度、抢占调度和动态调度。本发明充分利用F‑AP的存储、处理和转发能力，为各业务数据包创建队列和时间感知调度表，优先转发要求超低时延的非周期关键业务，并可直接转发至边缘服务器进行业务处理，同时基于时间感知的调度可保证周期性业务严格的低时延抖动。本发明可应用于物联网中多种时延需求差异化业务共存的场景，提高网络的时延和抖动性能。

Description

一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法。

背景技术

在互联网的基础之上，物联网通过射频识别技术与多种类型的传感器，将所有可被独立寻址的普通物品互联互通进行信息交换和通讯，以实现智能化识别和对物理系统的统筹管理。作为物联网的一个重要应用场景，工业物联网近来引起了众多关注。

工业物联网中的业务主要分为周期性业务，例如来自不同应用程序的多个时间敏感数据流，具有不同的周期和关键优先级；非周期但具有关键优先级的业务，例如警报、安全检测器等事件告警；增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)业务，例如互联网流量或支持工厂运营的任何其他流量。现有的组网方法主要考虑满足低时延高可靠业务或增强型移动宽带业务的需求，而对于上述三种类型业务的混合调度和处理转发尚未有相应的解决方案。

发明内容

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，通过利用雾计算接入点(Fog Access Point，F-AP)的存储、转发和处理能力，以根据不同类型业务对时延的需求灵活制定调度方案和转发处理方案，保证周期性业务的低时延抖动和非周期关键业务的超低时延。

本发明提供一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，包括：

步骤1，各物联网设备根据预设的接入准则完成雾计算接入点接入，雾计算接入点初始化无线资源配置参数Ω₀、Ω₁、Ω₂、Z，Ω₀为雾计算接入点可用的用于上行数据传输的子信道的编号集合，Ω₁和Ω₂分别为雾计算接入点预留给周期性业务的子信道集合和雾计算接入点预留给增强型移动宽带业务的子信道集合，且满足Ω₀＝Ω₁∪Ω₂，Z为Ω₁中未被周期性业务占用的子信道集合，物联网设备分包括周期性业务设备、非周期但具有关键优先级的业务设备、增强型移动宽带业务设备；

步骤2，在资源池划分周期T₁初始时，若其为首个资源划分周期，则执行步骤3，否则各雾计算接入点根据过往的m个业务调度周期T₂内的周期性业务请求比例对子信道资源池Ω₀进行重划分；

步骤3，在调度周期T₂初始时，物联网设备向所接入的雾计算接入点发送业务调度请求，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案，同时记录该调度周期收到的业务请求总数以及周期性业务请求总数；

步骤4，雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息，物联网设备接收到来自雾计算接入点的信息后，使用相应的无线资源上传数据，然后雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据；

步骤5，在每个业务调度周期末尾，雾计算接入点检查已分配资源的每个周期性业务的状态，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源，并对集合Z进行必要的更新。

根据本发明提供的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，利用F-AP的存储、处理和转发能力，根据工业物联网场景中不同类型业务的时延需求特征，在无线资源调度阶段采用了半静态调度和动态调度相结合的无线资源调度方案，而在数据转发阶段，则结合了基于优先级转发和时间感知转发的方式，从而在整体上保证了各业务的时延需求，能够很好的满足不同类型业务的混合调度和处理转发，保证周期性业务的低时延抖动和非周期关键业务的超低时延。特别地，对于有极低时延要求的周期性业务或者关键的事件触发业务，可以直接在F-AP处的边缘服务器中完成数据的计算处理，进一步降低了时延，改善了网络性能。

另外，根据本发明上述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，步骤2中，资源池划分周期T₁与业务调度周期T₂满足T₁＝mT₂，并且雾计算接入点预先设置了半静态调度的授权有效期为T₃。

进一步地，步骤2中，对子信道资源池Ω₀进行重划分的步骤具体包括：雾计算接入点首先计算之前的m个调度周期内周期性业务请求次数占所有业务请求次数的比例p₀，接着预留给周期性业务的子信道个数可定为

其中N为系统所有的子信道个数，最后从集合Ω₀中选取N₁个子信道构成集合Ω₁，其余子信道构成集合Ω₂。

进一步地，步骤3中，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案的步骤具体包括：

对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道；

对于事件触发型的关键优先级业务，雾计算接入点从集合D＝Z∪Ω₂中按照轮询的方式为每个业务分配当前集合中信道条件最好的子信道，每次分配完成后将分配的子信道从集合D中删去；

上述步骤完成后，若集合Ω₂此时非空，则将集合中的剩余资源采用轮询方式分配给各增强型移动宽带业务，直到资源全部分配完为止。

进一步地，对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道的步骤具体包括：

雾计算接入点根据业务周期和最大可容忍时延确定调度优先级，周期短的业务具有更高优先级，若业务周期相等，则最大可容忍时延低的业务具有较高优先级；

雾计算接入点基于周期性业务的优先级为每个业务逐个分配子信道资源：首先根据信道状态信息计算集合Z中每个子信道z的传输速率r_z，然后根据业务数据量大小b和调度周期T₂计算需要满足的最低数据传输速率

接着从集合Z中对子信道逐个无放回抽取，直到抽取的所有子信道的传输速率和大于R，这些子信道即为分配给当前业务的无线资源，且每次分配完成后，将已分配的子信道从集合Z中删去，若集合中的资源无法满足某个业务的速率需求，则资源分配失败，集合Z不变，接着开始分配下一优先级业务的资源。

进一步地，步骤4中，调度请求成功的设备指：对于周期性业务设备，其传输速率需求得到满足；而对于其余设备，只要其请求的业务获得了子信道资源即视为调度请求成功：

雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息包括允许接入的确认信息、雾计算接入点为设备分配的子信道在频带中的位置/编号，其中，在为周期业务设备发送的信息中还包含无线资源授权的有效期T₄，满足T₄＝min(nT_min,T₃)，其中，n表示到当前所处资源划分周期结束前剩余的资源调度周期个数，T_min表示最小的业务调度周期，T₃表示雾计算接入点为周期性设备预先设置的半静态调度授权期限，为业务调度周期的整数倍，且小于资源划分周期，当收到授权信息的周期业务的设备在T₄时间段内需再次发送数据时，无需提交调度请求，在此次分得的无线资源上传输即可；

雾计算接入点为各周期性业务分别创建并维持一个队列，雾计算接入点计算周期性业务队列的转发时间表，基于时间感知控制各队列中数据的传输或者禁用，而在事件触发业务、周期性业务和增强型移动宽带业务间则采用基于优先级的转发。

进一步地，步骤4中，雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据的步骤具体包括步骤41～步骤43：

步骤41，雾计算接入点为不同类型的业务数据包创建队列，并为队列确定优先级，具体包括：

步骤42，定义转发周期T₅，并将T₅划分为M个时隙，其中为周期性业务保留前M′个时隙，在这些时隙中，雾计算接入点基于一个时间表进行周期性业务队列的数据转发，转发时间表规定了允许周期性业务队列数据进行转发的时间，对于转发周期中的剩余时隙，雾计算接入点用来转发增强型移动宽带业务的业务数据，最后，事件触发业务数据优先抢占转发周期中的任意时隙：

步骤43，在当前转发时隙，雾计算接入点基于优先级和转发时间表选择业务数据转发。

进一步地，步骤41具体包括：

将事件触发类型数据包安排在同一队列中，此队列在转发中具有最高优先级P₀；

为每个周期性业务创建并维持一个队列，低业务周期的队列具有更高的优先级，假设有共K个业务，则优先级满足P₀＞P₁＞P₂＞…P_K；

将增强型移动宽带业务安排到同一队列中，此数据队列具有最低优先级P_K+1，即P₀＞P₁＞P₂＞…P_K＞P_K+1；

步骤42中，转发时间表的计算方式具体包括：

雾计算接入点首先安排时间表中周期性业务队列的传输顺序；

雾计算接入点统计过去一个转发周期内每个周期性业务队列数据包到达数量占所有业务数据包总数量的比例，周期性业务1到K对应的比例记为p₁,…,p_K；

雾计算接入点按照顺序为周期性业务队列安排转发时隙，根据p₁,…,p_K计算每个队列需要占用的时隙数量，表示为M₁,M₂,…,M_K，其中第k个队列占用的时隙数量

转发时间表中，按照转发顺序，第一个转发的队列占用第1到第M₁个时隙；第二个转发的队列占用第(M₁+1)到第(M₁+M₂)个时隙，以此类推，完成转发时间表的计算，时间表以矩阵方式存储，由K行M′列0,1变量组成，每一行代表按照优先级P₁到P_K排列的周期性业务队列，每一列分别对应当前转发周期的第1到第M′个时隙，假设当前处于转发周期的第m′个时隙，若时间表矩阵的第m′列中对应第P_k行的元素为1，则表示第k个队列可以在第m′个时隙转发数据，并且在标记为0的时隙停止转发数据，此外，转发周期性队列数据包实际占用的时隙数量

步骤43具体包括：

在前M′个传输时隙，首先检查是否存在有待传输的事件触发类型业务，若有则处理转发此类业务数据，若没有，则按照时间表转发周期性业务队列的数据；

在一个转发周期中的后(M-M′)个时隙内，每个时隙开始时先检查是否存在待转发的事件触发业务数据，若有则先处理转发此类业务数据，若没有则转发增强型移动宽带业务队列中的数据，当前转发周期的第M个时隙结束后，进入下一个转发周期。

进一步地，步骤5中，业务的状态包括资源授权是否已超过有效期T₄、请求业务的设备是否已脱离小区、业务是否完成。

进一步地，步骤5中，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源的步骤具体包括：

当资源授权超过有效期或设备已脱离小区或业务已完成，则进行资源释放，若设备已离开小区，则雾计算接入点直接将先前分配给设备的子信道资源加入集合Z；若设备当前仍接入雾计算接入点，则雾计算接入点向该设备发送释放信令，控制设备进行半静态调度资源的释放。

附图说明

本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一实施例的基于时延感知的雾计算物联网组网方法的流程图；

图2是根据本发明一实施例的基于时延感知的雾计算物联网组网方法中部署F-AP的网络架构示意图；

图3是三类业务占用带宽资源池的示意图；

图4是三类业务调度带宽资源的流程图；

图5是F-AP单个端口时间感知处理/转发的逻辑示意图；

图6为周期性业务采用的转发时间表示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明一实施例提出的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，包括步骤1～步骤5。

步骤1，各物联网设备根据预设的接入准则完成F-AP接入，F-AP初始化无线资源配置参数Ω₀、Ω₁、Ω₂、Z。

其中，物联网设备分为三种类型，包括周期性业务设备、非周期但具有关键优先级的业务设备、增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)业务设备。设备接入雾计算接入点(Fog Access Point，F-AP)的准则包括依据参考信号接收功率接入等，例如请参考图2，图2为基于时延感知的雾计算物联网组网方案中部署F-AP的网络架构示意图。

其中，Ω₀为F-AP可用的用于上行数据传输的子信道的编号集合(后简称子信道集合)，假设共N个子信道，则Ω₀＝{1,2,…,N}。

Ω₁和Ω₂分别为F-AP预留给周期性业务的子信道集合和FAP预留给eMBB业务的子信道集合，满足Ω₀＝Ω₁∪Ω₂。

Z为Ω₁中未被周期性业务占用的子信道集合。

Ω₁可初始化为

Ω₂可初始化为Ω₂＝Ω₀。

步骤2，在资源池划分周期T₁初始时，若其为首个资源划分周期，则去往步骤3，否则各F-AP根据过往的m个业务调度周期T₂内的周期性业务请求比例对子信道资源池Ω₀进行重划分。

其中，资源池划分周期T₁与业务调度周期T₂满足T₁＝mT₂，并且F-AP预先设置了半静态调度的授权有效期为T₃。

其中，对子信道资源池Ω₀进行重划分的步骤具体包括：F-AP首先计算之前的m个调度周期内周期性业务请求次数占所有业务请求次数的比例p₀，接着预留给周期性业务的子信道个数可定为

其中N为系统所有的子信道个数，最后从集合Ω₀中选取N₁个子信道构成集合Ω₁(可按子信道编号从小到大连续选取N₁个)，其余子信道构成集合Ω₂，例如请参考图3，图3为三类业务占用带宽资源池的示意图。

步骤3，在调度周期T₂初始时，物联网设备向所接入的F-AP发送业务调度请求，F-AP根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案，同时记录该调度周期收到的业务请求总数以及周期性业务请求总数。

其中，物联网设备发送的业务调度请求信息包括：指示业务类型的标识符(可用2个比特表示，00表示周期性业务，01表示非周期的关键优先级业务，10表示eMBB类型业务)、用于上行信道状态信息获取的导频等，并且对于周期性业务，设备上传的信息中还包括业务的周期、最大可容忍时延以及上传数据量大小。

其中，F-AP根据当前资源池划分情况、调度请求信息和信道状态为周期性业务、eMBB业务和非周期事件触发业务分配无线资源的具体操作步骤包括：

1.对于周期性业务，考虑到低时延抖动的需求，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道。

上述半静态调度方法的具体步骤为：

a.F-AP根据业务周期和最大可容忍时延确定调度优先级，周期短的业务具有更高优先级，若业务周期相等，则最大可容忍时延低的业务具有较高优先级；

b.F-AP基于周期性业务的优先级为每个业务逐个分配子信道资源：首先根据信道状态信息计算集合Z中每个子信道z的传输速率r_z，然后根据业务数据量大小b和调度周期T₂计算需要满足的最低数据传输速率

接着从集合Z中对子信道逐个无放回抽取，直到抽取的所有子信道的传输速率和大于R，这些子信道即为分配给当前业务的无线资源，且每次分配完成后，将已分配的子信道从集合Z中删去，若集合中的资源无法满足某个业务的速率需求，则资源分配失败，集合Z不变，接着开始分配下一优先级业务的资源。

2.对于事件触发型的关键优先级业务，F-AP从集合D＝Z∪Ω₂中按照轮询的方式为每个业务分配当前集合中信道条件最好的子信道，每次分配完成后将分配的子信道从集合D中删去。

3.上述步骤完成后，若集合Ω₂此时非空，则将集合中的剩余资源采用轮询方式分配给各eMBB业务，直到资源全部分配完为止，例如请参考图4，图4为三类业务分配无线资源的流程图。

此外，步骤3中发送业务调度请求的物联网设备不包括在当前资源划分周期内已经在先前调度周期中获得子信道资源且没有进行资源释放的设备。

步骤4，F-AP向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息，物联网设备接收到来自F-AP的信息后，使用相应的无线资源上传数据，然后F-AP采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据。

其中，调度请求成功的物联网设备指：对于周期性业务设备，其传输速率需求得到满足；而对于其余设备，只要其请求的业务获得了子信道资源即视为调度请求成功。

其中，F-AP向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息包括允许接入的确认信息、F-AP为设备分配的子信道在频带中的位置/编号。特别地，在为周期业务设备发送的信息中还包含无线资源授权的有效期T₄，满足T₄＝min(nT_min,T₃)，其中n表示到当前所处资源划分周期结束前剩余的资源调度周期个数,T_min表示最小的业务调度周期，T₃表示F-AP为周期性设备预先设置的半静态调度授权期限，为业务调度周期的整数倍，且小于资源划分周期。当收到授权信息的周期业务的设备在T₄时间段内需再次发送数据时，无需提交调度请求，在此次分得的无线资源上传输即可。

其中，F-AP为各周期性业务分别创建并维持一个队列，F-AP计算周期性业务队列的转发时间表，基于时间感知控制各队列中数据的传输或者禁用，而在事件触发业务、周期性业务和eMBB业务间则采用基于优先级的转发，最终可降低事件触发业务时延同时降低周期性业务的抖动，例如请参考图5，图5为F-AP单个端口时间感知处理/转发的逻辑示意图，具体操作步骤包括步骤41～步骤43：

步骤41，F-AP为不同类型的业务数据包创建队列，并为队列确定优先级：

a.将事件触发类型数据包安排在同一队列中，此队列在转发中具有最高优先级P₀；

b.为每个周期性业务创建并维持一个队列，低业务周期的队列具有更高的优先级，假设有共K个业务，则优先级满足P₀＞P₁＞P₂＞…P_K；

c.将eMBB业务安排到同一队列中，此数据队列具有最低优先级P_K+1，即P₀＞P₁＞P₂＞…P_K＞P_K+1。

步骤42，定义转发周期T₅，并将T₅划分为M个时隙，其中为周期性业务保留前M′个时隙。在这些时隙中，F-AP基于一个时间表进行周期性业务队列的数据转发。转发时间表规定了允许周期性业务队列数据进行转发的时间。对于转发周期中的剩余时隙，FAP用来转发eMBB业务数据，避免对周期性业务的干扰。最后，事件触发业务数据优先抢占转发周期中的任意时隙。转发时间表的计算方式包括：

a.F-AP首先安排时间表中周期性业务队列的传输顺序，例如：根据业务队列的优先级由高到低安排每个队列可以占用的转发时隙；

b.F-AP统计过去一个转发周期内每个周期性业务队列数据包到达数量占所有业务数据包总数量的比例，周期性业务1到K对应的比例记为p₁,…,p_K；

c.F-AP按照顺序为周期性业务队列安排转发时隙，根据p₁,…,_K计算每个队列需要占用的时隙数量，表示为M₁,M₂,…,M_K，其中第k个队列占用的时隙数量

转发时间表中，按照转发顺序，第一个转发的队列占用第1到第M₁个时隙；第二个转发的队列占用第(M₁+1)到第(M₁+M₂)个时隙，以此类推，完成转发时间表的计算。时间表可以以矩阵方式存储，如图6所示，由K行M′列0,1变量组成，每一行代表按照优先级P₁到P_K排列的周期性业务队列，每一列分别对应当前转发周期的第1到第M′个时隙，假设当前处于转发周期的第m′个时隙，若时间表矩阵的第m′列中对应第P_k行的元素为1，则表示第k个队列可以在第m′个时隙转发数据，并且在标记为0的时隙停止转发数据。此外，转发周期性队列数据包实际占用的时隙数量

步骤43，在当前转发时隙，F-AP基于优先级和转发时间表选择业务数据转发的具体操作步骤包括：

a.在前M′个传输时隙，首先检查是否存在有待传输的事件触发类型业务，若有则处理转发此类业务数据。若没有，则按照时间表转发周期性业务队列的数据；

b.在一个转发周期中的后(M-M′)个时隙内，每个时隙开始时先检查是否存在待转发的事件触发业务数据，若有则先处理转发此类业务数据，若没有则转发eMBB业务队列中的数据。当前转发周期的第M个时隙结束后，进入下一个转发周期。

此外，步骤4中，对于时延要求极低的业务或者紧急的事件触发业务，F-AP将相关数据转发至它的边缘处理器进行数据处理和计算。

步骤5，在每个业务调度周期末尾，F-AP检查已分配资源的每个周期性业务的状态，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源，并对集合Z进行必要的更新。

其中，业务的状态包括资源授权是否已超过有效期T₄、请求业务的设备是否已脱离小区、业务是否完成。

其中，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源的步骤具体包括：当资源授权超过有效期或设备已脱离小区或业务已完成，则进行资源释放。若设备已离开小区，则F-AP直接将先前分配给设备的子信道资源加入集合Z；若设备当前仍接入FAP，则FAP向该设备发送释放信令，控制设备进行半静态调度资源的释放。

根据本实施例的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，利用F-AP的存储、处理和转发能力，根据工业物联网场景中不同类型业务的时延需求特征，在无线资源调度阶段采用了半静态调度和动态调度相结合的无线资源调度方案，而在数据转发阶段，则结合了基于优先级转发和时间感知转发的方式，从而在整体上保证了各业务的时延需求，能够很好的满足不同类型业务的混合调度和处理转发，保证周期性业务的低时延抖动和非周期关键业务的超低时延。特别地，对于有极低时延要求的周期性业务或者关键的事件触发业务，可以直接在F-AP处的边缘服务器中完成数据的计算处理，进一步降低了时延，改善了网络性能。本发明可用来应对物联网中多种时延需求差异化业务共存的场景，有效改善网络的时延和抖动性能。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，各物联网设备根据预设的接入准则完成雾计算接入点接入，雾计算接入点初始化无线资源配置参数Ω₀、Ω₁、Ω₂、Z，Ω₀为雾计算接入点可用的用于上行数据传输的子信道的编号集合，Ω₁和Ω₂分别为雾计算接入点预留给周期性业务的子信道集合和雾计算接入点预留给增强型移动宽带业务的子信道集合，且满足Ω₀＝Ω₁∪Ω₂，Z为Ω₁中未被周期性业务占用的子信道集合，物联网设备分包括周期性业务设备、非周期但具有关键优先级的业务设备、增强型移动宽带业务设备；

步骤2，在资源池划分周期T₁初始时，若其为首个资源划分周期，则执行步骤3，否则各雾计算接入点根据过往的m个业务调度周期T₂内的周期性业务请求比例对子信道资源池Ω₀进行重划分；

步骤3，在调度周期T₂初始时，物联网设备向所接入的雾计算接入点发送业务调度请求，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案，同时记录该调度周期收到的业务请求总数以及周期性业务请求总数；

步骤4，雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息，物联网设备接收到来自雾计算接入点的信息后，使用相应的无线资源上传数据，然后雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据；

步骤5，在每个业务调度周期末尾，雾计算接入点检查已分配资源的每个周期性业务的状态，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源，并对集合Z进行必要的更新。

2.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤2中，资源池划分周期T₁与业务调度周期T₂满足T₁＝mT₂，并且雾计算接入点预先设置了半静态调度的授权有效期为T₃；步骤2中，对子信道资源池Ω₀进行重划分的步骤具体包括：雾计算接入点首先计算之前的m个调度周期内周期性业务请求次数占所有业务请求次数的比例p₀，接着预留给周期性业务的子信道个数可定为

其中N为系统所有的子信道个数，最后从集合Ω₀中选取N₁个子信道构成集合Ω₁，其余子信道构成集合Ω₂。

3.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤3中，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案的步骤具体包括：

对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道；

对于事件触发型的关键优先级业务，雾计算接入点从集合D＝Z∪Ω₂中按照轮询的方式为每个业务分配当前集合中信道条件最好的子信道，每次分配完成后将分配的子信道从集合D中删去；

上述步骤完成后，若集合Ω₂此时非空，则将集合中的剩余资源采用轮询方式分配给各增强型移动宽带业务，直到资源全部分配完为止。

4.根据权利要求3所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道的步骤具体包括：

雾计算接入点根据业务周期和最大可容忍时延确定调度优先级，周期短的业务具有更高优先级，若业务周期相等，则最大可容忍时延低的业务具有较高优先级；

雾计算接入点基于周期性业务的优先级为每个业务逐个分配子信道资源：首先根据信道状态信息计算集合Z中每个子信道z的传输速率r_z，然后根据业务数据量大小b和调度周期T₂计算需要满足的最低数据传输速率

接着从集合Z中对子信道逐个无放回抽取，直到抽取的所有子信道的传输速率和大于R，这些子信道即为分配给当前业务的无线资源，且每次分配完成后，将已分配的子信道从集合Z中删去，若集合中的资源无法满足某个业务的速率需求，则资源分配失败，集合Z不变，接着开始分配下一优先级业务的资源。

5.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤4中，调度请求成功的设备指：对于周期性业务设备，其传输速率需求得到满足；而对于其余设备，只要其请求的业务获得了子信道资源即视为调度请求成功：

雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息包括允许接入的确认信息、雾计算接入点为设备分配的子信道在频带中的位置/编号，其中，在为周期业务设备发送的信息中还包含无线资源授权的有效期T₄，满足T₄＝min(nT_min，T₃)，其中，n表示到当前所处资源划分周期结束前剩余的资源调度周期个数，T_min表示最小的业务调度周期，T₃表示雾计算接入点为周期性设备预先设置的半静态调度授权期限，为业务调度周期的整数倍，且小于资源划分周期，当收到授权信息的周期业务的设备在T₄时间段内需再次发送数据时，无需提交调度请求，在此次分得的无线资源上传输即可；

雾计算接入点为各周期性业务分别创建并维持一个队列，雾计算接入点计算周期性业务队列的转发时间表，基于时间感知控制各队列中数据的传输或者禁用，而在事件触发业务、周期性业务和增强型移动宽带业务间则采用基于优先级的转发。

6.根据权利要求5所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤4中，雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据的步骤具体包括步骤41～步骤43：

步骤41，雾计算接入点为不同类型的业务数据包创建队列，并为队列确定优先级，具体包括：

步骤42，定义转发周期T₅，并将T₅划分为M个时隙，其中为周期性业务保留前M′个时隙，在这些时隙中，雾计算接入点基于一个时间表进行周期性业务队列的数据转发，转发时间表规定了允许周期性业务队列数据进行转发的时间，对于转发周期中的剩余时隙，雾计算接入点用来转发增强型移动宽带业务的业务数据，最后，事件触发业务数据优先抢占转发周期中的任意时隙：

步骤43，在当前转发时隙，雾计算接入点基于优先级和转发时间表选择业务数据转发。

7.根据权利要求6所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于：

步骤41具体包括：

将事件触发类型数据包安排在同一队列中，此队列在转发中具有最高优先级P₀；

为每个周期性业务创建并维持一个队列，低业务周期的队列具有更高的优先级，假设有共K个业务，则优先级满足P₀＞P₁＞P₂＞…P_K；

将增强型移动宽带业务安排到同一队列中，此数据队列具有最低优先级P_K+1，即P₀＞P₁＞P₂＞…P_K＞P_K+1；

步骤42中，转发时间表的计算方式具体包括：

雾计算接入点首先安排时间表中周期性业务队列的传输顺序；

雾计算接入点统计过去一个转发周期内每个周期性业务队列数据包到达数量占所有业务数据包总数量的比例，周期性业务1到K对应的比例记为p₁，…，p_K；

雾计算接入点按照顺序为周期性业务队列安排转发时隙，根据p₁，…，p_K计算每个队列需要占用的时隙数量，表示为M₁，M₂，…，M_K，其中第k个队列占用的时隙数量

转发时间表中，按照转发顺序，第一个转发的队列占用第1到第M₁个时隙；第二个转发的队列占用第(M₁+1)到第(M₁+M₂)个时隙，以此类推，完成转发时间表的计算，时间表以矩阵方式存储，由K行M′列0，1变量组成，每一行代表按照优先级P₁到P_K排列的周期性业务队列，每一列分别对应当前转发周期的第1到第M′个时隙，假设当前处于转发周期的第m′个时隙，若时间表矩阵的第m′列中对应第P_K行的元素为1，则表示第k个队列可以在第m′个时隙转发数据，并且在标记为0的时隙停止转发数据，此外，转发周期性队列数据包实际占用的时隙数量

步骤43具体包括：

在前M′个传输时隙，首先检查是否存在有待传输的事件触发类型业务，若有则处理转发此类业务数据，若没有，则按照时间表转发周期性业务队列的数据；

在一个转发周期中的后(M-M′)个时隙内，每个时隙开始时先检查是否存在待转发的事件触发业务数据，若有则先处理转发此类业务数据，若没有则转发增强型移动宽带业务队列中的数据，当前转发周期的第M个时隙结束后，进入下一个转发周期。

8.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤5中，业务的状态包括资源授权是否已超过有效期T₄、请求业务的设备是否已脱离小区、业务是否完成；

步骤5中，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源的步骤具体包括：

当资源授权超过有效期或设备已脱离小区或业务已完成，则进行资源释放，若设备已离开小区，则雾计算接入点直接将先前分配给设备的子信道资源加入集合Z；若设备当前仍接入雾计算接入点，则雾计算接入点向该设备发送释放信令，控制设备进行半静态调度资源的释放。

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