CN111556455B - 一种基于边缘计算的超窄带物联网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，属于超窄带物联网技术技术领域，包括传输组网层、信息服务层模块、应用层、安全保密系统和运维系统，其中，传输组网层包括低功耗超窄带物联网、星地一体组网及空地一体宽窄融合组网，用于战场传感设备提供广域窄带覆盖，提供低速率传输要求的关键信息传输手段；低成本、低功耗自主知识产权的超窄带物联网芯片技术，以超窄带物联网芯片为基础，实时管理的星天地一体战场敌后特战侦察信息网络基础架构应用需求，同时可扩展并广泛应用于各种短数据要求战时万物智联场景，例如战场微尘、生化、武器装备管理、物资调度等；在战场边缘打造面向局部范围的智能化新型泛在物联网作战预警和空中指挥系统。

Description

一种基于边缘计算的超窄带物联网系统
技术领域
本发明涉及超窄带物联网技术领域，特别涉及一种基于边缘计算的超窄带物联网系统。
背景技术
随着物联网技术向纵深发展，人与物、物与物之间的信息交换和网络通信逐渐成为现实，尤其是在射频识别技术、二维条码技术和智能传感技术等领域取得突破，推动军事物联网雏形初步显现。未来战争信息化战场取胜的关键是要尽可能地保持信息优势，而军事物联网可在战场感知与控制、可视化后勤保障、无障碍联合作战等诸多方面得到具体应用，成为破除战争迷雾的绝佳利器。
当前窄带物联网技术包括LoRa、SigFox、NB-IoT等技术，然而NB-IoT沿用与4G LTE技术体制在网络部署开销、功耗、成本方面相比LoRa都有较大不足，市场上也仍然需要工作于非授权频段的、更灵活部署的小型专用窄带物联网技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，包括传输组网层、信息服务层模块、应用层、安全保密系统和运维系统，其中，传输组网层包括低功耗超窄带物联网、星地一体组网及空地一体宽窄融合组网，用于战场传感设备提供广域窄带覆盖，提供低速率传输要求的关键信息传输手段，通过超窄带物联网传感器获取战场环境信息，经过UNB网关边缘计算智能化处理后，将必要信息可以跨域传输回指挥所。
进一步地，所述的信息服务层模块包括实时信息服务模块和全域信息服务模块，用于多样的信息传输服务，支持上层不同实时及传输速率要求的应用需求，支撑安全可靠的敌后特战侦察实时信息传输服务。
进一步地，所述的应用层包括管理精细化模块、感知精确化模块、物质可视化模块、连接泛在化模块和数据智能化模块，用于为战时提供安全、实时物联网信息传输，以及智能化信息处理的基础架构能力，实现战场信息精确化感知、人员物资状态可视化，多维度智能化地支撑精细化管理。
进一步地，所述的安全保密系统用于进行边缘智能化处理后可通过北斗短报文回传后方指挥所，所述的运维系统用于融合无人机、5G/B5G及窄带物联网技术，构建一个覆盖全球的地海空全域物联网体系。
进一步地，低功耗超窄带物联网采用FSK、MSK成熟恒模无线调制解调技术，通过扩频、低复杂度编码等信号处理技术增强无线传输性能，通过瘦、富节点与开放式协议架构，直接与云端平台连接，提供多样化服务接口，对射频前端处理、协议处理进行芯片封装，形成自主化核心芯片。
进一步地，低功耗超窄带物联网包括终端、中继、网关，中继、网关通过UNB空中接口与终端通过空地一体宽窄融合组网方式连接，中继与网关间通过UNB 中继空中接口连接，用于群组中继或覆盖延伸，UNB中继具有实现信号一跳中继，扩展覆盖距离。
进一步地，终端需要后台一次交互的数据比较少，周期比较长，所以在没有数据交互的状态下，终端在大部分情况下可处于休眠状态，只有在有数据上报的时候才进入激活态，并定义四种低功耗类型：TypeA、TypeB、TypeC和TypeD对应四种使用场景。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，低成本、低功耗自主知识产权的超窄带物联网芯片技术，以超窄带物联网芯片为基础，主要面向特战侦察人员、装备、物资、设备、设施等安全、实时管理的星天地一体战场敌后特战侦察信息网络基础架构应用需求，同时可扩展并广泛应用于各种短数据要求战时万物智联场景，例如战场微尘、生化、武器装备管理、物资调度等；融合北斗短报文定位系统，构建星天地一体战场敌后特战侦察信息网络体系，推动军队实时物联网科技发展；空地一体、宽窄融合智能边缘处理技术，融合无人机、5G/B5G及窄带物联网技术，发挥无人机战术灵活性满足战时苛刻的实时要求，在战场边缘打造面向局部范围的智能化新型泛在物联网作战预警和空中指挥系统。
附图说明
图1为本发明的基于边缘计算的超窄带物联网系统架构；
图2为本发明的超窄带物联网系统总体架构；
图3为本发明的不同使用场景的边缘计算部署及云的关系图；
图4为本发明的智能边缘参考架构；
图5为本发明的智能边缘计算。
图中：1、传输组网层；11、低功耗超窄带物联网；12、星地一体组网；13、空地一体宽窄融合组网；2、信息服务层模块；21、实时信息服务模块；22、全域信息服务模块；3、应用层；31、管理精细化模块；32、感知精确化模块；33、物质可视化模块；34、连接泛在化模块；35、数据智能化模块；4、安全保密系统；5、运维系统。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
实施例一：
请参阅图1，一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，包括传输组网层1、信息服务层模块2、应用层3、安全保密系统4和运维系统5，其中，传输组网层1包括低功耗超窄带物联网11、星地一体组网12及空地一体宽窄融合组网13，用于战场传感设备提供广域窄带覆盖，提供低速率传输要求的关键信息传输手段，通过超窄带物联网传感器获取战场环境信息，经过UNB网关边缘计算智能化处理后，将必要信息可以跨域传输回指挥所。
信息服务层模块2包括实时信息服务模块21和全域信息服务模块22，用于多样的信息传输服务，支持上层不同实时及传输速率要求的应用需求，支撑安全可靠的敌后特战侦察实时信息传输服务。
应用层3包括管理精细化模块31、感知精确化模块32、物质可视化模块33、连接泛在化模块34和数据智能化模块35，用于为战时提供安全、实时物联网信息传输，以及智能化信息处理的基础架构能力，实现战场信息精确化感知、人员物资状态可视化，多维度智能化地支撑精细化管理。
安全保密系统4用于进行边缘智能化处理后可通过北斗短报文回传后方指挥所。
运维系统5用于融合无人机、5G/B5G及窄带物联网技术，构建一个覆盖全球的地海空全域物联网体系。
低功耗超窄带物联网11采用FSK、MSK成熟恒模无线调制解调技术，通过扩频、低复杂度编码等信号处理技术增强无线传输性能，通过瘦、富节点与开放式协议架构，直接与云端平台连接，提供多样化服务接口，对射频前端处理、协议处理进行芯片封装，形成自主化核心芯片，最终实现全系统自主可控。
请参阅图2，低功耗超窄带物联网11包括终端、中继、网关，中继、网关通过UNB空中接口与终端通过空地一体宽窄融合组网13方式连接，中继与网关间通过UNB 中继空中接口连接，用于群组中继或覆盖延伸，UNB中继具有实现信号一跳中继，扩展覆盖距离。
为战场传感设备提供广域窄带覆盖，为特战侦察狙击手等深入敌后作战人员提供低速率传输要求的关键信息传输手段，同时融合北斗短报文，可实现在无宽带网络条件下，通过超窄带物联网传感器获取的敌情、我情和战场环境信息，经过UNB网关边缘计算智能化处理后，将必要信息可以跨域传输回指挥所。
终端间支持脱网连接，终端间在脱网模式可进行终端间直接连接，以增加网络抗毁能力，网关、中继通过UNB空中接口与终端通过星状组网方式连接，中继与网关间通过UNB中继空中接口连接，中继设备对终端相当于网关，对网关相当于终端，可用于群组中继或覆盖延伸，UNB中继具有实现信号一跳中继，扩展覆盖距离，体积小，重量轻，易于背负部署等特点，UNB网关具有高性能、远覆盖，多并发、高容量接入，智能边缘计算，高质量和高可靠性等特点。
超窄带物联网通过超窄带无线技术优势，具备较高无线信号接收灵敏，可为战场传感设备提供广域窄带覆盖，用于传输低速率要求的关键信息，同时融合北斗短报文，可实现信息跨域传输，在战场边缘，可进一步结合军用4G/5G技术及无人机升空平台，搭建宽窄融合、空地一体智能边缘通信系统，高带宽数据可由无人机升空平台回传前方指挥所，特战侦察狙击手等深入敌后的战场极端应用中，必要战场传感数据经由单兵背负简易小型化UNB中继/网关设备，进行边缘智能化处理后可通过北斗短报文回传后方指挥所，最终实现战场信息精确化感知、人员物资状态可视化，多维度智能化地支撑精细化管理，全面提高作战效能，最终通过建立传输网泛在、跨域连接及全域智能化的信息服务，为星天地一体战场提供安全可靠的精确化感知、可视化人员物资管理，实现作战精细化管理。
实施例二：
终端需要后台一次交互的数据比较少，周期比较长，所以在没有数据交互的状态下，终端在大部分情况下可处于休眠状态，只有在有数据上报的时候才进入激活态，并定义四种低功耗类型：TypeA、TypeB、TypeC和TypeD对应四种使用场景；
类型名称 工作状态 使用场景
TypeA 终端在有数据发送的情况下，打开射频模块，发送数据，发送完成后，打开两个接收窗口，接收数据，之后进入睡眠 采集类终端，应用于数据采集周期较长且电池一次性使用时间要求比较高（10年）的场景
TypeB 通过预定资源实现双向传输，周期性自唤醒接收控制信息 控制类终端，应用于需要随机进行下行控制类命令交互，并且一个网关下终端数量密集，对电池一次性使用时间5年以内的终端
TypeC 周期性自唤醒，通过周期内控制信息检查唤醒 控制类终端，应用于需要随机进行下行控制类命令交互，并且一个网关下终端数量稀疏，对电池一次性使用时间在5年以内
TypeD 一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭 控制类终端，应用于需要实时随机进行下行控制类命令交互，并且能够进行供电的终端（如平台搭载终端）
这样就可以覆盖从低功耗采集到实时采集不同的终端类型和使用场景。
实施例三：
请参阅图3，在战场边缘，可构建宽窄融合、空地一体智能边缘通信系统，高带宽数据可由无人机升空平台回传前方指挥所，特战侦察狙击手等深入敌后的战场极端应用中，战场传感数据经由单兵背负简易小型化UNB中继/网关设备，进行边缘智能化处理后可通过北斗短报文回传后方指挥所，实现战场信息精确化感知、人员物资状态可视化，多维度智能化地支撑精细化管理；
其中，场景1（从控制层到应用层均部署于边缘）具备最低时延、最高边缘处理复杂度的特征，因此最适合用于战场边缘实时性要求高、数据处理主要以局域数据处理为主的场景。而对后勤类时延要求较低，信息处理量较大的场景，则可使用场景2或3的部署方式。
请参阅图4，参考框架两边灰色柱状栏为贯穿整个物联网边缘计算参考架构的跨层视图，包含性能、安全、管理、数据分析及IT业务及边缘计算交叉应用。另外从上至下依次为软件架构视图，包括应用服务层、应用支撑层、节点管理平台&软件平台层；硬件架构视图，由参考架构的中间层表示，包括通过硬件平台基础设施向下的硬件虚拟化。边缘节点通过底层的传感器和执行器进行数据采集、数据归一化，以及控制命令执行等。处于边缘层的计算节点负责数据过滤、压缩和转换，并且提供关键实时或近实时处理所需的一些边缘分析。在更高层或最接近云端的节点通常集中于聚合数据并将数据转化为知识，完成数据知识的提取，将大容量数据转化为低速率、短报文数据；
物联网边缘计算是一种分散式运算的架构，将应用程序、数据资料与服务的运算，由网络中心节点，移往网络逻辑上的边缘网关节点来处理。边缘运算将原本完全由中心节点处理大型服务加以分解，切割成更小与更容易管理的部分，分散到边缘网关节点去处理。本发明中战场传感数据经由特战侦察狙击手等深入敌后单兵背负简易小型化UNB中继/网关设备，进行边缘智能化处理后可通过北斗短报文回传后方指挥所。
请参阅图5，全域物联网中，边缘网关节点所处的环境复杂，资源受限，对信息处理时延敏感，需要利用轻量级容器实现资源的适配和调度，默认的容器调度策略调度方式单一，适配计算方法简单，如何在网络资源受限，信息实时处理的情况下研究应对不同战场情况的自适应且高度抽象的轻量级容器调度策略，以实现充分利用边缘网关节点资源和支撑业务功能链灵活编排。
实施例四：
战场监视地面传感器系统：
将各类UNB传感器布设于敌人活动地区，如可能通过的道路上，全天候监视目标活动事件。常用传感器有声音、震动、磁等传感器，这些传感器集成超窄带UNB物联网芯片，纳入星空地一体化物联网架构。
UNB传感器一旦判断发生了异常事件，即可发出信息上报，利用无线通信，向后方地面基站或无人机基站汇总结果。无人机基站可通过北斗系统，将核心信息跨区域回传到总部，也可以通过机载无线系统，将探测结果回传到较近的指挥部。
无人机机载系统具备一定能力的边缘计算功能，对信息的分类及预警做出初步的判断，指挥部远程进行更为详细的分析和判断，系统可以识别不同类型的车辆、人员等信息。
实施例五：
单兵状态监测系统
体域网是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术，战场上，集成UNB传感器的体域网可以用来监测单兵生死、体能状态、甚至心理状态等多种信息，对战场伤病员定位搜救和身份确认具有重要意义，有效降低战场死亡率，同时，网络范围略微延展，即可将人体和随身的装备组成一个更为复杂的、围绕单兵的局域网络，毫无疑问，如果可以把体域网纳入星天地一体战场信息网络基础架构中，则可以把侦察甚至指挥的触角，直接延伸到单兵。
实施例六：
通过星天地一体战场物联网基础架构，UNB智能微尘的战场投放和信息回传，将变得更加灵活，通过无人机空投、炮击抛洒等方式，布置战场微尘。微尘其中的全部或部分种子节点带有超窄带UNB物联网芯片，承担信息回传任务。微尘处于隐蔽模式时，仅激活传感器部分，进行信息侦测与采集。微尘彼此之间，构成自组织网络，有限距离下进行信息交互，将信息向种子节点汇聚。当无人机基站进入通信范围时，通过特殊指令，激活种子节点的对外发射功能，并形成完整的星天地一体战场物联网，种子节点将已经收集到的信息，回传到基站无人机，并进一步回传总部。
实施例七：
将带有超窄带UNB物联网芯片的传感器集成到特战人员武器上，例如枪械等，传感器监测器具的工作状态以及延伸信息，通过超窄带UNB物联网将信息回传到无人机基站上。通过该系统，可实时掌握目标武器的位置、状态信息。
实施例八：
战场物资管理，特点是流动性大，需要快速的盘点和处理能力。物资中嵌入超窄带UNB物联网芯片，即可对物资的位置和状态进行上报，进而推动建设“全资产可视化”物资管理系统，实现由“储备式后勤”向“配送式后勤”转变，为解决后勤保障的“资源迷雾”和“需求迷雾”提供重要技术方案，保障物资有破损时，可主动向修理机构汇报损伤情况，前方急需物资时，也会“主动请缨”上战场，在物资的使用、流转全过程中，实现实时监控。
综上所述：本基于边缘计算的超窄带物联网系统，低成本、低功耗自主知识产权的超窄带物联网芯片技术，以超窄带物联网芯片为基础，主要面向特战侦察人员、装备、物资、设备、设施等安全、实时管理的星天地一体战场敌后特战侦察信息网络基础架构应用需求，同时可扩展并广泛应用于各种短数据要求战时万物智联场景，例如战场微尘、生化、武器装备管理、物资调度等；融合北斗短报文定位系统，构建星天地一体战场敌后特战侦察信息网络体系，推动军队实时物联网科技发展；空地一体、宽窄融合智能边缘处理技术，融合无人机、5G/B5G及窄带物联网技术，发挥无人机战术灵活性满足战时苛刻的实时要求，在战场边缘打造面向局部范围的智能化新型泛在物联网作战预警和空中指挥系统。
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。

Claims (7)

1.一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，包括传输组网层(1)、信息服务层模块(2)、应用层(3)、安全保密系统(4)和运维系统(5)，其中，传输组网层(1)包括低功耗超窄带物联网(11)、星地一体组网(12)及空地一体宽窄融合组网(13)，所述的信息服务层模块(2)包括实时信息服务模块(21)和全域信息服务模块(22)，所述的应用层(3)包括管理精细化模块(31)、感知精确化模块(32)、物质可视化模块(33)、连接泛在化模块(34)和数据智能化模块(35)，低功耗超窄带物联网(11)采用FSK、MSK成熟恒模无线调制解调技术，低功耗超窄带物联网(11)包括终端、中继及网关，所述低功耗超窄带物联网(11)的低功耗类型包括TypeA、TypeB、TypeC和TypeD分别对应的四种使用场景。
2.如权利要求1所述的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，所述实时信息服务模块(21)和全域信息服务模块(22)，用于多样的信息传输服务，支持上层不同实时及传输速率要求的应用需求，支撑安全可靠的敌后特战侦察实时信息传输服务。
3.如权利要求1所述的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，所述管理精细化模块(31)、感知精确化模块(32)、物质可视化模块(33)、连接泛在化模块(34)和数据智能化模块(35)，用于为战时提供安全、实时物联网信息传输，以及智能化信息处理的基础架构能力，实现战场信息精确化感知、人员物资状态可视化，多维度智能化地支撑精细化管理。
4.如权利要求1所述的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，所述安全保密系统(4)用于进行边缘智能化处理后可通过北斗短报文回传后方指挥所，所述的运维系统(5)用于融合无人机、5G/B5G及窄带物联网技术，构建一个覆盖全球的地海空全域物联网体系。
5.如权利要求1所述的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，所述低功耗超窄带物联网(11)通过扩频、低复杂度编码信号处理技术增强无线传输性能，通过瘦、富节点与开放式协议架构，直接与云端平台连接，提供多样化服务接口，对射频前端处理、协议处理进行芯片封装，形成自主化核心芯片。
6.如权利要求1所述的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，所述中继、网关通过UNB空中接口与终端通过空地一体宽窄融合组网(13)方式连接，中继与网关间通过UNB中继空中接口连接，用于群组中继或覆盖延伸，UNB中继具有实现信号一跳中继，扩展覆盖距离。
7.如权利要求6所述的一种基于边缘计算的超窄带物联网系统，其特征在于，所述终端需要后台一次交互的数据比较少，周期比较长，所以在没有数据交互的状态下，终端在大部分情况下可处于休眠状态，只有在有数据上报的时候才进入激活态。
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