CN114223183A - 为工业通信系统提供网络协作的方法 - Google Patents
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Abstract
一种为具有多网络切片的工业通信系统提供网络协作的方法，该方法包括：计算工业通信系统中的节点的中心度；‑将具有相似的节点的中心度的节点分组为簇；‑选择负责簇的成员的资源分配的每个簇的簇头；以及‑计算簇中心度的中心度度量，以使工业通信系统协作。
Description
技术领域
本发明涉及工业通信系统(ICS)的网络协作(network orchestration)，更具体地，涉及工厂自动化的协作技术和架构。
背景技术
在现有技术的工业控制系统中，使用作为工厂的不同部件、传感器、执行器和控制器之间的通信主干的无线以及最终有线通信基础设施。
这种ICS系统包含多个网络节点，例如Wi-SUN节点和WiFi节点，以及连接到网络节点的多个传感器和执行器。一些网络节点采集传感器信息，并且将其传输到充当数据采集器的网关，然后将其传输到控制器。其它节点最终将命令从控制器传输到网络中的执行器。在这种情况下，ICS系统中的两个网络切片(用于传输控制器命令的超可靠低时延通信(URLLC)网络切片和用于从传感器采集数据的超密集IoT)通常共存。
在现有技术中，这种工业网络的设计的一个重要方面是ICS系统中的介质访问控制策略。典型的介质访问控制策略包括以下策略：
-基于竞争的介质访问(MAC)策略，其中节点竞争资源，
-基于调度的访问策略，其中针对节点定义使基于竞争的策略所固有的分组冲突最小化的访问调度。
基于竞争的介质访问控制对于拓扑变化(即，增加/移除节点)具有灵活性，但是这种优点是以网络中由于不同节点的分组之间的冲突而导致的附加干扰为代价。另一方面，基于调度的策略(即，定义节点传输的时间/频率传输调度的TDMA/FDMA)不太灵活。实际上，基于调度需要中心化式规划，这导致低灵活性，即每当向网络添加新节点或从网络移除新节点时都会重复规划。
在这点上，具有有线和无线访问的工业网络的现有技术水平将基于竞争的MAC策略应用于ICS的无线网络部分，并将TDMA/FDMA MAC策略应用于ICS的有线网络部分。在现有技术中，ICS的协作处理包括定义路由和管理处理，即访问策略，其相关规划参数(例如基于竞争的策略的回退和TDMA/FDMA系统的时隙分配)，以及在异构部署的情况下无线网络的路由和最终频率分配。因此，现有技术水平的协作器为中心化式的，其从工业网络接收信息，并针对主干网络建立控制平面，即工业网络的不同节点中的转发规则以及节点的访问和传输策略。
工厂自动化的传统MAC技术包括将ICS的无线部分中的基于竞争的MAC与ICS的有线部分中的基于调度的MAC(TDMA)结合。然而，这种传统MAC技术的协作意味着基于竞争和调度的介质访问技术的联合规划，这会导致复杂并且不可扩展的管理，因为每当网络的拓扑改变时，应当重新规划TDMA时隙。此外，主干网络的设计涉及基于组斯坦纳树路由的复杂技术。
因此，当选择基于竞争的MAC时，数据采集的延迟以及将控制命令传送到执行器的延迟增加。当选择基于调度的MAC时，整个协作器将不灵活，因为在考虑添加新节点时应当调整基于调度的系统的资源和各种参数。根据主干设计和协作原理，众所周知的是找到最优最小斯坦纳树是复杂的操作。
发明内容
本发明旨在改善这种情况。
在这点上，根据本发明的一个方面，提供了一种为具有多网络切片的工业通信系统(ICS)提供网络协作的方法，所述方法包括：
-计算工业通信系统中的节点的中心度；
-将具有相似的节点的中心度的节点分组为簇；
-选择每个簇的簇头，簇头负责簇的成员的资源分配；以及
-计算簇中心度的中心度度量，以使工业通信系统协作。
通过这种方法，ICS系统的协作得到优化。一方面，我们可以通过最终采用多种技术的节点实现传感器数据的快速采集的优化目标，特别是朝向网关的大量传感器数据分组的拥塞避免快速路由。另一方面，我们还可以实现执行器命令的快速传输的优化目标，特别是通过具有超低时延的路径传输命令。路径最终由采用不同技术的节点形成。
在一个实施方式中，根据本发明的方法还包括：
-基于所计算的中心度度量向簇分配资源；以及
-协调每个簇的节点之间的传输。
利用这种布置对节点进行分簇，以减少来自传感器或朝向执行器的分组传输之间的冲突。
另选地，将具有相似中心度的节点分组为簇包括使用K-means技术基于节点的中心度对节点进行分簇，其中，K-means计算簇中的中间性中心度的本地均值，如果节点的中间性中心度接近簇的本地均值中心度，则将该节点添加到簇中。
另选地，根据本发明的方法的簇中心度计算为：
-簇的节点的中间性中心度的均值；
-对簇的节点具有最大接近性中心度的节点的中间性中心度；
-簇头的中间性中心度；和/或
-连接到相邻簇的节点的中间性中心度。
在这种情况下，可以以各种方式计算簇中心度，以便于计算。
另选地，根据本发明的方法的资源包括：
-用于数据采集和/或控制命令传输的传输时隙；
-对应于OFDM系统的功率和频率资源块；
-对应于空间分集资源的天线；和/或
-具有冲突避免的载波侦听多址(CSMA/CA)介质访问控制的最大回退和其它参数，例如能量检测ED参数，其中如果接收到足够的能量则检测节点。
在这点上，可以考虑各种资源，以便于资源分配。
另选地，基于所计算的中心度度量向簇分配资源包括针对具有不同中心度的簇选择不同的传输频带和带宽，其中，针对更中心的节点选择更高的传输带宽，以减轻从传感器进行数据采集期间的拥塞。
另选地，协调每个簇的节点之间的传输还包括：
-由簇头向节点发送协调信息，并且由节点使用协调信息来协调与簇的其它节点的传输；
-由簇头在簇中评估其每个节点的本地中心度，并且基于本地中心度向节点传输协调信息，以协调节点的传输；
-由每个簇内的节点获得公共协调参数，以及使用公共参数来协调簇中的传输，其中，公共参数例如是将被用于执行时分多址传输(TDMA)的公共时间/频率基准。
因此，每个簇的节点之间的传输以更有效的方式进行协调。
在另一实施方式中，根据本发明的方法的节点中心度由中间性中心度公式表征：
其中，σi,j由工业通信系统的从节点i到节点j的最短路径的数量定义，并且σi,j(v)由工业通信系统的节点v所贡献的最短路径的数量定义。
在另一实施方式中，根据本发明的方法的节点中心度由以下接近性中心度公式表征：
其中，变量dv,i是节点v与来自集合N(v)的节点i之间的距离，并且具有较高接近性中心度的节点v是不在集合N(v)的边界处并且与集合N(v)中的每个其它节点的距离较小的节点。
在另一实施方式中，中心度度量是节点的中间性与接近性中心度的乘积，其由以下公式表征：
λ(v)＝B(v)CD(v).
在又一实施方式中，根据本发明的方法还包括：
-获得表征作为选定簇头的集合的终端集合P的中心度的中心度度量；
-选择具有较高中心度度量值的斯坦纳节点；
-将具有斯坦纳节点和来自所述终端集合P的终端节点之间的最低时延的连接添加到斯坦纳树，并且将斯坦纳节点添加到终端节点；以及
-测试所构建的树是否跨越网络。
另选地，具有较高中心度度量值的斯坦纳节点包含较高中间性中心度并且靠近所有非终端节点，这表示网络节点不在终端集合P中。
此外，中间性中心度由以下公式表征：
其中，参数Ps(w)是给定节点w朝向汇聚节点(sink node)的直接前趋集合(directpredecessors set)，并且通过例如广度优先图形遍历技术(BFS)或深度优先搜索(DFS)的图形遍历技术获得。这些遍历技术确定工业通信系统中的节点的任何耦合之间最短路径的数量；并且σsv和σsw分别是从节点v和节点w到网络的节点s的最短路径的数量，并且δs(w)是从源s到路径上的节点w的累积中心度度量，也即，例如，当节点w为源(即，传感器或目标(即，执行器))时定义为“0”。
中心度度量由以下公式表征：
其中，d(v,w)是网络中的节点v和w之间的距离。
通过种布置，簇间的主干网络得到优化，使得通往网关的传输或来自网关的传输的延迟得到最小化。
根据本发明的另一方面，还提供了一种为具有多个网络切片的工业通信系统(ICS)提供网络协作的协作器，所述协作器被配置为：
-计算工业通信系统中的节点中心度；
-将具有相似节点中心度的节点分组为簇；
-选择负责簇成员的资源分配的每个簇的簇头；以及
-计算簇中心度的中心度度量，以使工业通信系统进行协作，
根据本发明的又一方面，还提供了一种具有多网络切片的工业通信系统，所述工业通信系统包括上述协作器。
因此，本发明通过提出用于ICS系统的无线电访问的基于中心度的协作技术，提出了对具有多网络切片的ICS系统的优化问题的解。本发明的核心理念是利用ICS中节点的中心度来形成协调节点的访问和传输的簇，并且建立以低时延使簇互连的主干网络。将ICS中具有相同中心度的节点分簇到同一簇中，并且提出了一种新的基于结合的中间性中心度和接近性中心度的斯坦纳树设计。
得益于本发明，协作系统的这些组件提高了整体可扩展性，并降低了ICS中管理的复杂性。
参照附图，本发明的其它特征和优点将出现在下文的描述中。
附图说明
图1示出了根据本发明的工业控制系统。
图2示出了ICS连接的抽象。
图3示出了从ICS系统中从节点分组的簇。
图4是根据本发明的例示性方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了工业通信系统(ICS)，其包括：能够发射或接收无线数据的多个工业传感器s1至s4和执行器a1至a4，其中传感器s1、s2和执行器a1、a2安装在机器M1上，并且传感器s3、s4和执行器a3和a4安装在机器M2上；多个无线节点(例如Wi-SUN ws1至ws8和WiFi节点w1至w8)，其例如在IEEE 802.15.4标准下的900MHz下或IEEE 802.11标准下的2.5GHz下工作；以及网关GW和控制器C。其中，无线节点可以从传感器接收无线数据并且将该数据发送到网关GW，并且网关GW可以将该数据发送到控制器C。另一方面，控制器C可以向网关发送命令，然后网关将该命令传输到无线节点，然后无线节点将该命令传输到执行器。无线数据也可以在无线节点之间传输。
在该示例性ICS系统中，ICS系统中的两个网络切片(用于传输控制器命令的超可靠低时延通信(URLLC)网络切片和用于从传感器采集数据的超密集IOT)共存。实际上，这仅仅是一个示例，并且如本示例所示，可能存在具有多于两个的切片的多网络切片之间的共存。
在当系统包含更多的传感器和执行器以及ICS中的其它可能设备时存在越来越多的多网络切片的情况下，本发明应该解决ICS的协作问题，从而一方面减少来自传感器或朝向执行器的分组传输之间的冲突，并且另一方面最小化来自网关的传输的延迟或通往网关的传输的延迟。
根据本发明，将示例性的协作处理视为组合的簇(clustering)和主干网络构建和/或适配，以减少ICS系统的总体时延和干扰。现在在下文中描述根据本发明的总体协作方法。
在协作处理之前，图1的ICS系统中的每个节点都在用特定的功率/质量或表征两个节点必须进行通信的能力的任何其它度量来测量其从相邻的节点接收的信号。这些测量可以是节点的测量，当在ICS系统中使用多种技术时最终是频率间测量。在ICS系统的抽象层中采集测量值并且测量值用于构建连接情况的表示。
如图2所示，抽象模型存储在ICS的抽象层/中间件中，并且被定义为：表示ICS系统中特定通信设备的节点，并且连接节点的边(edge)表示节点之间的通信链路或者从一个节点到另一个节点的干扰。
在ICS具有多个网络切片的情况下，抽象可以基于每个切片(即，针对每个切片中的通信和/或干扰情况构建抽象)，或者基于全局网络(即，在构建抽象时考虑可以相互通信或者可以干扰的切片)。在后面这种情况下，ICS的节点对多网络切片的贡献隐含地包含在后面的协作处理的中心度计算中(特别是图4所示的步骤S1)，这将在下面详细描述。
可以在本发明中考虑关于中心度计算的若干度量。例如，第一示例性度量是每个通信设备对ICS网络中的数据分组的路径的贡献。我们将从ICS的节点i到节点j的最短路径的数量定义为σi,j。将ICS的节点v所贡献的最短路径的数量定义为σi,j(v)。
表征节点对通往网关的路径的贡献的度量由以下中间性(betweenness)中心度公式给出：
具有高中间性中心度的节点是对网络中的大量低时延路径有贡献的节点。
本发明中使用的第二示例性度量是接近性(closeness)中心度度量，其中对于节点v，节点相对于节点v周围的集合N(v)中的节点的接近性中心度。这种接近性中心度定义如下：
变量dv,i是节点v与来自集合N(v)的节点i之间的距离。具有较高接近性中心度的节点v是不在集合N(v)的边界处并且与集合N(v)中的每个其它节点的距离较小的节点。
在获得这些中心度之后，协作处理如下进行：
首先，在步骤S2中，将具有相似节点中心度的节点分组为簇。具体地将节点分组成对从传感器到网关的路径具有相似贡献的组，例如具有相似中间性中心度的节点。
图3示出了这样的簇，即其中每个节点都有自身的节点中心度C，并且将具有相似中心度的节点一起分组为一个簇。
例如，可以使用K-means技术基于节点的中心度对所述节点进行分簇。K-means计算簇中的中间性中心度的本地均值，如果节点的中间性中心度接近簇的本地均值中心度，则将该节点添加到簇中。
此外，我们可以根据节点的测量值来确定簇，并且独立地命令节点加入簇。
在节点分簇步骤之后，在步骤S3中选择每个簇的簇头(cluster head)。簇头是工业通信系统的特定节点，通常位于簇的中心。例如，簇头可以是与簇成员进行低时延通信的节点，或者对簇的任何节点对之间的通信路径作出贡献的节点。
簇头适用于簇中的传输协调。例如，簇头节点是簇的节点之间的时分多址传输(TDMA)的定时基准。另一个示例是簇头通过感测无线电信道并且在具有冲突避免(CA)的载波侦听多址CSMA方案中向簇的节点发送清除发送(CTS)分组来执行簇中的传输之间的协调。
簇头负责簇成员的后续资源分配。这种资源分配方案例如是针对簇的节点的传输时隙、频率、功率或任何其它无线网络资源的选择。资源分配也被认为是一种为最小化干扰的为簇的节点的传输提供资源的方式。
然后，在步骤S4中计算簇中心度的中心度度量，以进行工业通信系统的协作。例如，可以通过以下方式计算簇中心度：
簇的中间性中心度的均值；
对簇的节点具有最大接近性中心度的节点的中间性中心度；
簇头的中间性中心度；和/或
连接到相邻簇的节点的中间性中心度。
例如，中心度度量是节点的中间性中心度和接近性中心度的乘积，其由下式表示：
λ(v)＝B(v)CD(v).
如果节点v具有高中心度，则其具有较高的参数λ(v)的值。
一方面，为了减轻数据采集过程/控制命令传输过程期间可能出现的拥塞，实施以下步骤。
在步骤S5中，基于簇中心度将资源分配给簇，以使得在数据采集过程/控制命令传输过程期间将更多资源分配给中心簇。这些资源例如可以是：
-用于数据采集和/或控制命令传输的传输时隙；
-对应于例如OFDM系统的功率和频率资源块；
-对应于空间分集资源的天线。更多的天线可以分配给中间性中心度更高的节点；
-CSMA/CA介质访问控制的最大回退和其它参数，例如能量检测ED参数；
-可以针对具有不同中心度的簇选择不同的传输频带和带宽。可以针对更中心的节点选择更高的传输带宽，以减轻在从传感器采集数据期间的拥塞。选择传输频带以最小化簇间传输的干扰。针对具有不同中心度的簇的传输选择不同的传输频带。
因此，在步骤S6中，如下在每个簇的节点之间协调传输：
-簇头向节点传输协调信息，并且节点使用该信息协调与簇的其它节点的传输。
-簇头评估其节点中的每个的在簇中的本地中心度，并且基于该本地中心度向节点传输协调信息，以协调其传输。协调可以如下完成：簇中具有相似中心度的节点以协调方式传输。
-每个簇内的节点通过共识平均(consensus averaging)获得公共协调参数，并且使用该公共协调参数在簇中进行协调传输。
利用步骤S5和S6中的这些布置对节点进行分簇，以减少来自传感器或朝向执行器的分组传输之间的冲突。
另一方面，为了提高中心度计算的反应性并且改善协作的监测/管理时延，本发明还提出了一种用于簇间主干网络的方法。
现有技术的主干网络构造基于斯坦纳树问题和算法。以最简单的形式，最小斯坦纳树问题可以表述为：给定n个引脚或终端节点的集合P，我们希望使用最小总量的导线来使这些点互连。最小斯坦纳树问题包括在集合P之外引入中间点集合S，使得跨越集合P∪S的树是最小生成树，即具有最小度量总和的树。
因此，斯坦纳树是ICS的主干网设计的基本组成部分。斯坦纳树问题的最优解是非多项式难题(NP-hard)。德雷福斯-瓦格纳递归给出了精确的算法。该算法是一种动态规划算法，通过将节点v和u添加到终端节点P来迭代地扩充斯坦纳树，并最小化以下项：
其中，ST(P,v)是节点P∪{v}上的斯坦纳树的度量总和。集合X是终端节点的分区并且P\X是集合P中的分区X的互补集合。函数dist(v,u)是节点v和u之间的传输时延并且ST(P,v)是斯坦纳树中的时延的总和。节点u是位于节点v和终端集合P之间的路径上并且度(degree)大于3的节点。
现有技术中这种方法的主要缺点之一是当网络较大时缺乏可扩展性。在这点上，本发明基于以下从具有低中心度的簇开始并且向具有高中心度的簇移动的方法提出了另一种近似法：
S7：从作为先前确定的簇头集合的终端集合P开始；
S8：获得表征终端集合P的中心度的度量。该度量例如可以是终端集合的平均中心度、终端集合的最大中心度或表征簇头对ICS系统中的分组的路径的贡献的任何其它度量；
S9：选择具有较高中间性中心度并且接近所有非终端节点(X\P)的斯坦纳节点，即指标λ(v)＝B(v)CD(v)的值较高并且与至少一个终端节点相邻的节点。将具有斯坦纳节点和终端节点之间的最低时延的连接添加到斯坦纳树并且将斯坦纳节点添加到终端节点；
S10：测试构建的树是否跨越网络。如果否，则进入步骤S8。
使用度量λ(v)来查找主干网络的斯坦纳节点的基本优点是该度量相对于网络方面的中间性中心度度量B(v)的情况的本地依赖性。
众所周知，通过Brands算法，中间性中心度由以下递归关系给出：
该度量用于添加新的斯坦纳节点，以使主干结构将仅考虑所考虑的节点的邻域的本地节点，而不是所有网络节点。这将改善超密集网络协作的可扩展性和主干构建的时延。
所提出的度量的优点之一与中心度度量λ(v)的监测和管理有关。标准的Brands算法需要监测和传播从所有网络节点w到节点v的累积中心度度量δs(w)，使得v∈Ps(w)，即，v位于网络中某些w节点的最短路径的交点处。根据本发明的算法提出将中心度计算减少到节点v周围的邻域N(v)，从而提高中心度计算的反应性并且改善协作的监测/管理时延。
通过这些配置，簇之间的主干网络得到优化，从而最小化通往网关的传输的延迟或来自网关的传输的延迟。
根据本发明的另一方面，还提出了一种通过实现上述过程为具有多网络切片的ICS提供网络协作的协作器。
总之，本发明的核心理念是针对分簇和主干优化两者提出单一度量，其降低协作的复杂性并提高了整体系统性能，从而实现时延和抖动优化、以及得益于分簇的简单管理。
此外，如本领域技术人员所知，根据本发明的上述示例架构可以以多种方式实现，例如由处理器执行的程序指令、软件模块、微代码、计算机可读介质上的计算机程序产品、逻辑电路、专用集成电路、固件等。本发明的实施方式可以采取完全硬件实施方式、完全软件实施方式或包含硬件元件和软件元件两者的实施方式的形式。在优选实施方式中，本发明以软件实现，该软件包括但不限于固件、常驻软件、微代码等。
此外，本发明的实施方式可以采取可从计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式，该计算机可用或计算机可读介质提供由计算机、处理设备或任何指令执行系统使用或与计算机、处理设备或任何指令执行系统结合使用的程序代码。出于本说明的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是能够包含、存储、通信或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序的任何装置。介质可以是电子、磁性、光学或半导体系统(或装置或设备)。计算机可读介质的示例包括但不限于半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、RAM、只读存储器(ROM)、硬磁盘、光盘等。光盘的现有示例包括光盘只读存储器(CD-ROM)、读/写光盘(CD-R/W)和DVD。
Claims (15)
1.一种为具有多网络切片的工业通信系统提供网络协作的方法，所述方法包括以下步骤：
-计算所述工业通信系统中的节点的中心度；
-将具有相似的节点的中心度的节点分组为簇；
-选择每个簇的簇头；以及
-计算簇中心度的中心度度量，以使所述工业通信系统进行协作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
-基于所计算的中心度度量向所述簇分配资源；以及
-协调每个簇的节点之间的传输，
其中，所述簇头负责所述簇的成员的资源分配。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，将具有相似中心度的节点分组为簇的步骤包括以下步骤：
-使用K-means技术基于节点的中心度对节点进行分簇。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述簇中心度计算为：
-簇的节点的中间性中心度的均值；
-对簇的节点具有最大接近性中心度的节点的中间性中心度；
-所述簇头的中间性中心度；和/或
-连接到相邻簇的节点的中间性中心度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述资源包括：
-用于数据采集和/或控制命令传输的传输时隙；
-对应于OFDM系统的功率和频率资源块；
-对应于空间分集资源的天线；和/或
-CSMA/CA介质访问控制的最大回退和其它参数，例如能量检测ED参数。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，基于所计算的中心度度量向所述簇分配资源的步骤包括以下步骤：
-针对具有不同中心度的簇选择不同的传输频带和带宽，其中，针对更中心的节点选择更高的传输带宽，以减轻数据采集期间的拥塞。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，协调每个簇的节点之间的传输的步骤包括以下步骤：
-由所述簇头向节点发送协调信息，并且由所述节点使用所述协调信息来协调与所述簇的其它节点的传输；
-由所述簇头评估在簇中簇的节点中的每个的本地中心度，并且基于所述本地中心度向节点传输协调信息以协调节点的传输；
-由每个簇内的节点获得公共协调参数，以及
-使用公共参数来协调簇中的传输。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述节点的中心度由中间性中心度公式表征：
其中，σi,j由所述工业通信系统的从节点i到节点j的最短路径的数量定义，并且σi,j(v)由所述工业通信系统的节点v所贡献的最短路径的数量定义。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述节点的中心度由以下接近性中心度公式表征：
其中，变量dv,i是来自集合N(v)的节点v与节点i之间的距离，并且具有较高接近性中心度的节点v是不在集合N(v)的边界处并且与集合N(v)中的每个其它节点的距离较小的节点。
10.根据权利要求8和9所述的方法，其中，所述中心度度量是节点的中间性中心度与接近性中心度的乘积，并由以下公式表征：
λ(v)＝B(v)CD(v)。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
-获得表征作为选定簇头的集合的终端集合P的中心度的中心度度量；
-选择具有较高中心度度量的值的斯坦纳节点；
-将具有斯坦纳节点和来自所述终端集合P的终端节点之间的最低时延的连接添加到斯坦纳树，并且将斯坦纳节点添加到终端节点；以及
-测试所构建的树是否跨越网络。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述具有较高中心度度量的值的斯坦纳节点包含较高中间性中心度并靠近所有非终端节点，其中，所述网络的节点不在所述终端集合P中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述中间性中心度由以下公式表征：
其中，参数Ps(w)是给定节点w朝向汇聚节点的直接前趋集合，并且通过图形遍历技术获得；并且σsv和σsw分别是从节点v和节点w到所述网络的节点s的最短路径的数量，并且δs(w)是从源到路径上的节点w的累积中心度度量，
所述中心度度量由下式表征：
其中，d(v,w)是网络中的节点v和节点w之间的距离。
14.一种为具有多网络切片的工业通信系统提供网络协作的协作器，所述协作器被配置为：
-计算所述工业通信系统中的节点的中心度；
-将具有相似的节点的中心度的节点分组为簇；
-选择每个簇的簇头，所述簇头负责簇的成员的资源分配；以及
-计算簇中心度的中心度度量，以使所述工业通信系统进行协作。
15.一种具有多网络切片的工业通信系统，所述工业通信系统包括根据权利要求14所述的协作器。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024001963A1 (zh) * | 2022-07-01 | 2024-01-04 | 中兴通讯股份有限公司 | 卫星系统端站分组方法、控制器、卫星系统以及存储介质 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101013926A (zh) * | 2007-02-05 | 2007-08-08 | 华中科技大学 | 一种无线传感器网络通信方法和系统 |
| US20080261639A1 (en) * | 2007-04-23 | 2008-10-23 | The Hong Kong University Of Science And Technology | Cluster-based cooperative spectrum sensing in cognitive radio systems |
| CN102647250A (zh) * | 2012-03-06 | 2012-08-22 | 上海大学 | 一种基于虚拟mimo中分簇球形解码的协作通信方法 |
| CN107071811A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-08-18 | 长春师范大学 | 一种基于模糊控制的wsn容错非均匀分簇算法 |
| CN107659974A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-02 | 广东工业大学 | 无线传感网路由方法、装置、设备及计算机可读存储介质 |
| WO2018120990A1 (zh) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 华为技术有限公司 | 业务部署的方法与装置 |
| CN109922511A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-06-21 | 中国联合网络通信集团有限公司 | 簇头节点选择方法、节点分簇方法和簇头节点选择装置 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7275068B2 (en) * | 2003-12-19 | 2007-09-25 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Discovering communities-of-practice |
| US8976710B2 (en) * | 2011-12-27 | 2015-03-10 | Infosys Limited | Methods for discovering and analyzing network topologies and devices thereof |
| KR101329350B1 (ko) * | 2012-06-15 | 2013-11-14 | 한국과학기술원 | 그래프의 매개 중심성 갱신 방법 |
| US9680915B2 (en) * | 2012-09-12 | 2017-06-13 | Infosys Limited | Methods for clustering networks based on topology discovery and devices thereof |
| US20150271261A1 (en) | 2014-03-21 | 2015-09-24 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | System and method for providing distributed virtual cloud using mobile grid |
| EP3425861A1 (en) | 2017-07-03 | 2019-01-09 | Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. | Improved routing in an heterogeneous iot network |
| EP3432629B1 (en) * | 2017-07-20 | 2020-02-12 | Nokia Solutions and Networks Oy | Partitioning a plurality of wireless access points into management clusters |
| US11350381B2 (en) * | 2017-10-26 | 2022-05-31 | Benchmark Electronics, Inc. | Mesh ranging and network message and slot structure for ad-hoc networks and method therefor |
| EP4132196A1 (en) | 2017-11-27 | 2023-02-08 | IDAC Holdings, Inc. | Initial access and channel access in new radio/new radio-unlicensed (nr/nr-u) |
| US11102236B2 (en) * | 2018-11-19 | 2021-08-24 | Cisco Technology, Inc. | Systems and methods for remediating internet of things devices |
| CN113207156B (zh) * | 2021-04-30 | 2022-06-07 | 华北电力大学 | 一种无线传感器网络的分簇路由方法及系统 |
-
2019
- 2019-08-20 EP EP19315097.6A patent/EP3783952A1/en active Pending
-
2020
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101013926A (zh) * | 2007-02-05 | 2007-08-08 | 华中科技大学 | 一种无线传感器网络通信方法和系统 |
| US20080261639A1 (en) * | 2007-04-23 | 2008-10-23 | The Hong Kong University Of Science And Technology | Cluster-based cooperative spectrum sensing in cognitive radio systems |
| CN102647250A (zh) * | 2012-03-06 | 2012-08-22 | 上海大学 | 一种基于虚拟mimo中分簇球形解码的协作通信方法 |
| WO2018120990A1 (zh) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 华为技术有限公司 | 业务部署的方法与装置 |
| CN107071811A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-08-18 | 长春师范大学 | 一种基于模糊控制的wsn容错非均匀分簇算法 |
| CN107659974A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-02 | 广东工业大学 | 无线传感网路由方法、装置、设备及计算机可读存储介质 |
| CN109922511A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-06-21 | 中国联合网络通信集团有限公司 | 簇头节点选择方法、节点分簇方法和簇头节点选择装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JIN WANG等: "An energy efficient fuzzy cluster head selection algorithm for WSNs" * |
| 钱珺等: "基于社区的动态网络节点介数中心度更新算法" * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024001963A1 (zh) * | 2022-07-01 | 2024-01-04 | 中兴通讯股份有限公司 | 卫星系统端站分组方法、控制器、卫星系统以及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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