CN114785857B - 一种物联网带宽资源动态适配方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物联网带宽资源动态适配方法，包括以下步骤：（1）中转服务器进行初始化；缓存终端节点发来的数据包；（2）中转服务器启动计时器，依次从缓存中取出数据包，形成集合；（3）若达到计时结束条件，则计算链路峰值容量BW；（4）判断集合D中的元素之和是否小于或等于链路峰值容量BW；（4.1）若是，则将集合D直接发送至云端服务器，然后执行步骤（3）；（4.2）若否，则生成临时集合并对其排序形成集合D'；（4.2.1）对D'的所有元素的下标减去q，若D'的所有元素之和不大于BW，则将全部的元素发送至云端服务器，否则执行步骤S，直至所有的数据包发送完毕；然后执行步骤（3）。

Description

一种物联网带宽资源动态适配方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，更具体地，涉及一种物联网带宽资源动态适配方法、系统及存储介质。

背景技术

在物联网网络拓扑设计和数据处理领域，常常需要根据物联网终端节点的硬件性能设计一种合理的系统架构和数据传输与处理算法，以便对所监测的周边状况进行预警，确保物联网系统能够自动化处理突发事件。然而，目前的物联网终端节点通常是功能单一、性能较低的传感设备，在大规模部署时通常以无线的方式进行组网和数据传输，这给整个系统的设计带来了较大的困难。

随着无线通信技术的发展，5G通信技术已获得较广的应用，目前已有部分终端节点集成了5G模块，并通过5G模块直接与云端服务器进行数据交互。当云端服务器处理完相应的数据后，将处理结果直接返回到对应的终端节点。这种方法简单高效，只要云端服务器有足够的带宽，理论上能够进行无限扩展。

然而，上述方案要求终端节点具备集成5G模块的软硬件接口，同时由于5G模块耗电较大，还需要一个稳定且容量较大的电源模块。在这种方案下，硬件成本将会显著的提高。一个物联网整体方案中，传感器设备可能有成千上万个，由此增加的成本会阻碍物联网的大规模部署。另外，在许多要求小型化的场景下，比如高频RFID标签和超高频RFID标签，复杂的5G模块和电源模块会让设备体积大到无法符合实际应用场景的需求。

目前业界的惯常做法是在物联网终端节点侧部署中继服务器，用于所有物联网终端节点和云端服务器之间的数据转发传输。然而，在进行具体数据的转发传输时，中继服务器是将接收到的终端节点的数据包按先后顺序逐个发往云端服务器的，而不考虑实际的链路带宽通常远远大于单个数据包的数据量，也不考虑某些终端节点的数据包的紧急程度，无法兼顾数据传输的效率、实时性、公平性。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种物联网带宽资源动态适配方法，该方法采用兼顾效率和公平的物联网带宽动态分配策略，保证高权重节点和数据包优先的同时，兼顾普通节点，确保每一终端节点的数据能够得到及时处理，具备较强的实用性。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种物联网带宽资源动态适配方法，包括以下步骤：

S1.中转服务器初始化参数矩阵(c _ij )∈R ^N*M 和权重向量

；c _ij 表示第i个终端节点的第j个参数，向量元素w _j 表示第j个参数的权重； N为终端节点的 数量；M为参数的数量；j的取值范围为[1,M]；i的取值范围为[1,N]；R ^N*M 表示实数域的N行M 列矩阵；

S2.中转服务器初始化时隙∆t为默认值，接收所有终端节点发送的数据包，并将接收的数据包按照接收顺序缓存至队列Arr中；

S3.中转服务器启动计时器，依次从队列Arr中取出元素，并确保取出的每一个元素来自不同的终端节点，得到集合D={d _k }；d _k 表示{d _k }中的第k个元素；k的取值范围为[1,N]；

S4.若计时间隔∆t'=∆t或|{d _k }|=N，计算链路峰值容量BW=δ*bw*∆t'，其中δ为默认常数，bw为中转服务器到云端服务器的链路带宽；|{d _k }|表示集合{d _k }的元素个数；

S4.1.若

，则将{d _k }直接转发至云端服务器，然后执行步骤 S5；否则，生成临时集合{d _k ，cw _k }，cw _k 表示数据包d _k 的所有者的节点总权重；令数据包d _k 的所 有者为第p个终端节点，则

， c _pj 表示矩阵(c _ij )中第p行、第j列 的元素；对{cw _k }进行降序排列，得到新的集合D'={d _e '，cw _e '}；集合D'={d _e '，cw _e '}中，{cw _e '} 表示对{cw _k }进行降序排列后得到的数组；cw _e '表示数组{cw _e '}中的第e个元素；{d _e '}表示 {d _k }经过{cw _k }的降序排列后得到的数组；d _e '表示数组{d _e '}中的第e个元素；e的取值范围 为[1,N]；

S4.1.1. 求取q，使得

且

，将数据包 集合

发送至云端服务器；q的取值范围为[1,N-1]；

S4.1.2. 对余下的数据包集合

的所有元素的下标减去q，若满足

，则将余下的数据包发送至云端服务器；否则执行步骤 S4.1.1；直至所有的数据包发送完毕；执行步骤S5；

S5.更新∆t=∆t'；更新矩阵(c _ij )。

优选地，所述步骤S1中，对于每一个i∈[1,N]，j∈[1,M]，初始值c _ij =1。

优选地，所述步骤S1中，

的所有元素取固定的默认值。

优选地，所述δ<1。

优选地，c _ij 表示截止至当前时刻第i个终端节点发送至中转服务器的数据包总数。

优选地，c _ij 表示截止至当前时刻第i个终端节点发送至中转服务器的数据包中加急数据包的总数。

同时，本发明还提供了一种物联网带宽资源动态适配系统，该系统包括中转服务器、终端节点和云端服务器，所述中转服务器、终端节点和云端服务器执行以上所述物联网带宽资源动态适配方法的方法步骤。

另外，本发明还提供了一种存储介质，包括存储器及处理器，所述存储器内存储有程序，所述程序被所述处理器调用执行时，所述处理器执行以上所述物联网带宽资源动态适配方法的方法步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的方法采用兼顾效率和公平的物联网带宽动态分配策略，保证高权重节点和数据包优先的同时，兼顾普通节点，确保每一终端节点的数据能够得到及时处理，具备较强的实用性。

（2）本发明提供的方法能够保证整体系统的吞吐量。

（3）本发明提供的方法采用易于扩展的网络结构，终端节点的增减不会影响算法流程和结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为物联网带宽资源动态适配方法的流程示意图。

图2为物联网带宽资源动态适配系统的结构示意图。

图3为存储介质的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本实施例提供的物联网带宽资源动态适配方法的流程示意图。如图1所示，所述物联网带宽资源动态适配方法包括有以下步骤：

（1）中转服务器初始化参数矩阵、权重向量、时隙；缓存终端节点发来的数据包。

在具体的实施过程中，中转服务器初始化参数矩阵(c _ij )∈R ^N*M 和权重向量

；其中，R ^N*M 表示实数域的N行M列矩阵；对于每一个i∈[1, N]，j∈[1,M],初始值c _ij =1，

的所有元素取固定的默认值；c _ij 表示第i个终端节点的第j 个参数，向量元素w _j 表示第j个参数的权重。这里的参数可以是截止至当前时刻各个终端 节点分别发给中转服务器的数据包总数，也可以是终端节点发送的数据包中的加急数据包 的总数。

在具体的实施过程中，中转服务器初始化时隙∆t为默认值，接收所有终端节点发送的数据包，并将接收的数据包按照接收顺序缓存至队列Arr中。

（2）中转服务器启动计时器，依次从缓存中取出每一个元素都属于不同的终端节点的数据包，形成集合D={d _k }，k≤N。

（3）若达到计时结束条件，则计算链路峰值容量BW。

在具体的实施过程中，若计时间隔∆t'=∆t或|{d _k }|=N，计算链路峰值容量BW=δ*bw*∆t'，其中δ<1为默认常数，bw为中转服务器到云端服务器的链路带宽；|{d _k }|表示集合{d _k }的元素个数。

（4）判断集合D中的元素之和是否小于或等于链路峰值容量BW。

（4.1）若是，则将集合D直接发送至云端服务器，并更新矩阵和时隙的值，然后执行步骤（3）。

在具体的实施过程中，若

，则将{d _k }直接转发至云端服务 器。

（4.2）若否，则生成临时集合并对其排序形成集合D'，然后执行步骤S。

步骤S：求取最大的q值，使通信链路刚好能够发送D'的前q个元素，并将这q个元素发送至云端服务器。

（4.2.1）对D'的所有元素的下标减去q，若D'的所有元素之和不大于BW，则将全部的元素发送至云端服务器，否则执行步骤S，直至所有的数据包发送完毕；并更新矩阵和时隙的值，然后执行步骤（3）。

在具体的实施过程中，生成临时集合{d _k ，cw _k }，cw _k 表示数据包d _k 的所有者的节点 总权重；令数据包d _k 的所有者为第p个终端节点，则

，cw _k 数值越 大就表示在本轮数据处理过程中应优先发送至云端服务器；c _pj 表示矩阵(c _ij )中第p行、第j 列的元素；对{cw _k }进行降序排列，得到新的集合D'={d _e '，cw _e '}；集合D'={d _e '，cw _e '}中， {cw _e '}表示对{cw _k }进行降序排列后得到的数组；cw _e '表示数组{cw _e '}中的第e个元素；{d _e '} 表示{d _k }经过{cw _k }的降序排列后得到的数组；d _e '表示数组{d _e '}中的第e个元素；e的取值 范围为[1,N]；

在具体的实施过程中，所述步骤S求取q，使得

且

， 将数据包集合

发送至云端服务器。

在具体的实施过程中，对余下的数据包集合

的所有元素 的下标减去q，若满足

，则将余下的数据包发送至云端服务器；否则执 行步骤S；直至所有的数据包发送完毕。

在具体的实施过程中，所述更新矩阵和时隙的值具体为：更新∆t=∆t'；更新矩阵(c _ij )。

实施例2

本实施例提供了一种物联网带宽资源动态适配系统，如图2所示，其包括中转服务器、终端节点和云端服务器，所述中转服务器、终端节点和云端服务器执行实施例1所述物联网带宽资源动态适配方法的方法步骤。

实施例3

本实施例提供了一种存储介质，如图3所示，包括存储器及处理器，所述存储器内存储有程序，所述程序被所述处理器调用执行时，所述处理器执行实施例1所述物联网带宽资源动态适配方法的方法步骤。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种物联网带宽资源动态适配方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.中转服务器初始化参数矩阵(c _ij )∈R ^N*M 和权重向量

；c _ij 表示第i个终端节点的第j个参数，向量元素w _j 表示第j个参数的权重； N为终端节点的数 量；M为参数的数量；j的取值范围为[1,M]；i的取值范围为[1,N]；R ^N*M 表示实数域的N行M列 矩阵；

S2.中转服务器初始化时隙∆t为默认值，接收所有终端节点发送的数据包，并将接收的数据包按照接收顺序缓存至队列Arr中；

S3.中转服务器启动计时器，依次从队列Arr中取出元素，并确保取出的每一个元素来自不同的终端节点，得到集合D={d _k }；d _k 表示{d _k }中的第k个元素；k的取值范围为[1,N]；

S4.若计时间隔∆t'=∆t或|{d _k }|=N，计算链路峰值容量BW=δ*bw*∆t'，其中δ为默认常数，bw为中转服务器到云端服务器的链路带宽；|{d _k }|表示集合{d _k }的元素个数；

S4.1.若

，则将{d _k }直接转发至云端服务器，然后执行步骤S5；否 则，生成临时集合{d _k ，cw _k }，cw _k 表示数据包d _k 的所有者的节点总权重；令数据包d _k 的所有者 为第p个终端节点，则

， c _pj 表示矩阵(c _ij )中第p行、第j列的元 素；对{cw _k }进行降序排列，得到新的集合D'={d _e '，cw _e '}；集合D'={d _e '，cw _e '}中，{cw _e '}表示 对{cw _k }进行降序排列后得到的数组；cw _e '表示数组{cw _e '}中的第e个元素；{d _e '}表示{d _k }经 过{cw _k }的降序排列后得到的数组；d _e '表示数组{d _e '}中的第e个元素；e的取值范围为[1,N]；

S4.1.1. 求取q，使得

且

，将数据包集合

发送至云端服务器；q的取值范围为[1,N-1]；

S4.1.2. 对余下的数据包集合

的所有元素的下标减去q，若满 足

，则将余下的数据包发送至云端服务器；否则执行步骤S4.1.1；直 至所有的数据包发送完毕；执行步骤S5；

S5.更新∆t=∆t'；更新矩阵(c _ij )。

2.根据权利要求1所述的物联网带宽资源动态适配方法，其特征在于：所述步骤S1中，对于每一个i∈[1,N]，j∈[1,M]，初始值c _ij =1。

3.根据权利要求1所述的物联网带宽资源动态适配方法，其特征在于：所述步骤S1中，

的所有元素取固定的默认值。

4.根据权利要求1所述的物联网带宽资源动态适配方法，其特征在于：所述δ<1。

5.根据权利要求1-4任一项所述的物联网带宽资源动态适配方法，其特征在于：c _ij 表示截止至当前时刻第i个终端节点发送至中转服务器的数据包总数。

6.根据权利要求1-4任一项所述的物联网带宽资源动态适配方法，其特征在于：c _ij 表示截止至当前时刻第i个终端节点发送至中转服务器的数据包中加急数据包的总数。

7.一种物联网带宽资源动态适配系统，其特征在于：包括中转服务器、终端节点和云端服务器，所述中转服务器、终端节点和云端服务器执行权利要求1-6任一项所述物联网带宽资源动态适配方法的方法步骤。

8.一种存储介质，包括存储器及处理器，所述存储器内存储有程序，其特征在于，所述程序被所述处理器调用执行时，所述处理器执行权利要求1-6任一项所述物联网带宽资源动态适配方法的方法步骤。

Images