CN115002930B - 一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统及通讯方法 - Google Patents

一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统及通讯方法 Download PDF

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Abstract

一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，由基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和瘦路由构成，二者之间呈双向数据流连接，且终端PC机通过胖路由或瘦路由连接入网；其通讯方法包括终端选择、寻找目标节点、判断信道是否可用、数据传输；该系统外观小巧方便操作、携带；为基于IEEE 802.11ah协议更灵活的无线组网奠定基础；面向边缘智能协同的IEEE 802.11ah基于胖瘦路由的无线网络架构，面对不同业务组网更加灵活，提升传输效率，降低了组网成本；基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法，提升了数据传输效率以及无线资源利用率。

Description

一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统及通讯 方法
【技术领域】
本发明涉及通信领域，尤其是一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统及通讯方法。
【背景技术】
近年来科技迅速发展，通信技术也随之取得了长足的进步，也促进了工业智能化的发展。伴随着无线网络的发展，万物互联的物联网产业规模越来越大，边缘智能协同技术在物联网场景显示出了优越的性能。低功耗的无线通信技术IEEE 802.11ah协议的出现为智慧城市、工业互联网等场景中海量终端的互联互通、边缘智能协同奠定了坚实的基础。IEEE 802.11ah协议主要面向低功耗广域网环境下大量设备的通信，实现高数据传输速率、高吞吐量、高频谱效率、低能量损耗和容纳更多设备接入的目标。
但是目前面向边缘智能协同的IEEE 802.11ah协议的无线组网还存在一些问题：(1)支持IEEE 802.11ah协议的专用路由和组网终端还不完善；(2)基于IEEE 802.11ah的分层无线组网架构的设计与实现技术还处于萌芽阶段。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统及通讯方法，它能够弥补现有技术的不足，是一种结构简单，数据收发方便，体积小易携带的无线组网系统，能够基于IEEE 802.11ah协议实现数据的收发。
本发明的技术方案：一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，其特征在于它是由不少于1个的基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和不少于1个的基于IEEE802.11ah协议的瘦路由构成；所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由之间呈双向数据流连接，且终端PC机通过胖路由或瘦路由连接入网。
所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由是带USB端口、以太网端口及天线构成，如图1所示；其中，所述胖路由利用PC机的USBA端口供电，且通过USB端口及以太网端口实现与PC机、胖路由以及瘦路由之间的双向通信。
所述基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由是带以太网端口、RS485端口、RS232端口及天线的导轨式路由器；其中，所述瘦路由通过m5V或12V接口供电，且通过USB端口或以太网端口实现PC、胖路由以及瘦路由的双向通信。
所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由带有按键及指示灯；所述指示灯用于显示胖路由/瘦路由的信号状态和工作状态；所述按键用于根据按键组网调整胖路由/瘦路由所在节点的主从状态。
一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统的通讯方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)任意选择一个终端，将该终端及与其连接的瘦路由记作节点A；由终端通过USB端口及以太网端口发送数据给瘦路由，瘦路由则通过天线对数据进行转发，节点A发送数据给任选目标节点；
(2)节点A基于路由算法寻找到目标节点，并确认该节点所对应的路由；
(3)确定好目标节点后，由节点A基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法判断当前信道是否可用，如果可用则将数据转发给目标节点；如不可用则基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法进行避让。
(4)目标节点收到数据，传输结束。
所述步骤(3)中基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法具体是指：
①假设无线组网系统中有y个节点，则将y个节点组成的集合记为{X1，X2，...，Xy}，假设无线组网系统分为L层，将y个节点以及其在无线组网系统中的逻辑位置分为L个集合，即：M1，M2，...，ML，其中，ML为根节点，并且满足如公式(2)所示的关系：
M1∪M2∪M3∪…∪ML＝{X1，X2，...，Xy} (1)
规定集合M的优先级函数为J，令节点i∈M是节点j∈N的父节点，则；
J(M)＞J(N) (2)
②同一父节点的所有子节点为一组，同组节点依据各节点所连接的胖路由或瘦路由的当前缓存实时分成三个小组，即：空闲组Free、满负载组Full和超负载组Over，其中超负载组Over优先级最高，t时刻节点i可通过公式(4)计算得到其小组成员：
Figure BDA0003657261020000031
其中，所有节点的缓存都为CT，如果Dt(i)＝1则表示节点i∈Over，若Dt(i)＝0则节点i∈Full，若Dt(i)＝-1则节点i∈Free；以此类推；其中，C′t+1(i)表示节点i在t+1时刻的预测缓存，计算公式如式(4)所示：
C′t+1(i)＝Ct(i)+αt{|C′t(i)-Ct(i)|} (4)
式中，α表示误差权重参数，按公式(5)-(8)得到；
Figure BDA0003657261020000032
Figure BDA0003657261020000033
Figure BDA0003657261020000034
ρt＝|Ct(i)-C′t(i)| (8)
③依据优先级，为不同组及组内节点分配传输时隙；假设可分配时隙为TS，则组M可分的传输时隙为：
Figure BDA0003657261020000035
参数x表示组M的优先级别，最高优先级别为L。
而组M内的节点i分得的传输时隙为：
Figure BDA0003657261020000041
公式(10)中，uOver表示超负载组Over的节点数量；uFull表示满负载组Full的节点数量；uFree表示空闲组Free的节点数量；
参数Competei用于判断节点i是否竞争得到当前时隙发送数据权限，其定义如公式11所示。
Figure BDA0003657261020000042
公式(11)中可通过高优先级节点优先载波监听物理信道是否有任务；竞争算法可以采用生成随机数比较大小的方法。
④设节点i的布尔函数Boolean如公式(12)所示：
Figure BDA0003657261020000043
当Booleani＝1并且Bai＝0，表示节点i可以发送数据；其他情况表示节点i不可以发送数据；参数Bai由公式13计算获得。
⑤如果节点i成功发送数据，并且待发数据全部发送，则整个传输过程结束；
⑥如果节点i成功发送数据，但还存在部分待发数据，则执行退避算法，随机生成一个整数Bai，如公式(13)所示，节点i暂停传输Bai个时隙，随后转到步骤④；
⑦如果节点i没有竞争到信道的使用权，即无法发送数据，则所有节点运行指数避让算法，避让函数Bai如公式(13)所示，等待避让时间后转到步骤④；
Figure BDA0003657261020000044
其中，rand的值随机产生并且
Figure BDA0003657261020000045
⑧所有数据传输成功，结束传输。
基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法中，节点A如果想发送数据，两个条件满足一个就可以。第一个条件，当前时间处于当前节点A的时隙，此节点A可以直接发送数据。第二个条件，时间不是节点A的时隙，拥有当前时隙的节点B不发送数据，节点A和其他节点竞争当前时隙的发送权限获胜。
本发明的优越性：基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由和胖路由的外观小巧方便操作、携带；实现了支持IEEE 802.11ah协议的胖、瘦路由，为基于IEEE 802.11ah协议更灵活的无线组网奠定基础；提供了一种面向边缘智能协同的IEEE 802.11ah基于胖瘦路由的无线网络架构，面对不同业务组网更加灵活，提升传输效率，降低了组网成本；提供了一种基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法，提升了数据传输效率以及无线资源利用率。
【附图说明】
图1为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统中IEEE802.11ah协议的胖路由的结构示意图。
图2为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统中IEEE802.11ah协议的胖路由的数据传输示意图。
图3为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统中IEEE802.11ah协议的瘦路由的结构示意图。
图4为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统中IEEE802.11ah协议的瘦路由的数据传输示意图。
图5为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统的无线组网架构示意图。
图6为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统的通讯方法中基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法数据传输流程示意图。
【具体实施方式】
实施例：一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，如图5所示，其特征在于它是由3个的基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和5个的基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由构成；所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由之间呈双向数据流连接，且终端PC机通过胖路由或瘦路由连接入网。
基于IEEE 802.11ah协议的胖路由是带USB端口、以太网端口及天线构成，如图1所示；其中，所述胖路由利用PC机的USBA端口供电，且通过USB端口及以太网端口实现与PC机、胖路由以及瘦路由之间的双向通信，基于IEEE 802.11ah协议的胖路由传输示意图如图2所示。
基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由是带以太网端口、RS485端口、RS232端口及天线的导轨式路由器，如图2所示；其中，所述瘦路由通过m5V及12V接口供电，且通过USB端口或以太网端口实现PC、胖路由以及瘦路由的双向通信，基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由传输示意图如图3所示。
基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由带有按键及指示灯；所述指示灯用于显示胖路由/瘦路由的信号状态和工作状态；所述按键用于根据按键组网调整胖路由/瘦路由所在节点的主从状态。
一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统的通讯方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)任意选择一个终端，将该终端及与其连接的瘦路由记作节点A；由终端通过USB端口及以太网端口发送数据给瘦路由，瘦路由则通过天线对数据进行转发，节点A发送数据给任选目标节点；
(2)节点A基于路由算法寻找到目标节点，并确认该节点所对应的路由；
(3)确定好目标节点后，由节点A基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法判断当前信道是否可用，如果可用则将数据转发给目标节点；如不可用则基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法进行避让。
其中，基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法具体是指：
①假设无线组网系统中有y个节点，则将y个节点组成的集合记为{X1，X2，...，Xy}，假设无线组网系统分为L层，将y个节点以及其在无线组网系统中的逻辑位置分为L个集合，即：M1，M2，...，ML，其中，ML为根节点，并且满足如公式(2)所示的关系：
M1∪M2∪M3∪...∪ML＝{X1，X2，...，Xy} (1)
规定集合M的优先级函数为J，令节点i∈M是节点j∈N的父节点，则；
J(M)＞J(N) (2)
②同一父节点的所有子节点为一组，同组节点依据各节点所连接的胖路由或瘦路由的当前缓存实时分成三个小组，即：空闲组Free、满负载组Full和超负载组Over，其中超负载组Over优先级最高，t时刻节点i可通过公式(4)计算得到其小组成员：
Figure BDA0003657261020000071
其中，所有节点的缓存都为CT，如果Dt(i)＝1则表示节点i∈Over，若Dt(i)＝0则节点i∈Full，若Dt(i)＝-1则节点i∈Free；以此类推；其中，C′t+1(i)表示节点i在t+1时刻的预测缓存，计算公式如式(4)所示：
C′t+1(i)＝Ct(i)+αt{|C′t(i)-Ct(i)1} (4)
式中，α表示误差权重参数，按公式(5)-(8)得到；
Figure BDA0003657261020000072
Figure BDA0003657261020000073
Figure BDA0003657261020000074
ρt＝|Ct(i)-C′t(i)| (8)
③依据优先级，为不同组及组内节点分配传输时隙；假设可分配时隙为TS，则组M可分的传输时隙为：
Figure BDA0003657261020000081
参数x表示组M的优先级别，最高优先级别为L。
而组M内的节点i分得的传输时隙为：
Figure BDA0003657261020000082
公式(10)中，uOver表示超负载组Over的节点数量；uFull表示满负载组Full的节点数量；uFree表示空闲组Free的节点数量；
参数Competei用于判断节点i是否竞争得到当前时隙发送数据权限，其定义如公式11所示。
Figure BDA0003657261020000083
公式(11)中可通过高优先级节点优先载波监听物理信道是否有任务；竞争算法可以采用生成随机数比较大小的方法。
④设节点i的布尔函数Boolean如公式(12)所示：
Figure BDA0003657261020000084
当Booleani＝1并且Bai＝0，表示节点i可以发送数据；其他情况表示节点i不可以发送数据；参数Bai由公式13计算获得。
⑤如果节点i成功发送数据，并且待发数据全部发送，则整个传输过程结束；
⑥如果节点i成功发送数据，但还存在部分待发数据，则执行退避算法，随机生成一个整数Bai，如公式(13)所示，节点i暂停传输Bai个时隙，随后转到步骤④；
⑦如果节点i没有竞争到信道的使用权，即无法发送数据，则所有节点运行指数避让算法，避让函数Bai如公式(13)所示，等待避让时间后转到步骤④；
Figure BDA0003657261020000091
其中，rand的值随机产生并且
Figure BDA0003657261020000092
⑧所有数据传输成功，结束传输。
(4)目标节点收到数据，传输结束。
下面结合附图对实施例做进一步介绍和补充：
图1为本发明所涉一种IEEE 802.11ah协议的胖路由示意图
外观：
(1)整体外观设计偏向无线网卡设计。
(2)一端为USBA、一端网口，天线，外观小巧方便操作、携带。
(3)附带指示灯显示信号状态和工作状态。
(4)附带按键可以根据按键组网调整主从状态。
功能如图2：
(1)通过PC自带的USBA口供电。
(2)通过USB2.0协议传输数据PC1→Halow发射→Halow接收→PC2。
(3)通过以太网协议传输数据PC1→Halow发射→Halow接收→PC2。
图3为本发明所涉一种IEEE 802.11ah协议的瘦路由示意图。
外观：
(1)外观以导轨式为准
(2)一端为网口、一端RS485，RS232，天线，外观小巧方便操作、携带。
(3)附带指示灯显示信号状态和工作状态。
(4)附带按键可以根据按键组网调整主从状态。
功能如图4：
(1)通过m5V或12V接口供电。
(2)通过RS485，RS232协议传输数据PC1→Halow发射→Halow接收→PC2。
(3)通过以太网协议传输数据PC1→Halow发射→Halow接收→PC2。
图5为本发明所涉一种面向边缘智能协同的IEEE 802.11ah无线组网架构。
A，B，C，D，E，G，H，P分别为基于IEEE 802.11ah协议的无线网络节点。其中，节点B需要发送数据给节点E。具体包括以下步骤：
①节点B基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法发送数据至节点G。基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法的数据传输流程见图6。
i将节点P分为同一等级的组Q，将节点G和H分为同一等级的组W，将节点A，B，C，D和E分为同一等级的组R。
ii为组Q、W以及R小组分配时隙，组Q分配总时隙的一半，组W和组R分别分配总时隙四分之一，时隙分配方法见公式9。
iii组W和组R依据其中节点缓存分配时隙，缓存越大其节点分配时隙越多，分配方式见公式3和公式10。
iv节点B查询是否分配给自己的时隙，如果是发送数据；若不是则看优先级高的节点是否有数据传输，如没有则进行当前信道竞争。
v若节点B竞争信道成功，待发数据全部发送，则结束传输。
vi若节点B竞争信道成功，还存在待发数据未发送，则运行退避算法，见公式13，等待退避时间后，转到步骤iv。
vii若节点B竞争信道失败，运行指数级别的退避算法，退避算法见公式13，等待退避时间后转到步骤iv。
②节点G基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法发送数据至节点P。
③节点P基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法发送数据至节点H。
④节点H基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法发送数据至节点E。
⑤传输成功，结束传输。

Claims (5)

1.一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，其特征在于它是由不少于1个的基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和不少于1个的基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由构成；所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由之间呈双向数据流连接，且终端PC机通过胖路由或瘦路由连接入网；
所述面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统的通讯方法，包括以下步骤：
(1)任意选择一个终端，将该终端及与其连接的瘦路由记作节点A；由终端通过USB端口及以太网端口发送数据给瘦路由，瘦路由则通过天线对数据进行转发，节点A发送数据给任选目标节点；
(2)节点A基于路由算法寻找到目标节点，并确认该节点所对应的路由；
(3)确定好目标节点后，由节点A基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法判断当前信道是否可用，如果可用则将数据转发给目标节点；如不可用则基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法进行避让；
(4)目标节点收到数据，传输结束；
所述步骤(3)中基于卡尔曼滤波的增强混合信道分配算法具体是指：
①假设无线组网系统中有y个节点，则将y个节点组成的集合记为{X1，X2，...，Xy}，假设无线组网系统分为L层，将y个节点以及其在无线组网系统中的逻辑位置分为L个集合，即：M1，M2，...，ML，其中，ML为根节点，并且满足如公式(2)所示的关系：
M1∪M2∪M3∪...∪ML＝{X1，X2，...，Xy} (1)
规定集合M的优先级函数为J，令节点i∈M是节点j∈N的父节点，则；
J(M)＞J(N) (2)
②同一父节点的所有子节点为一组，同组节点依据各节点所连接的胖路由或瘦路由的当前缓存实时分成三个小组，即：空闲组Free、满负载组Full和超负载组Over，其中超负载组Over优先级最高，t时刻节点i可通过公式(4)计算得到其小组成员：
Figure FDA0003919852740000021
其中，所有节点的缓存都为CT，如果Dt(i)＝1则表示节点i∈Over，若Dt(i)＝0则节点i∈Full，若Dt(i)＝-1则节点i∈Free；以此类推；其中，Ct(i)表示节点i在t时刻的缓存；C′t+1(i)表示节点i在t+1时刻的预测缓存，计算公式如式(4)所示：
C′t+1(i)＝Ct(i)+αt{|C′t(i)-Ct(i)|} (4)
式中，α表示误差权重参数，按公式(5)-(8)得到；
Figure FDA0003919852740000022
Figure FDA0003919852740000023
Figure FDA0003919852740000024
ρt＝|Ct(i)-C′t(i)| (8)
③依据优先级，为不同组及组内节点分配传输时隙；假设可分配时隙为Ts，则组M可分的传输时隙为：
Figure FDA0003919852740000025
式中，参数x表示组M的优先级别，最高优先级别为L；
而组M内的节点i分得的传输时隙为：
Figure FDA0003919852740000031
公式(10)中，uOver表示超负载组Over的节点数量；uFull表示满负载组Full的节点数量；uFree表示空闲组Free的节点数量；
参数Competei用于判断节点i是否竞争得到当前时隙发送数据权限，其定义如公式11所示；
Figure FDA0003919852740000032
④设节点i的布尔函数Boolean如公式(12)所示：
Figure FDA0003919852740000033
当Booleani＝1并且Bai＝0，表示节点i可以发送数据；其他情况表示节点i不可以发送数据；参数Bai由公式(13)计算获得；
⑤如果节点i成功发送数据，并且待发数据全部发送则整个传输过程结束；
⑥如果节点i成功发送数据，但还存在部分待发数据，则执行退避算法，随机生成一个整数Bai，如公式(13)所示，节点i暂停传输Bai个时隙，随后转到步骤④；
⑦如果节点i没有竞争到信道的使用权，即无法发送数据，则所有节点运行指数避让算法，避让函数Bai如公式(13)所示，等待避让时间后转到步骤④；
Figure FDA0003919852740000041
其中，rand的值随机产生并且
Figure FDA0003919852740000042
⑧所有数据传输成功，结束传输。
2.根据权利要求1所述一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，其特征在于所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由是带USB端口、以太网端口及天线构成；其中，所述胖路由利用PC机的USBA端口供电，且通过USB端口及以太网端口实现与PC机、胖路由以及瘦路由之间的双向通信。
3.根据权利要求1所述一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，其特征在于所述基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由是带以太网端口、RS485端口、RS232端口及天线的导轨式路由器；其中，所述瘦路由通过m5V或12V接口供电，且通过USB端口或以太网端口实现PC、胖路由以及瘦路由的双向通信。
4.根据权利要求1所述一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，其特征在于所述基于IEEE 802.11ah协议的胖路由和基于IEEE 802.11ah协议的瘦路由带有按键及指示灯；所述指示灯用于显示胖路由/瘦路由的信号状态和工作状态；所述按键用于根据按键组网调整胖路由/瘦路由所在节点的主从状态。
5.根据权利要求1所述一种面向边缘智能协同的IEEE802.11ah无线组网系统，其特征在于所述步骤③中公式(11)的信道的竞争算法采用生成随机数比较大小的方法。
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