一种有线无线混合物联网系统及分簇方法与流程

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种有线无线混合物联网系统及分簇方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：面对物联网的迅猛发展需求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的lpwan(low-powerwide-areanetwork，低功耗广域网)也快速兴起。nb-iot与lora是其中的典型代表，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。首先，nb-iot需要工作在授权频段，在频段授权成本较高的前提下，与lora相比，nb-iot需要的成本的更高，这也就是为什么nb-iot一般被电信运营商使用。相比于nb-iot，lora物联技术在非授权频谱上工作，专门为推进lora物联技术发展成立的lora联盟开发的lorawan协议标准支持的应用程序成本相对低很多，这使得lora技术可以被非电信运营商使用。其次，lora的生态系统比nb-iot或其他蜂窝物联网通信标准的生态系统要强。lora已经在许多国家地区被采纳为物联网网络标准，包括美国、澳大利亚、新西兰、中国台湾地区和荷兰等。nb-iot相比之下是一个较新的技术，2017年初才在西班牙进行首次商业应用。最后，虽然nb-iot在城市运作良好，但在郊区或农村地区，特别是没有较强4g网络覆盖的地方表现一般，而lorawan因其不依赖蜂窝数据或wifi，其覆盖范围在所有地区都能保持相对稳定。即使lora物联技术可支持低带宽、低功耗、远距离和大量连接的物联网应用，其支持的上传速率却十分有限，以semtech公司的sx1278芯片为例，其支持的lora终端节点的上传速率范围为0.03kbps-37.5kbps。根据实际测试，在市区环境下，当lora终端节点距离汇聚节点1km时，可达到的上传速率大约为1kbps。这对需要大量连接且每个终端节点均要上传相对较多的数据时，单纯使用lora物联技术将不能在规定时间内上传完所有终端节点需要上传的数据。若该网络中终端节点距离汇聚节点较近(例如，终端节点距离汇聚节点不超过1km)，则可以通过铺设一定量支持相对低速率的有线传输通道(例如，支持的速率为500kbps-1mbps)，在上传时采用有线和无线混合的传输方式，可以达到在规定时间内所有终端节点上传完需要上传的数据。一方面，若将所有终端节点在总的上传时间内通过时隙分开上传，虽然可以避免上传冲突，但大量终端节点间定时和同步难度较大。另一方面，若所有终端节点都同时向汇聚节点上传数据，又会导致严重的冲突和物理干扰。一个有效的方法是采用成簇的方式，并未每个簇分配一段专用时间，每个簇内的终端节点混合采用有线和lora无线传输方式向汇聚节点上传数据，这样既可以大大减小定时和终端节点时间同步难度，也可以减少所有终端节点都同时上传时导致的冲突，会提升终端节点的上传率。现有技术一公开一种基于物联网lora通信技术的楼宇运行数据采集系统和方法。该专利中所述的基于物联网lora通信技术的楼宇运行数据采集方法的具体步骤是：第一步，多个传感器采集到的被测对象的数据(模拟量或数字量)，并将所述数据上传到模拟量或数字量lora节点采集设备。第二步，lora节点采集设备将收到所述传感器数据转换为lora数据，通过射频信号lorarf发送到所述lora双通道网关。第三步，lora双通道网关接收通注册认证的所述lora节点采集设备上传的数据，并将所述lora数据转换为互联网通信数据后，通过gprs\3g\4g\5g发送至云端服务器。第四步，云端服务器接收并将所述数据分类保存，并按照时间对所述数据进行排序。第五步，云端智能分析软件对所述采集数据进行实时分析，并将分析结果做图形可视化处理。第六步，智能终端对所述图形化数据进行实时展示，并将软件分析结果实时推送给用户。该方法存在的不足之处是：该楼宇运行数据采集方法支持的终端节点数量不超过100个，不能适用于大规模楼宇运行数据采集。现有技术二公开了基于lorawan的家畜生物特征实时在线监测系统。该发明利用适合农业领域的物联网lorawan技术，结合生物传感器，采集家畜的基本生理参数相关数据。每头家畜戴上特别设计的颈脖圈，颈脖圈内设置有能够采集心率、温度、加速度、位置、生物阻抗等特征的生物传感器组件，所述传感器组件每间隔一定时间通过lora网关向互联网云服务器发送家畜的心跳、体温、步行数、站立/卧躺时间比等数据。该系统的不足之处是：未明确传感器组件向lora网关上传数据的间隔时间确定方法，以至于当系统中要向lora网关上传数据的传感器组件很多时，会出现冲突，严重影响上传率。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一楼宇运行数据采集方法支持的终端节点数量不超过100个，不能适用于大规模楼宇运行数据采集。不能适用的原因是单纯采用无线lora方式，无论终端节点采用划分时隙还是通过竞争的方式上传数据，为保证终端节点向网关上传数据的上传率，每个网关只能服务一定数量的终端节点。虽然采取增加网关的方式是一种选择，但当前市场网关价格较高，不利于节约成本，也无法保持市场优势。

(2)现有技术二未明确传感器组件向lora网关上传数据的间隔时间确定方法，以至于当系统中要向lora网关上传数据的传感器组件很多时，会出现冲突，严重影响上传率。

(3)大规模物联网络中终端节点向汇聚节点上传数据时上传率较低。

解决上述技术问题的难度和意义：

解决上述技术问题是有难度的：由于受lora终端节点向网关上传数据速率的限制，每个网关所能服务的终端节点数量将十分有限，无法适应大规模物联网中大量lora终端节点接入网关的要求，更无法保证lora终端节点的上传率。若lora终端节点通过完全划分时隙的方式来上传数据，虽然可以保证无上传冲突，但需要十分严格的时间同步和定时策略，这在大规模物联网中将十分困难，甚至可能由于时间同步的紊乱，令系统完全瘫痪。若所有终端节点都采用随机的方式向汇聚节点上传数据，又会导致严重的冲突，这也会严重影响终端节点的上传率。

但解决上述技术问题将很有意义：解决上述技术问题的成果将推进lora物联网络大规模应用于大片森林的生态环境监测、现代农业的作物情况、土壤、空气等情况监测、大规模智能楼宇的一体化抄表、大规模动物饲养公司中动物健康、生存环境等的监测等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种有线无线混合物联网系统及分簇方法。

本发明是这样实现的，首先，确定网络中终端节点的总个数，记为参数n；确定终端节点每个周期内需要上传的数据量，记为d比特；确定连到汇聚节点的独立有线线路条数，记为参数m；对各终端节点进行标号，以使汇聚节点可以在接收数据时区分来自不同节点的数据；在每条独立有线线路上形成一个列表；其次，确定每条独立有线线路上加入簇的终端节点个数nl；每条独立有线线路上排列中前nl个终端节点加入簇1，并将加入簇1的终端节点在相应的列表中删除，这些节点将采用有线竞争信道的方式向汇聚节点上传数据；所有列表中终端节点中距离汇聚节点最近的终端节点，若其满足加入簇的最小速率要求，则其加入簇1，并将从相应的列表中删除，该节点将采用lora无线方式传输；形成簇2，簇3，···，直到所有终端节点均在某一个簇内；记形成簇的总个数为n；再次，确定每个簇占有的时间块大小；然后，确定有线传输的时隙大小；确定无线传输的时隙大小；最后，每个簇中的终端节点在每个时间块内采取有线传输或者lora无线传输的方式向汇聚节点上传数据。

进一步，所述在每条独立有线线路上形成一个列表的方法包括：对每条独立有线线路上的终端节点依据与汇聚节点的距离进行升序排列，形成列表。

进一步，所述确定每条独立有线线路上加入簇的终端节点个数nl的方法包括：

首先确定最小平均上传速率要求：其中n是网络中终端节点的个数，d是每个终端节点要上传的数据量，单位为比特，故rmin单位为比特/秒；在一条独立的有线线路上，若x节点中每个节点均以等概率发送数据或者不发送数据；则有任意一个节点传输成功的概率满足：

为保证等效上传速率大于最小平均上传速率rmin，需要满足：rl*psucc≥rmin。其中rl是有线传输的信道容量；以作为psucc的下界，求得x的取值范围，以x的取值范围的上界作为nl的取值。

进一步，所述采用有线竞争信道的方式向汇聚节点上传数据的具体竞争方式包括：在每个时隙的开始时刻，各节点均以等概率发送数据或者不发送数据；若发生碰撞，则节点随机选择1-16个时隙来退避；当退避结束后，节点再以等概率发送数据或者不发送数据，一直重复过程。

进一步，所述采用lora无线方式传输的终端节点加入簇的最小速率包括：在每个簇占有的时间块内，终端节点应该上传完自己要上传的数据，即d比特，则上传速率至少应该为：其中to为总的上传允许时间，n为该网络中总的簇的个数。

进一步，所述直到所有终端节点均在某个簇内的简单判断方法是：所有独立有线线路上lora无线信道强度的列表为空。

进一步，所述确定每个簇占有的时间块大小方法是：将总的上传允许时间记为to秒，则每个簇占有的时间块为秒；

进一步，所述确定有线传输时隙大小的方法是：采用有线传输的信道容量为rl比特/秒，则有线传输的时隙大小为：秒。

进一步，所述确定无线传输时隙大小的方法用lora无线传输的时隙最大不应该超过在一个簇占有的时间块内应该保证采用lora无线传输的终端节点传送完自己要上传的数据。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述有线无线混合物联网络分簇方法的无线网络通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：基于网络优化理论，通过将终端节点分成若干个簇，并给每一个簇分配一段专用时间段用于簇内终端节点采用有线或无线方式上传数据到汇聚节点，可以有效提高终端节点的上传率。

本发明通过在现有lora无线物联网络中少量铺设相对低速率的有线线路，形成有线无线混合的物联网络，克服了现有物联网应用某些场景中单纯采用lora无线物联技术无法满足特定上传率要求的不足，使得本发明不仅可以有效提高物联网络中终端节点的上传率，而且采用有线和无线相互备份的方式，可以有效提高物联网络的可靠性。

本发明采用允许一定竞争的成簇方式，通过粗粒度地为每个簇分配一块特定的时间块，只需考虑簇内终端节点的定时和同步问题，克服了现有技术中完全采用时分多址技术为每个终端节点分配一个特定时隙的方法中定时和终端节点同步实现难度大的不足，使得本发明有效地降低了物联网络复杂度，减少了终端节点的定时和同步开销。

本发明通过成簇，并为每个簇分配一段专用时间段的方式来减少冲突终端节点的数目，克服了当前lora联盟推出的标准lorawan协议中没有考虑大量终端节点同时上传会使冲突频繁，影响网络中终端节点的上传率的不足，使得本发明有效提高了终端节点的上传率。

本发明所提的方案与现有方案对比表如表1所示：

表1本发明所提的方案与现有方案对比表

附图说明

图1是本发明实施例提供的有线无线混合物联网分簇方法流程图。

图2是本发明实施例提供的有线无线混合物联网分簇方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的有线无线混合物联网分簇方法的应用场景示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以根据网络中终端节点数量、终端节点需要上传的数据量，终端节点到汇聚节点的信道情况等，结合网络优化方法，有效提高有线无线混合物联网络中终端节点到汇聚节点的上传率。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的有线无线混合物联网分簇方法包括以下步骤：

s101：确定网络中终端节点的总个数，记为参数n；确定终端节点每个周期内需要上传的数据量，记为d比特；确定连到汇聚节点的独立有线线路条数，记为参数m；对各终端节点进行标号，以使汇聚节点可以在接收数据时区分来自不同节点的数据；在每条独立有线线路上形成一个列表；

s102：确定每条独立有线线路上加入簇的终端节点个数nl；每条独立有线线路上排列中前nl个终端节点加入簇1，并将加入簇1的终端节点在相应的列表中删除，这些节点将采用有线竞争信道的方式向汇聚节点上传数据；所有列表中终端节点中距离汇聚节点最近的终端节点，若其满足加入簇的最小速率要求，则其加入簇1，并将其从相应的列表中删除，该节点将采用lora无线方式传输；形成簇2，簇3，···，直到所有终端节点均在某一个簇内；记形成簇的总个数为n；

s103：确定每个簇占有的时间块大小；

s104：确定有线传输的时隙大小；确定无线传输的时隙大小；

s105：每个簇中的终端节点在每个时间块内采取有线传输或者lora无线传输的方式向汇聚节点上传数据。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的有线无线混合物联网络分簇方法包括以下步骤：

本发明的应用场景为物联网络，网络中主要考虑多终端节点向汇聚节点上传数据的过程。物联网络的场景示意图参照附图3。图3包含1个汇聚节点和1000个终端节点，汇聚节点和终端节点位置固定，且终端节点到汇聚节点的最大距离不超过1km，设定该条件是考虑到铺设有线线路的成本。图中的无方向实线是铺设的有线线路，有线线路支持的最高速率为500kbps。每个终端节点需要上传的数据量为1000字节，要求在5分钟内1000个终端节点将需要上传的数据上传到汇聚节点。

步骤一，网络初始化。

确定网络中终端节点的总个数n＝1000；确定终端节点每个周期内需要上传的数据量d＝1000字节＝8000比特；由附图3所示的场景示意图可知连到汇聚节点的独立有线线路条数m＝2；对各终端节点进行标号，标号规则为(x,y),x∈{1,2},y∈{1,1000}，其中x代表独立有线线路的标号，y代表第x条有线线路上的第y个终端节点；对每条独立有线线路上的终端节点依据与汇聚节点的距离进行升序排列，形成列表。

步骤二，终端节点成簇。

首先确定终端节点的最小平均上传速率要求：在一条独立的有线线路上，若x节点中每个节点均以等概率发送数据或者不发送数据。则有任意一个节点传输成功的概率满足：

为保证终端节点等效上传速率大于最小平均上传速率rmin，需要满足：rl*psucc≥rmin。其中rl是有线传输的信道容量，即rl＝500kbps。以作为psucc的下界，可以求得x的取值范围。即求得x≤7，当x＝7时，等效的传输速率为27.34kbps，因此可以取每条独立有线线路上加入簇的终端节点数目nl＝7。

每条独立有线线路上列表中前7个终端节点加入簇1，并将加入簇1的终端节点在相应的列表中删除，这些节点将采用有线竞争信道的方式向汇聚节点上传数据；

在所有未加入簇的终端节点中选择lora无线信道强度最强的终端节点，若其满足加入簇的最小速率要求，则其加入簇1，并将其从相应的列表中删除。其中加入簇的最小速率要求推导如下：

在每个簇占有的时间块内，该终端节点应该上传完自己要上传的数据，即8000比特，则上传速率至少应该为：n为该网络中总的簇的个数。当没有任何一个终端节点满足最小速率条件加入任何一个簇时，可得到n的一个上界则若进一步考虑到可靠性，额外考虑一个重传的时隙，和时隙间的保护间隔ti＝0.1s，则上传速率至少应该为：

簇1形成后，采取相同的方式，继续形成簇2，簇3，···，直到两条独立的有线线路上的两个列表均为空。记此时形成的簇的总个数为n。

步骤三，确定每个簇占有的时间块大小。

因总的上传允许时间记为300秒，则每个簇占有的时间块为秒；

步骤四，确定时隙大小。

确定有线传输时隙大小的计算公式为：

确定无线传输时隙大小的方法：：采用lora无线传输的时隙最大不应该超过即在一个簇占有的时间块内应该保证采用lora无线传输的终端节点可以传送完自己要上传的数据。如果考虑到可靠性，额外考虑一个重传的时隙，则采用lora无线传输的时隙最大不应该超过若考虑时隙间的保护间隔，则时隙会更小；

步骤五，终端节点上传数据。

每个簇中的终端节点在每个时间块内采取有线传输或者lora无线传输的方式向汇聚节点上传数据。在该簇占有的时间块内每个有线传输时隙的开始时刻，每条独立有线线路上的7个节点均以等概论发送或者不发送数据，若发生碰撞，则节点随机选择1-16个时隙来退避。当退避结束后，节点再以等概率发送数据或者不发送数据，一直重复该过程，直到所有终端节点都上传完自己要上传的数据，或者分配给该簇的时间块用完。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。