[發明專利]一種低功耗廣域網內通信數據的傳輸調度方法和系統

有效

• 申請號: 201811062056.4
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109362122B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 江濤;黃希;崔莉
• 申請（專利權）人: 中國科學院計算技術研究所
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W72/04;H04W84/18
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國;梁揮

1.一種低功耗廣域網內通信數據的傳輸調度方法，其特征在于，包括：

步驟S1、構建廣域網，該廣域網包括通信節點和網關，該通信節點以單跳的方式接入該網關，接入時該網關為該通信節點授時并分配通信時隙；

步驟S2、該通信節點在該通信時隙內主動向該網關傳輸通信數據和該通信數據的生成時間；

步驟S3、該網關根據該生成時間與該通信時隙，更新該通信節點的通信時隙；

步驟S4、循環該步驟S2和該步驟S3，以實現該廣域網的傳輸調度；

其中，該步驟S1包括：構建包括N個時隙的時間幀，該時間幀的第一個時隙為公共時隙，用于當該通信節點在被分配的通信時隙內未能與該網關成功進行數據傳輸時，該通信節點在下一個時間幀中該公共時隙內重新與網關進行數據傳輸；

步驟S1中該通信節點接入網關的具體過程包括：

步驟S11、置零Retry_times和Reconnect_times變量，Retry_times為記錄通信節點通過隨機退避方法加入網絡的次數，Reconnect_times為節點通過公共時隙與網關進行數據傳輸的次數；

步驟S12、檢查Retry_times是否超過閾值，若是則執行步驟S13，否則執行步驟S14；

步驟S13、該通信節點退出處理流程；

步驟S14、該通信節點進行隨機退避延遲后，開啟射頻發送廣播數據，增加Retry_times計數；

步驟S15、該通信節點在最長等待網關回復時間閾值內收到網關回包，則通信節點加入網絡成功，執行步驟S17，否則執行步驟S16；

步驟S16、關閉射頻，執行步驟S12；

步驟S17、關閉射頻，清零Retry_times參數；

步驟S18：通過解析該網關回包，更新通信節點的本地時間，獲得該通信時隙;

該步驟S2具體包括：

步驟S21、該通信節點檢查該通信時隙對應的時刻是否來臨，若是則執行步驟S22，否則繼續等待時隙開始；

步驟S22、檢查該通信節點的數據隊列中是否有待傳輸的通信數據，若有則執行步驟S23，否則繼續等待數據生成并執行步驟S21；

步驟S23、該通信節點向該網關發送通信數據；

步驟S24、通信節點在預設時間閾值內收到網關回包，則通信數據傳輸成功，執行步驟S25，否則執行步驟S27；

步驟S25、將傳輸成功的通信數據從數據隊列中刪除；

步驟S26、通過解析網關回包，更新節點本地時間，更新節點的通信時隙；

步驟S27、檢查當前通信時隙是否結束，若是則關閉射頻，否則執行步驟S28；

步驟S28：檢查數據隊列中是否還存在待傳輸的通信數據，若存在則執行步驟S23，否則關閉射頻；

該步驟S3包括：

步驟S31、該網關始終保持無線射頻開啟并偵聽信道；

步驟S32、該網關當收到該通信數據，且該通信數據為廣播數據或該通信數據中網關編號字段與該網關自身編號相同時，執行步驟S33，否則繼續等待下一通信數據，執行步驟S32；

步驟S33、依據該通信數據的格式定義解析該通信數據，提取傳輸該通信數據的通信節點的編號、該通信數據的生成時間；

步驟S34、根據該編號，檢查該網關是否已對應通信節點的訪問記錄，若有則執行步驟S38，否則執行步驟S35；

步驟S35、為該編號對應的通信節點分配存儲空間，使用字典結構存儲通信節點信息，將通信節點的鍵值插入字典中，其中鍵為該編號，值為通信節點對應存儲空間的存儲位置；

步驟S36、置零通信節點存儲空間中變量；

步驟S37、該網關首次接收到節點數據包，此時為節點分配的通信時隙為該公共時隙；

步驟S38、判斷是否已建立節點流量模型，若是則執行步驟S310，否則執行步驟S39；

步驟S39、該網關獲取該通信節點兩次通信數據后，初始化該通信節點的流量模型，將該通信節點的當前狀態s＝(Data_time-last_flow_time)/T_slot插入狀態空間，其中T_slot為通信時隙的長度，last_flow_time為該通信節點上次通信數據生成時間，Data_time為該通信節點當前通信數據生成時間；

步驟S310、根據通信節點當前通信數據占用的通信時隙，更新時隙占用概率表；

步驟S311、根據當前節點狀態更新節點的流量模型并進行狀態轉移；

步驟S312：通過馬爾科夫鏈預測該通信節點下次通信數據生成時間和對應的概率，根據預測得到的通信數據生成時間和對應的概率，得到分配時間幀中每一個通信時隙對應的通信節點的延遲期望和通信數據碰撞概率，選擇該延遲期望和沖突期望加權和最小的通信時隙，作為最優時隙，通信節點下一次占用該最優時隙傳輸通信數據。

2.一種低功耗廣域網內通信數據的傳輸調度系統，其特征在于，包括：

廣域網構建模塊，用于構建廣域網，該廣域網包括通信節點和網關，該通信節點以單跳的方式接入該網關，接入時該網關為該通信節點授時并分配通信時隙；

數據發送模塊，用于使該通信節點在該通信時隙內主動向該網關傳輸通信數據和該通信數據的生成時間；

通信時隙更新模塊，該網關根據該生成時間與該通信時隙，更新該通信節點的通信時隙；

循環模塊，用于循環調用執行該數據發送模塊和該通信時隙更新模塊，以實現該廣域網內通信數據的傳輸調度；

其中，該廣域網構建模塊包括：構建包括N個時隙的時間幀，該時間幀的第一個時隙為公共時隙，用于當該通信節點在被分配的通信時隙內未能與該網關成功進行數據傳輸時，該通信節點在下一個時間幀中該公共時隙內重新與網關進行數據傳輸；

廣域網構建模塊中該通信節點接入網關的具體過程包括：

第一判斷模塊，用于置零Retry_times和Reconnect_times變量，Retry_times為記錄通信節點通過隨機退避方法加入網絡的次數，Reconnect_times為節點通過公共時隙與網關進行數據傳輸的次數，判斷Retry_times是否超過閾值，若是則調用執行退出模塊，否則執行數據廣播模塊；

退出模塊、該通信節點退出處理流程；

數據廣播模塊，該通信節點進行隨機退避延遲后，開啟射頻發送廣播數據，增加Retry_times計數，該通信節點在最長等待網關回復時間閾值內收到網關回包，則通信節點加入網絡成功，調用執行網關回包解析模塊，否則調用執行射頻關閉模塊；

射頻關閉模塊，用于關閉射頻，并判斷Retry_times是否超過閾值，若是則調用執行退出模塊，否則執行數據廣播模塊；

網關回包解析模塊，用于關閉射頻，清零Retry_times參數，通過解析該網關回包，更新通信節點的本地時間，獲得該通信時隙；

該數據發送模塊具體包括：

第二判斷模塊，該通信節點判斷該通信時隙對應的時刻是否來臨，若是則調用執行第三判斷模塊，否則繼續等待時隙開始；

第三判斷模塊，判斷該通信節點的數據隊列中是否有待傳輸的通信數據，若有則調用執行數據發送模塊，否則繼續等待數據生成并調用執行該第二判斷模塊；

數據發送模塊，該通信節點向該網關發送通信數據；

第四判斷模塊，判斷通信節點是否在預設時間閾值內收到網關回包，若是，則調用執行刪除模塊，否則調用執行第五判斷模塊；

刪除模塊，將傳輸成功的通信數據從數據隊列中刪除，通過解析網關回包，更新節點本地時間，更新節點的通信時隙；

第五判斷模塊，判斷當前通信時隙是否結束，若是則關閉射頻，否則檢查數據隊列中是否還存在待傳輸的通信數據，若存在則調用執行該數據發送模塊，否則關閉射頻；

該通信時隙更新模塊包括：

射頻開啟模塊，該網關始終保持無線射頻開啟并偵聽信道，該網關當收到該通信數據，且該通信數據為廣播數據或該通信數據中網關編號字段與該網關自身編號相同時，調用執行數據解析模塊，否則繼續等待下一通信數據；

數據解析模塊，依據該通信數據的格式定義解析該通信數據，提取傳輸該通信數據的通信節點的編號、該通信數據的生成時間；

第六判斷模塊，根據該編號，判斷該網關是否已對應通信節點的訪問記錄，若有則調用執行第七判斷模塊，否則調用執行時隙分配模塊；

時隙分配模塊，為該編號對應的通信節點分配存儲空間，使用字典結構存儲通信節點信息，將通信節點的鍵值插入字典中，其中鍵為該編號，值為通信節點對應存儲空間的存儲位置，置零通信節點存儲空間中變量，該網關首次接收到節點數據包，此時為節點分配的通信時隙為該公共時隙；

第七判斷模塊，判斷是否已建立節點流量模型，若是則調用執行時隙占用概率表更新模塊，否則調用執行流量模型構建模塊；

流量模型構建模塊，該網關獲取該通信節點兩次通信數據后，初始化該通信節點的流量模型，將該通信節點的當前狀態s＝(Data_time-last_flow_time)/T_slot插入狀態空間，其中T_slot為通信時隙的長度，last_flow_time為該通信節點上次通信數據生成時間，Data_time為該通信節點當前通信數據生成時間；

時隙占用概率表更新模塊，根據通信節點當前通信數據占用的通信時隙，更新時隙占用概率表；

狀態轉移模塊，根據當前節點狀態更新節點的流量模型并進行狀態轉移，并通過馬爾科夫鏈預測該通信節點下次通信數據生成時間和對應的概率，根據預測得到的通信數據生成時間和對應的概率，得到分配時間幀中每一個通信時隙對應的通信節點的延遲期望和通信數據碰撞概率，選擇該延遲期望和沖突期望加權和最小的通信時隙，作為最優時隙，通信節點下一次占用該最優時隙傳輸通信數據。