一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法技术

本发明专利技术提供了一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，根据工业物联网场景中周期性业务、增强型移动宽带业务和非周期关键业务三种业务的时延特征，雾计算接入点(Fog Access Point，F‑AP)能够灵活采用半静态调度、抢占调度和动态调度。本发明专利技术充分利用F‑AP的存储、处理和转发能力，为各业务数据包创建队列和时间感知调度表，优先转发要求超低时延的非周期关键业务，并可直接转发至边缘服务器进行业务处理，同时基于时间感知的调度可保证周期性业务严格的低时延抖动。本发明专利技术可应用于物联网中多种时延需求差异化业务共存的场景，提高网络的时延和抖动性能。

A networking method of fog computing Internet of things based on time delay perception

【技术实现步骤摘要】
一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法
本专利技术涉及物联网
，特别是涉及一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法。
技术介绍
在互联网的基础之上，物联网通过射频识别技术与多种类型的传感器，将所有可被独立寻址的普通物品互联互通进行信息交换和通讯，以实现智能化识别和对物理系统的统筹管理。作为物联网的一个重要应用场景，工业物联网近来引起了众多关注。工业物联网中的业务主要分为周期性业务，例如来自不同应用程序的多个时间敏感数据流，具有不同的周期和关键优先级；非周期但具有关键优先级的业务，例如警报、安全检测器等事件告警；增强型移动宽带(EnhancedMobileBroadband，eMBB)业务，例如互联网流量或支持工厂运营的任何其他流量。现有的组网方法主要考虑满足低时延高可靠业务或增强型移动宽带业务的需求，而对于上述三种类型业务的混合调度和处理转发尚未有相应的解决方案。
技术实现思路
为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，通过利用雾计算接入点(FogAccessPoint，F-AP)的存储、转发和处理能力，以根据不同类型业务对时延的需求灵活制定调度方案和转发处理方案，保证周期性业务的低时延抖动和非周期关键业务的超低时延。本专利技术提供一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，包括：步骤1，各物联网设备根据预设的接入准则完成雾计算接入点接入，雾计算接入点初始化无线资源配置参数Ω0、Ω1、Ω2、Z，Ω0为雾计算接入点可用的用于上行数据传输的子信道的编号集合，Ω1和Ω2分别为雾计算接入点预留给周期性业务的子信道集合和雾计算接入点预留给增强型移动宽带业务的子信道集合，且满足Ω0＝Ω1∪Ω2，Z为Ω1中未被周期性业务占用的子信道集合，物联网设备分包括周期性业务设备、非周期但具有关键优先级的业务设备、增强型移动宽带业务设备；步骤2，在资源池划分周期T1初始时，若其为首个资源划分周期，则执行步骤3，否则各雾计算接入点根据过往的m个业务调度周期T2内的周期性业务请求比例对子信道资源池Ω0进行重划分；步骤3，在调度周期T2初始时，物联网设备向所接入的雾计算接入点发送业务调度请求，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案，同时记录该调度周期收到的业务请求总数以及周期性业务请求总数；步骤4，雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息，物联网设备接收到来自雾计算接入点的信息后，使用相应的无线资源上传数据，然后雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据；步骤5，在每个业务调度周期末尾，雾计算接入点检查已分配资源的每个周期性业务的状态，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源，并对集合Z进行必要的更新。根据本专利技术提供的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，利用F-AP的存储、处理和转发能力，根据工业物联网场景中不同类型业务的时延需求特征，在无线资源调度阶段采用了半静态调度和动态调度相结合的无线资源调度方案，而在数据转发阶段，则结合了基于优先级转发和时间感知转发的方式，从而在整体上保证了各业务的时延需求，能够很好的满足不同类型业务的混合调度和处理转发，保证周期性业务的低时延抖动和非周期关键业务的超低时延。特别地，对于有极低时延要求的周期性业务或者关键的事件触发业务，可以直接在F-AP处的边缘服务器中完成数据的计算处理，进一步降低了时延，改善了网络性能。另外，根据本专利技术上述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，步骤2中，资源池划分周期T1与业务调度周期T2满足T1＝mT2，并且雾计算接入点预先设置了半静态调度的授权有效期为T3。进一步地，步骤2中，对子信道资源池Ω0进行重划分的步骤具体包括：雾计算接入点首先计算之前的m个调度周期内周期性业务请求次数占所有业务请求次数的比例p0，接着预留给周期性业务的子信道个数可定为其中N为系统所有的子信道个数，最后从集合Ω0中选取N1个子信道构成集合Ω1，其余子信道构成集合Ω2。进一步地，步骤3中，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案的步骤具体包括：对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道；对于事件触发型的关键优先级业务，雾计算接入点从集合D＝Z∪Ω2中按照轮询的方式为每个业务分配当前集合中信道条件最好的子信道，每次分配完成后将分配的子信道从集合D中删去；上述步骤完成后，若集合Ω2此时非空，则将集合中的剩余资源采用轮询方式分配给各增强型移动宽带业务，直到资源全部分配完为止。进一步地，对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道的步骤具体包括：雾计算接入点根据业务周期和最大可容忍时延确定调度优先级，周期短的业务具有更高优先级，若业务周期相等，则最大可容忍时延低的业务具有较高优先级；雾计算接入点基于周期性业务的优先级为每个业务逐个分配子信道资源：首先根据信道状态信息计算集合Z中每个子信道z的传输速率rz，然后根据业务数据量大小b和调度周期T2计算需要满足的最低数据传输速率接着从集合Z中对子信道逐个无放回抽取，直到抽取的所有子信道的传输速率和大于R，这些子信道即为分配给当前业务的无线资源，且每次分配完成后，将已分配的子信道从集合Z中删去，若集合中的资源无法满足某个业务的速率需求，则资源分配失败，集合Z不变，接着开始分配下一优先级业务的资源。进一步地，步骤4中，调度请求成功的设备指：对于周期性业务设备，其传输速率需求得到满足；而对于其余设备，只要其请求的业务获得了子信道资源即视为调度请求成功：雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息包括允许接入的确认信息、雾计算接入点为设备分配的子信道在频带中的位置/编号，其中，在为周期业务设备发送的信息中还包含无线资源授权的有效期T4，满足T4＝min(nTmin,T3)，其中，n表示到当前所处资源划分周期结束前剩余的资源调度周期个数，Tmin表示最小的业务调度周期，T3表示雾计算接入点为周期性设备预先设置的半静态调度授权期限，为业务调度周期的整数倍，且小于资源划分周期，当收到授权信息的周期业务的设备在T4时间段内需再次发送数据时，无需提交调度请求，在此次分得的无线资源上传输即可；雾计算接入点为各周期性业务分别创建并维持一个队列，雾计算接入点计算周期性业务队列的转发时间表，基于时间感知控制各队列中数据的传输或者禁用，而在事件触发业务、周期性业务和增强型移动宽带业务间则采用基于优先级的转发。进一步地，步骤4中，雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据的步骤具体包括步骤41～步骤43：步骤41，雾计算接入点为不同类型的业务数据包创建队列，并为队列确定优先级，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤1，各物联网设备根据预设的接入准则完成雾计算接入点接入，雾计算接入点初始化无线资源配置参数Ω

【技术特征摘要】
1.一种基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，各物联网设备根据预设的接入准则完成雾计算接入点接入，雾计算接入点初始化无线资源配置参数Ω0、Ω1、Ω2、Z，Ω0为雾计算接入点可用的用于上行数据传输的子信道的编号集合，Ω1和Ω2分别为雾计算接入点预留给周期性业务的子信道集合和雾计算接入点预留给增强型移动宽带业务的子信道集合，且满足Ω0＝Ω1∪Ω2，Z为Ω1中未被周期性业务占用的子信道集合，物联网设备分包括周期性业务设备、非周期但具有关键优先级的业务设备、增强型移动宽带业务设备；
步骤2，在资源池划分周期T1初始时，若其为首个资源划分周期，则执行步骤3，否则各雾计算接入点根据过往的m个业务调度周期T2内的周期性业务请求比例对子信道资源池Ω0进行重划分；
步骤3，在调度周期T2初始时，物联网设备向所接入的雾计算接入点发送业务调度请求，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案，同时记录该调度周期收到的业务请求总数以及周期性业务请求总数；
步骤4，雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息，物联网设备接收到来自雾计算接入点的信息后，使用相应的无线资源上传数据，然后雾计算接入点采用优先级转发和时间感知的转发相结合的方式转发接收的数据；
步骤5，在每个业务调度周期末尾，雾计算接入点检查已分配资源的每个周期性业务的状态，根据状态决定是否释放半静态调度分配的资源，并对集合Z进行必要的更新。


2.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤2中，资源池划分周期T1与业务调度周期T2满足T1＝mT2，并且雾计算接入点预先设置了半静态调度的授权有效期为T3；步骤2中，对子信道资源池Ω0进行重划分的步骤具体包括：雾计算接入点首先计算之前的m个调度周期内周期性业务请求次数占所有业务请求次数的比例p0，接着预留给周期性业务的子信道个数可定为其中N为系统所有的子信道个数，最后从集合Ω0中选取N1个子信道构成集合Ω1，其余子信道构成集合Ω2。


3.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤3中，雾计算接入点根据当前资源池划分情况、物联网设备发送的业务调度请求信息以及信道条件，确定各物联网设备的无线调度方案的步骤具体包括：
对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道；
对于事件触发型的关键优先级业务，雾计算接入点从集合D＝Z∪Ω2中按照轮询的方式为每个业务分配当前集合中信道条件最好的子信道，每次分配完成后将分配的子信道从集合D中删去；
上述步骤完成后，若集合Ω2此时非空，则将集合中的剩余资源采用轮询方式分配给各增强型移动宽带业务，直到资源全部分配完为止。


4.根据权利要求3所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，对于周期性业务，基于业务周期和最大可容忍时延，采用半静态调度方法为此类业务分配子信道的步骤具体包括：
雾计算接入点根据业务周期和最大可容忍时延确定调度优先级，周期短的业务具有更高优先级，若业务周期相等，则最大可容忍时延低的业务具有较高优先级；
雾计算接入点基于周期性业务的优先级为每个业务逐个分配子信道资源：首先根据信道状态信息计算集合Z中每个子信道z的传输速率rz，然后根据业务数据量大小b和调度周期T2计算需要满足的最低数据传输速率接着从集合Z中对子信道逐个无放回抽取，直到抽取的所有子信道的传输速率和大于R，这些子信道即为分配给当前业务的无线资源，且每次分配完成后，将已分配的子信道从集合Z中删去，若集合中的资源无法满足某个业务的速率需求，则资源分配失败，集合Z不变，接着开始分配下一优先级业务的资源。


5.根据权利要求1所述的基于时延感知的雾计算物联网组网方法，其特征在于，步骤4中，调度请求成功的设备指：对于周期性业务设备，其传输速率需求得到满足；而对于其余设备，只要其请求的业务获得了子信道资源即视为调度请求成功：
雾计算接入点向调度请求成功的物联网设备发送调度授权信息包括允许接入的确认信息、雾计算接入点为设备分配的子信道在频带中的位置/编号，其中，在为周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙耀华，秦伟，彭木根，
申请(专利权)人：赣江新区智慧物联研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36