一种基于信息年龄的物联网组网方法技术

本发明专利技术提供了一种基于信息年龄的物联网组网方法，该方法首先根据各类物联网业务对信息年龄(AoI)的要求，在云端和雾接入点(F‑AP)初始化部署物联网业务模块。然后各F‑AP根据业务对AoI需求的紧迫性轮流调度部分物联网业务无线网关控制其下的物联网终端采集物理信息并聚合发送，直到所有业务均被调度一次。F‑AP确认数据包成功到达物联网业务模块后对相应业务的AoI进行初始化，随后AoI随时间线性增长。所有业务的AoI均初始化完成后，F‑AP持续监测各业务的AoI，从而确定下一调度周期内各物联网业务调度的优先级以及相应的组网传输策略。本发明专利技术能够保证陈旧的信息得到及时的更新，保证各物联网业务的稳定运行，以满足不同物联网业务对于信息新鲜度的不同需求。

A networking method of Internet of things based on information age

【技术实现步骤摘要】
一种基于信息年龄的物联网组网方法
本专利技术涉及物联网
，特别是涉及一种基于信息年龄的物联网组网方法。
技术介绍
在物联网
，对于环境监测、智能交通、工业自动化等应用场景，需要大量物联网终端设备采集及时的、新鲜的信息来监控物理世界，通过“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”的闭环体系实现系统内资源配置和运行的按需响应和动态优化。其中，状态信息的感知和提交的及时性影响了对环境的判断和决策的精度，因此，数据的新鲜度对于一些物联网业务至关重要。例如，在智能交通场景中，传感器设备采集时间敏感数据(如周围车辆的速度和加速度等)，通过无线信道传输到相应的控制器，如果控制器处的信息过于陈旧，那么就不能准确做出路径规划等决策。传统的解决方案是利用传输时延指标进行度量，但传输时延指标度量的只是单个数据包从生成到接收的时间差，这会导致陈旧的信息不能得到及时的更新，过时的信息造成物联网系统效率低下或严重事故。
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信息年龄(AgeofInformation，以下简称AoI)的物联网组网方法，使陈旧的信息得到及时的更新，保证各物联网业务的稳定运行，以满足不同物联网业务对于信息新鲜度的不同需求。本专利技术提供一种基于信息年龄的物联网组网方法，包括：步骤1，根据各类物联网业务的信息年龄门限，对各物联网业务模块进行初始化部署；步骤2，根据各物联网业务的信息年龄门限，各雾接入点(FogAccessPoint，以下简称F-AP)对其服务的各物联网业务无线网关进行轮流调度，进而获得各业务的初始信息年龄；步骤3，所有业务信息年龄均初始化完成后，各雾接入点随后持续监测各业务的信息年龄，在后续每个调度周期开始时，计算各业务的门限与信息年龄之差，并据此对物联网无线网关进行调度，然后对调度业务的信息年龄进行更新；步骤4，雾接入点在每个调度周期结束时对每个业务的信息年龄和相应门限进行比较，连续统计K个调度周期中业务i的信息年龄超过相应门限的次数Mi，并在K个调度周期结束时根据Mi以及过往网络性能状况对物联网业务模块部署、物联网业务传输方式进行更改。根据本专利技术提供的基于信息年龄的物联网组网方法，引入了AoI，AoI被定义为自上一个成功传送到目的地的数据包生成以来经过的时间，即AoI与数据包传输时延和数据采集间隔均有关，它从接收端的角度表征了状态信息的新鲜程度，能够很好的应用在需要对物理环境进行及时反馈控制的物联网业务中，本方法首先将部分对信息及时性要求较高的业务的物联网业务模块部署在F-AP，降低了数据包到达物联网业务模块的时延，进而降低了这些业务的AoI。其次，通过F-AP节点监测各业务的AoI确定物联网无线网关调度的优先级，在网络资源有限的情况下保证了较紧急的业务的更及时的信息更新。最后，所述方案通过统计并分析AoI监测结果来更改物联网业务模块部署并改进传输方式，改善了相应物联网业务的AoI。该方法能够保证陈旧的信息得到更及时的更新，保证各物联网业务的稳定运行，避免因为过时的信息造成物联网系统效率低下或严重事故。另外，根据本专利技术上述的基于信息年龄的物联网组网方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，步骤1中，物联网业务的AoI门限Ai(以业务i为例)通过综合考虑陈旧信息的危害性程度、业务所监视的物理过程随时间的变化速度、更新信息的成本等来进行设定。步骤1中，物联网业务模块具有实现物联网业务所需要的数据分析、数据挖掘等功能，并可以根据数据分析的结果做出最优决策，进而对物联网设备进行控制。物联网业务模块可以部署在F-AP或云端处。步骤1中，对各物联网业务模块进行初始化部署的步骤具体包括：对于物联网业务i，若其AoI门限值Ai小于等于预设门限A，则将业务i的业务模块部署在服务业务i的无线网关的F-AP处；若其AoI门限Ai大于A，将其业务模块部署在云端。其中，F-AP是具有数据存储和计算功能的增强型基站，通过前传链路与云端连接；物联网业务的无线网关负责将业务下的传感器等物联网终端接入F-AP，实现异构通信协议的统一接入。进一步地，步骤2中，物联网业务无线网关具有协议转换功能，负责保证不同的感知层网络协议转变为统一的数据和信令，另外，物联网无线网关具有物联网终端设备管理功能，当接收到来自F-AP的调度信息时，其发送指令到相应的物联网终端，使物联网终端采集并上传物理环境数据。步骤2具体包括：首先，将各物联网业务按AoI门限的值从高到低进行排序，先调度门限最高的N个业务的无线网关，然后以此类推，直到每个业务无线网关均被调度一次；物联网业务无线网关接收到F-AP的调度信息后，控制其下的物联网终端进行数据采集并上传，其中，上传的信息包括数据采集时间(即状态数据的生成时间)和采集的数据；网关将聚合的数据、业务ID、数据采集时间发送至服务它的F-AP；由于同一网关下各物联网终端采集数据的时间可能不同，因此需要为聚合的数据包定义统一的数据采集时间。步骤2中，获得各业务的初始信息年龄的步骤具体包括：F-AP首次成功接收某业务数据包后，对其进行解析，提取数据采集时间和业务ID并记录。对于物联网业务模块位于F-AP的业务，直接初始化AoI，即用当前时间减去数据采集时间，得到当前AoI的值，之后该AoI随时间线性增长；对于物联网业务模块位于云端的业务，F-AP将数据包转发给相应的物联网业务模块，业务模块正确接收数据包后向F-AP发送确认信息，F-AP接收到确认信息后，利用当前时间减去数据采集时间，得到当前的AoI值，之后该AoI随时间线性增长。其中，确认信息保证了F-AP将数据成功传送到了云端，另外，F-AP将各业务的AoI以元组方式进行存储，格式为[业务ID,AoI]。进一步地，步骤3中，对物联网无线网关进行调度的步骤具体包括：各F-AP计算其下各业务的AoI门限与当前AoI的差值，然后根据差值由小到大进行排序，差值越小的业务具有更高的调度优先级。其中，AoI的值小于预设门限Xi的业务的无线网关不参与此次调度；其余网关的调度传输方式为F-AP调度这些网关中优先级最高的N个网关，网关接收到F-AP的调度信息后，控制其下的物联网终端进行数据采集并上传，然后网关将收到的聚合后的数据、业务ID以及数据采集时间发送至服务它的F-AP；步骤3中，对调度业务的信息年龄进行更新的步骤具体包括：F-AP成功接收业务数据包后，对其进行解析，提取数据采集时间和业务ID。对于业务i的数据包，F-AP根据该业务数据包的采集时间判断该数据包是否为有效数据，判断方法为，如果业务i的数据包的当前AoI(当前的时间减去数据包的数据采集时间)小于等于预设门限Bi，则视该数据包为有效数据，否则，视为过时的无效数据。接着，如果该数据包为有效数据，则对于物联网业务模块位于F-AP的业务，F-AP直接利用前述计算出的AoI对记录的元组[业务ID,AoI]中的AoI进行赋值,之后AoI随时间线性增长；对于物联网业务模块位于云端的业务，F-AP将数据包转发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤1，根据各类物联网业务的信息年龄门限，对各物联网业务模块进行初始化部署；/n步骤2，根据各物联网业务的信息年龄门限，各雾接入点对其服务的各物联网业务无线网关进行轮流调度，进而获得各业务的初始信息年龄；/n步骤3，所有业务信息年龄均初始化完成后，各雾接入点随后持续监测各业务的信息年龄，在后续每个调度周期开始时，计算各业务的门限与信息年龄之差，并据此对物联网无线网关进行调度，然后对调度业务的信息年龄进行更新；/n步骤4，雾接入点在每个调度周期结束时对每个业务的信息年龄和相应门限进行比较，连续统计K个调度周期中业务i的信息年龄超过相应门限的次数M

【技术特征摘要】
1.一种基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，根据各类物联网业务的信息年龄门限，对各物联网业务模块进行初始化部署；
步骤2，根据各物联网业务的信息年龄门限，各雾接入点对其服务的各物联网业务无线网关进行轮流调度，进而获得各业务的初始信息年龄；
步骤3，所有业务信息年龄均初始化完成后，各雾接入点随后持续监测各业务的信息年龄，在后续每个调度周期开始时，计算各业务的门限与信息年龄之差，并据此对物联网无线网关进行调度，然后对调度业务的信息年龄进行更新；
步骤4，雾接入点在每个调度周期结束时对每个业务的信息年龄和相应门限进行比较，连续统计K个调度周期中业务i的信息年龄超过相应门限的次数Mi，并在K个调度周期结束时根据Mi以及过往网络性能状况对物联网业务模块部署、物联网业务传输方式进行更改。


2.根据权利要求1所述的基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，步骤1中，物联网业务模块用于实现物联网业务所需要的数据分析、数据挖掘，并根据数据分析的结果做出最优决策，进而对物联网设备进行控制，物联网业务模块部署在雾接入点或云端处；
步骤1中，对各物联网业务模块进行初始化部署的步骤具体包括：
对于物联网业务i，若其信息年龄门限Ai小于等于预设门限值A，则将业务i的业务模块部署在服务业务i的无线网关的雾接入点处；若其信息年龄门限Ai大于A，将其业务模块部署在云端；
其中，预设门限A由物联网业务的总数量、各物联网业务的信息年龄要求、雾接入点数量、以及各雾接入点的计算存储能力综合得到，其中，雾接入点是具有数据存储和计算功能的增强型基站，通过前传链路与云端连接；物联网业务的无线网关负责将业务下的物联网终端接入雾接入点。


3.根据权利要求1所述的基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，步骤2中，物联网业务无线网关具有协议转换功能，负责保证不同的感知层网络协议转变为统一的数据和信令，另外，物联网无线网关具有物联网终端设备管理功能，当接收到来自雾接入点的调度信息时，其发送指令到相应的物联网终端，使物联网终端采集并上传物理环境数据。


4.根据权利要求3所述的基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，步骤2具体包括：
将各物联网业务按信息年龄门限的值从高到低进行排序，先调度门限最高的N个业务的无线网关，然后以此类推，直到每个业务无线网关均被调度一次；
物联网业务无线网关接收到雾接入点的调度信息后，控制其下的物联网终端进行数据采集并上传，其中，上传的信息包括数据采集时间和采集的数据；
网关将聚合的数据、业务ID、数据采集时间发送至服务它的雾接入点。


5.根据权利要求4所述的基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，网关将聚合的数据、业务ID、数据采集时间发送至服务它的雾接入点的步骤中，需要为聚合的数据包定义统一的数据采集时间，定义网关聚合的数据包的数据采集时间的方法为：网关聚合的数据包的数据采集时间为该网关聚合的来自各物联网终端的数据的采集时间中最早的时间。


6.根据权利要求3所述的基于信息年龄的物联网组网方法，其特征在于，步骤2中，获得各业务的初始信息年龄的步骤具体包括：
雾接入点首次成功接收某...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙耀华，陈思齐，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