基于广播电视网的物联网组网方法及其路由方法

专利名称：基于广播电视网的物联网组网方法及其路由方法
技术领域：
本发明涉及物联网领域，具体涉及基于广播电视网的物联网组网方法及其路由方 法。
背景技术：
“物联网”起源于1999年MIT Auto-ID实验室提出的传感器网络。2005，国际电信 联盟(ITU)发布了《ITU Report 2005 :The Internet ofThings》，正式提出了“物联网，，这 一名词。作为互联网的自然延伸，“物联网”被誉为互联网浪潮之后的又一次科技革命，它 通过将日常生活中人以外的“物”联入网络，使得人类在信息社会里面获得一个新的沟通视 角，把任何时间、任何地点的人与人之间的通信扩展到人与物、物与物之间的通信，在个人 健康、平安家居、工业监测、智能交通、环境保护、公共安全等领域均有重大应用。近几年来， 美国、欧洲、日本等国家大力发展和支持物联网的研究和推广工作，物联网的概念正在全球 成为热潮。目前，国际上的主要研究计划包括美国的“智慧地球”战略，日本的“i-Japan”计 划及欧盟的“欧盟物联网行动计划”等，这些计划都将物联网提高到国家战略高度，希望能 确定在此领域的竞争优势。物联网包括信息的传感、传输和应用三个重要组成部分，传感部分主要由射频识 别(RFID)技术、传感器网络等组成，对“物”进行感知和控制。由于信息需求的多样化和网 络应用的多元化，物联网面对的是一个极其复杂的无线环境，很多无线网络和协议，如无线 局域网、蓝牙、UWB、ZigBee等能够同时同地共存。为了满足低功耗的基本要求，物联网中 的大量信息传感节点倾向于采用基于反向散射(Backscatter)的无线技术，即以射频识别 (RFID)技术为代表的短距离无线通信技术。因此，物联网是一个由异构网络和异构节点组 成的复杂通信环境，物联网中传感节点类型丰富，在能耗、通信能力、传输距离、移动性等方 面具有天然异构特性，这使得基于同构环境的传感器网络结构及通信机制无法直接使用， 从而给物联网的体系结构设计研究带来了巨大挑战。从国内外研究现状可知，直接面向物 联网的研究并不是很多，目前主要的研究成果集中于传感器网络及其他一般性的无线网络 方面。同时，由于物联网中“物”的数量巨大，物与物之间的相连，使得网络的规模迅速扩大。 在网络规模呈几何级数增长的情况下，如何高效地收集汇聚大量传感节点的信息并且在物 联网中可靠而有效的传输这些信息，对于物联网的研究及其应用至关重要。此外，发展低碳 经济已成为全人类的共识，实现低能耗的绿色物联网是其成功推广应用的关键，而数量巨 大的异构节点无疑大大增加了低能耗物联网的实现难度。现有传感器网络中虽然已有一些 低能耗路由传输机制，但无法有效地直接用于异构的、规模庞大的物联网。为了在节点数量 庞大、各节点特性异构的物联网中实现高可靠和低能耗的信息收集和路由传输，我们必须 突破现有传感器网络和一般无线网络的体系结构限制，寻求解决这一问题的有效途径。

发明内容
(一 )要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是其一、如何设计一种能够适应物联网中异构节点快 速增长需求的网络拓扑结构；其二、如何实现物联网路由的高可靠和低功耗需求之间的平( 二)技术方案为了达到上述目的，本发明提供了一种基于广播电视网的物联网组网方法，所述 物联网包括异构节点，按照如下方式进行组网将所述物联网中的异构节点按照能耗特性 分为多层，且以广播电视网作为所述物联网的骨干网。其中，将物联网中的异构节点按照能耗特性分为如下四层以无源节点作为最底 层；以有源节点作为第二层；以轮循节点作为第三层，该轮循节点为能够给所述无源节点 提供无线电波能量的节点；以所述广播电视网中的发射塔节点作为最高层。其中，所述无源节点包括采用基于射频识别技术的发射机和基于二极管检测器的 无源接收机。其中，所述轮循节点与发射塔节点相连；有源节点与其信号所覆盖区域中的其它 有源节点、轮循节点或者无源节点相连；无源节点与其信号所覆盖区域中的轮循节点相连。其中，所述轮循节点包括固定轮循节点与移动轮循节点，分层之后，所述固定或移 动轮循节点与有源节点构成无线多跳网络结构；所述固定或移动轮循节点、有源节点和无 源节点构成容迟、容错网络结构；将所述发射塔节点设为信息汇聚节点。其中，利用所述物联网的拓扑结构中的以下两个自由度进行路由部分节点的位 置信息和时间信息。其中，按照以下方式获得节点的位置信息利用所述广播电视网的定位功能对所 述轮循节点进行定位以获得其位置信息；基于所述拓扑结构扩散该轮循节点的位置信息以 实现所述无源节点和有源节点的定位。其中，按照以下方式获得节点的时间信息利用所述广播电视网的同步功能对所 述轮循节点进行同步以获得其时间信息；基于所述拓扑结构扩散该轮循节点的时间信息以 获得所述无源节点和有源节点的时间信息。其中，根据所述物联网拓扑结构中各层节点的能耗特性这个自由度实现低能耗高
可靠路由。(三)有益效果本发明通过基于物联网中异构节点的能耗特性差异化的层次化设计，满足了物联 网中异构节点规模呈几何级数增长的需求；通过以广播电视网为骨干网，充分利用了广播 电视网的覆盖和传输优势，实现物联网路由的高可靠和低功耗需求之间的平衡。


图1是利用本发明实施例的方法所建立的物料网中各层异构节点的位置示意图；图2是利用本发明实施例的方法所建立的物联网中由异构节点组成的多跳网络 结构和容迟、容错网络结构示意图；图3是利用本发明实施例的方法所建立的物联网中基于广播电视网的节点定位 示意图；图4是利用本发明实施例的方法所建立的物联网中基于广播电视网进行辅助同步时，各节点之间的通信示意图；图5是利用本发明实施例的方法所建立的物联网中在是否存在部分节点位置信 息的不同情况下不同路由选择的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。广播电视网已经在全球大部分国家成功部署。广播电视网具有天然的覆盖(广域 覆盖)、广播传输(下行单向传输)和穿透力强(发射信号功率高)等优势，通常一个城市 只需要个一个或者几个发射塔就可以实现全城覆盖，并且可实现全国甚至更大范围内的统 一组网。此时，物联网中各种异构的网络节点均在广播电视网巨大的覆盖范围内，且部分节 点可以收到电视发射塔的信号。此外，广播电视网还可以为覆盖范围内的部分异构节点提 供定位、定时等功能，这为一般意义上的物联网路由机制提供了位置信息和时间信息这两 个额外的设计自由度，而基于已知位置信息和时间信息的路由机制无疑在高可靠和低能耗 方面具有巨大的潜力。因此，随着广播电视网的广泛部署，合理有效地利用广播电视网，不 仅可以为物联网中的异构节点提供一个统一的平台，而且为实现低功耗的绿色物联网提供 了一种新的契机。本发明根据以上思路提出了一种基于广播电视网的物联网组网方法及其路由方法。本发明的最突出特点之一是提出了基于广播电视网的层次化异构物联网这个全 新概念，即在存在各种异构节点的物联网中引入了广播电视网，并以此作为骨干网建立层 次化的网络拓扑结构。具体而言，本发明的层次化异构物联网拓扑结构如下根据物联网中各异构节点的能耗特性，将异构节点进行层次化划分，即基于异构 节点能耗特性差异化的网络结构层次化。其中，网络次化划分的层数(》2)可根据网 络结构的性能和复杂度来综合决定。从物联网节点中的无线通信的发射机来看，可以分 为三类，即可以提供无线电波能量给应答器的发射机、普通采用无线局域网(WLAN)、蓝牙 (BLUETOOTH)、UWB、ZigBee等技术的有源发射机以及基于RFID技术的超低功率发射机。有 源发射机能耗大，但传输距离远；超低功率发射机能耗小，但传输距离近，附近必须有提供 无线电波能量的发射机。从物联网节点中的无线通信的接收机来看，也可以分为三类，即可 以接收很弱的RFID反射信号的大功率接收机、普通有源接收机、及基于二极管检测器的无 源接收机。有源接收机能耗大，但接收灵敏度高；无源接收机能耗小，但接受灵敏度低。因 此，本发明实施例将物联网中的异构节点按照其能耗特性分为以下四层1)最底层是最低能耗的(简单)无源节点SP (Simple Passive)；SP节点采用基于RFID技术的超低功率的发射机和基于二极管检测器的无源接收 机。显然，SP节点只能用于短距离通信，并且在外界提供无线电波能量的时候才能工作；2)第二层是较低能耗的(简单)有源节点SA (Simple Active)；SA节点采用基于无线局域网、蓝牙、UWB、ZigBee等技术的有源发射机和接收机， SA节点能用于中等距离的无线通信；3)第三层是能给SP节点提供无线电波能量的轮循节点PN(Polling Node)；
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PN节点采用较大功率的有源发射机和能接收微弱RFID反射信号的大功率接收 机，PN节点能用于中等距离的无线通信；4)最高层是广播电视的发射塔BT (Broadcasting Transmitter)；BT节点发射功率可以达到上千瓦，具有很强的覆盖能力，能够进行长达几十公里 的远距离传输，能耗较大但对能耗并不敏感，因为BT —般配有高功率电源，还能为覆盖范 围内的PN节点提供定位、同步等信息。如图1所示，异构节点集中于物联网的骨干接入和感知汇聚两个层面上，它们在 能耗、通信能力、传输距离、移动性等方面均存在异构特性，因此提出了基于广播电视网的 层次化异构物联网拓扑结构，将异构物联网层次化划分为由SA、SP、PN、BT异构节点构成的 四层网络结构，PN节点包括固定轮循节点和移动轮循节点，PN节点直接与BT节点相连；SA 节点与其信号所覆盖区域中的其它SA节点、PN或者SP节点相连；SP节点可以与其信号所 覆盖区域中的PN节点相连。如图2所示，在基于广播电视网的层次化异构物联网拓扑结构中，PN节点与SA节 点构成无线多跳网络结构；PN节点、SA节点和SP节点构成容迟、容错网络结构；BT节点则 为信息汇聚节点。上述广播电视网可以是美国的ATSC数字电视网、欧洲的DVB-T数字电视网、日本 的ISDB-T数字电视网和中国的DTMB数字电视网之一，或者是基于上述几种电视网的融合 网。本发明的另一突出特点是，在本发明提出的基于广播电视网的层次化异构物联网 拓扑结构的基础上，充分利用广播电视网提供的定位、同步等功能，为异构物联网中的部分 节点提供位置和/或时间信息，为高可靠低能耗的路由机制提供新的设计自由度，从而协 同实现物联网中异构节点的高可靠和低功耗之间的最优平衡。具体而言，本发明的高可靠 低能耗的路由机制原理如下首先，对于物联网的同步网络结构，本发明实施例主要借助由主发射台、次发射台 和多个补点器构成的单频广播电视网，实现覆盖范围内物联网部分节点的时钟、时间等同 步(同步方案为现有技术)。在此基础上，对于异构节点中的全部或部分PN节点，可以得到 其精确的同步信息，对于其他不同类型的节点同步而言，PN节点依靠节点间的分层结构扩 散其同步信息，实现SA节点和/或SP节点的同步。具体方案如下利用SA/SP与PN之间 的分层结构和物理信道，当SA和PN存在通信路径时，将同步信息扩散至SA ；当SP节点处 于工作状态时，PN节点将同步信息扩散至SP。从而可以大致获取层次化异构物联网中全部 或部分节点的时间信息；其次，通过广播电视网的提供的定位功能(定位算法为现有技术)。如图3所示， 可以实现层次化物联网中全部或部分PN节点等关键节点的定位，而对于其他不同类型的 节点定位，PN节点依靠节点间的分层结构扩散其位置信息，实现SP节点和/或SA节点的 定位。具体方案如下由于SP节点通过基于反向散射方式的RFID技术和PN节点通信，通 信距离比较短，通常在0. lm到3m之间，所以通过PN节点的位置信息传输可以大致实现SP 节点的定位；另外，由于极低功耗的无源收发射机的限制，SP节点和SA节点的通信距离也 很短，所以通过SP节点的位置信息传输可以基本实现SA节点的定位。从而可以大致获取 层次化异构物联网中全部或部分节点的位置信息。
然后，如图4所示，基于全部或部分节点的已知时间信息，可以在广播电视网的辅 助下为物联网中需要通信的异构节点快速建立起通信链路，从而避免了传统物联网中由于 异构节点的异步时间信息导致的在建立通信链路时的时延和功耗。最后，基于层次化异构物联网中全部或部分节点的已知位置信息，可以实现环境 自适应的高可靠低能耗的路由机制，即借助部分节点的位置信息，在通信环境优越，即存 在端到端路由路径时采用冗余的多路径路由，这样可以提高信息的反馈速度和路由的可靠 性；在通信环境恶劣时，采用基于位置预测的容迟容错机会路由机制，尽可能的利用通信资 源，这样可以提高路由的可用性。图5给出了在是否存在部分节点位置信息的不同情况下 不同路由选择的示意图。在上述过程中，结合层次化物联网拓扑结构中对各异构节点能耗特性的划分，在 路由选择时可以综合考虑路由中各节点的能耗大小，从而实现高可靠低能耗的路由机制。由以上实施例可以看出，本发明通过基于物联网中异构节点的能耗特性的层次化 设计，满足了物联网中异构节点规模呈几何级数增长的需求；通过以广播电视网为骨干网， 充分利用了广播电视网的覆盖和传输优势，实现物联网路由的高可靠和低功耗需求之间的 平衡。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种基于广播电视网的物联网组网方法，所述物联网包括异构节点，其特征在于，按照如下方式进行组网将所述物联网中的异构节点按照能耗特性分为多层，且以广播电视网作为所述物联网的骨干网。
2.如权利要求1所述的基于广播电视网的物联网组网方法，其特征在于，将物联网 中的异构节点按照能耗特性分为如下四层以无源节点作为最底层；以有源节点作为第二 层；以轮循节点作为第三层，该轮循节点为能够给所述无源节点提供无线电波能量的节点； 以所述广播电视网中的发射塔节点作为最高层。
3.如权利要求2所述的基于广播电视网的物联网组网方法，其特征在于，所述无源节 点包括采用基于射频识别技术的发射机和基于二极管检测器的无源接收机。
4.如权利要求2所述的基于广播电视网的物联网组网方法，其特征在于，所述轮循节 点与发射塔节点相连；有源节点与其信号所覆盖区域中的其它有源节点、轮循节点或者无 源节点相连；无源节点与其信号所覆盖区域中的轮循节点相连。
5.如权利要求4所述的基于广播电视网的物联网组网方法，其特征在于，所述轮循节 点包括固定轮循节点与移动轮循节点，分层之后，所述固定或移动轮循节点与有源节点构 成无线多跳网络结构；所述固定或移动轮循节点、有源节点和无源节点构成容迟、容错网络 结构；将所述发射塔节点设为信息汇聚节点。
6.一种基于权利要求1 5任一项所述物联网的路由方法，其特征在于，利用所述物联 网的拓扑结构中的以下两个自由度进行路由部分节点的位置信息和时间信息。
7.如权利要求6所述的路由方法，其特征在于，按照以下方式获得节点的位置信息利 用所述广播电视网的定位功能对所述轮循节点进行定位以获得其位置信息；基于所述拓扑 结构扩散该轮循节点的位置信息以实现所述无源节点和有源节点的定位。
8.如权利要求6所述的路由方法，其特征在于，按照以下方式获得节点的时间信息利 用所述广播电视网的同步功能对所述轮循节点进行同步以获得其时间信息；基于所述拓扑 结构扩散该轮循节点的时间信息以获得所述无源节点和有源节点的时间信息。
9.如权利要求1 5任一项所述的路由方法，其特征在于，根据所述物联网拓扑结构中 各层节点的能耗特性这个自由度进行路由。
全文摘要
本发明公开了一种基于广播电视网的物联网组网方法，所述物联网包括异构节点，按照如下方式进行组网将所述物联网中的异构节点按照能耗特性分为多层，且以广播电视网作为所述物联网的骨干网。本发明还提供了一种基于所述物联网的路由方法。本发明通过基于物联网中异构节点的能耗特性的层次化设计，满足了物联网中异构节点规模呈几何级数增长的需求；通过以广播电视网为骨干网，充分利用了广播电视网的覆盖和传输优势，实现物联网路由的高可靠和低功耗需求之间的平衡。
文档编号H04L29/08GK101902499SQ20101021853
公开日2010年12月1日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者戴凌龙, 李勇, 潘长勇, 王昭诚, 金德鹏 申请人:清华大学