一种物联网系统通信资源解耦与共用方法

1.本发明涉及一种物联网系统组网方法，特别是一种物联网系统通信资源解耦与共用方法。


背景技术：

2.有很多运行于机动环境的系统/平台，需要利用搭载在平台上的无线通信设备将它们链接起来，形成以网络为中心的物联网系统，通过端到端信息分发和“机器到机器”信息协作处理，实现体系化运用，如，海空联合探测系统、搜索救援系统等。
3.为了在复杂电磁环境下可靠交换信息，机动式系统/平台通常配备多种无线通信设备，作为平台任务系统与外界通联的手段，目前，通信资源都由本平台任务系统独占使用，而无线通信资源又是多种体制并存，如有v/u数据链、jtids数据链、机间链、宽带情报链、卫星链路等，各种系统/平台配备的通信资源不尽相同，当为了某项共同的目标，需要将地域分散的众多系统/平台组成一个以网络为中心的共同体联合运行时，就会面临以下问题：具有相同通信资源的某些系统/平台可以方便的组织在一个网内，而其他不同通信资源的系统/平台却难以入网，这样所有系统/平台就会因通信资源不同而形成多个独立的网络或孤点系统，难以形成一体化的体系运用能力，这是物联网系统组网要解决的重要问题。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种物联网系统通信资源解耦与共用方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种物联网系统通信资源解耦与共用方法，包括以下步骤：步骤1、基于异构资源分类分层的能力要素与关联关系定义；包括：步骤1-1，将所述物联网全网资源按照功能分类分层；步骤1-2，根据步骤1-1中所述的分类分层，构建物联网全网资源的能力要素模型；步骤1-3，根据步骤1-2中所述的能力要素模型，构建各能力要素间的关联关系模型。
6.步骤2、基于虚拟终端和虚拟主机的异构通信资源一体化组网建模；步骤3、面向统一组网服务的系统及平台增量式集成架构设计；步骤4、以信息为中心的物联网系统组网服务运行机制设计。
7.有益效果：（1）本方法采用分层一体化网络架构，能充分利用现有通信资源，避免“宽-窄、快-慢、大-小”不同网络混合组网的短板效应，骨干网保证了骨干节点之间大容量信息交换需求，战术网以广播分发为主，保证了大规模用户组网需要，边缘网保证了战术前沿信息交换高时敏性需要，三层网络平滑衔接，能有效支撑复杂任务下物联网系统的协同运行。
8.（2）本方法提出“能力借用”的网络组织新模式，通信资源不再由本平台任务系统
独占使用，可以开放给其他平台共用，某些成员即使没有足够的或合适的通信资源也可以“借道”加入所需网络，实现物联网系统的灵活组网运用。
9.（3）本方法建立面向统一组网服务的系统/平台增量式集成架构，组网服务单元具有共性产品特征，便于产品化转化和增量式集成，支持网络管理系统对全网能力要素的关联关系进行软件定义，使系统/平台能够快速融入任务共同体，系统拓扑结构与任务的动态变化能够快速适配。
10.（4）本方法设计的组网服务运行机制，将多种体通信资源虚拟成“一张网”，为平台任务系统提供单一接口，实现信息在多种通信网络之间自动分发、转发和接收整合处理，相当于增加了可选路由和冗余路由，增强了机动环境下组网系统的连通性和鲁棒性。
附图说明
11.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
12.图1是本发明基于“vtp-vhp”的异构通信资源一体化组网模型示意图。
13.图2是本发明面向统一组网服务的系统/平台增量式集成架构示意图。
具体实施方式
14.本发明的具体实施过程如下：步骤1、基于异构资源分类分层的能力要素与关联关系定义（1）将物联网全网资源按照功能分为通信传输类、组网服务类、任务功能类，相应的形成网络层、服务层、应用层三个层级，作为物联网系统体系架构的三个层面，其中：网络层：包括微波通信、卫星通信、激光通信、战术数据链、协同控制数据链等通信传输资源，针对联合任务筹划、情报分发、战术协同、行动控制等业务特点，提供信息传输能力；服务层：包括网络管理服务、组网服务等资源，支持面向任务的异构资源一体化组网；应用层：包括平台任务系统、感知系统等资源，提供任务筹划、任务分配、情报侦察、行动指挥控制、效果评估等能力。
15.（2）定义物联网全网资源的3类能力要素模型，其中：通信传输能力要素模型（t）表示传输各类信息的能力，用三元组t=《 s
t
,o
t
,c
t 》表示，s
t
是空间属性，表示能力要素所在位置和执行任务过程中的运动轨迹信息，o
t
是组织属性，表示能力要素所在位置和执行任务时与其他能力要素的协同关系等组织关系，c
t
是能力属性，表示能力要素的各项能力指标，用三元组c
t =《 c
tt
,c
ts
,c
ti 》表示，c
tt
表示通信资源要素的种类，c
ts
表示通信资源要素的网络结构、传输协议等技术体制，c
ti
表示通信资源要素的传输距离、通信带宽、端到端响应时间等能力指标。
16.组网服务能力要素模型（n）表示在共同体（即物联网系统）中能够对多种通信资源承担一体化组网任务的能力，用三元组n=《 sn,on,c
n 》表示，sn是空间属性，表示能力要素所在位置和执行任务过程中的运动轨迹信息，on是组织属性，表示能力要素所在位置和执行任务时与其他能力要素的协同关系等组织关系，cn是能力属性，表示能力要素的各项能
力指标，用三元组c
n =《 c
nt
,c
ns
,c
ni 》表示，c
nt
表示组网服务资源要素的种类，c
ns
表示对应组网服务资源要素的状态，c
ni
表示对应组网服务资源要素的网络规划、网络控制等能力指标。
17.平台任务能力要素模型（p）表示在共同体中能够承担行动任务的能力，用三元组p=《 s
p
,o
p
,c
p 》表示，s
p
是空间属性，表示能力要素的初始位置和执行任务过程中的运动轨迹信息，o
p
是组织属性，表示能力要素所在位置和执行任务时与其他能力要素的协同关系等组织关系，c
p
是能力属性，表示能力要素的各项能力指标，用三元组c
n =《 c
pt
,c
ps
,c
pi 》表示，c
pt
表示平台的环境类型（陆、海、空、天），c
ps
表示平台能够承担的任务类型，c
pi
表示对应平台执行各项任务的能力指标。
18.（3）定义能力要素间的关联关系模型，其中：通信传输要素与平台要素的关系（nr），用三元组nr=《p-n
num
,n-p
name
,n-p
st 》表示，p-n
num
表示一个物联网系统内包含的通信传输要素的种类和数量，n-p
name
表示每个通信传输要素中包含的平台要素列表，n-p
st
表示每个通信传输要素的状态，用三元组n-p
st =《 n
id
,n
size
,n
yn 》表示，n
id
表示通信传输要素对应的链路代号，n
size
表示每个通信传输要素是ip宽带或无线窄带，n
yn
表示每个通信传输要素当前的可用或不可用状态。
19.平台要素与通信传输要素的关系（pr），用四元组pr=《 p-p
num
,p-n
nue
,p-n
sum
,p-n
st 》表示，p-p
num
表示一个物联网系统内包含的平台要素列表，每个平台用对应的平台编识号表示，p-n
num
表示每个平台拥有的通信传输要素的种类和数量，p-n
sum
表示每个平台任务系统通过本平台和/或他平台通信传输要素进行信息交换的需求，p-n
st
表示每个平台拥有的通信要素的状态，用四元组p-n
st
=《 n
id
,n
size
,n
yn
,n
pri 》表示，n
id
表示通信传输要素对应的链路代号，n
size
表示每个通信传输要素是ip宽带或无线窄带，n
yn
表示每个通信传输要素当前的可用/不可用状态，n
pri
表示每个通信传输要素的使用优先级排序。
20.组网服务要素与平台要素的关系（mr）：用二元组mr=《 m-s,s-m 》表示，m-s表示组网服务要素中的网络管理要素向每个平台要素分发组网系统初始化参数，s-m表示平台要素接收网络管理要素分发的组网系统初始化参数。
21.步骤2、基于“vtp-vhp”即基于虚拟终端和虚拟主机的异构通信资源一体化组网建模将各种通信资源要素根据技术体制、吞吐能力、响应时间等指标分为骨干网、战术网、边缘网三类，其中，骨干网包括卫星干线、宽带微波、激光通信等要素，战术网包括jtids数据链、v/u数据链等要素，边缘网包括机间数据链、海上编队协同数据链等要素。对平台任务系统和通信资源要素进行资源解耦、资源开放和跨平台动态重组设计，使得没有足够的或合适的通信资源的平台能够“借道”入网，解决物联网系统基于异构网络实现泛在互联的问题，包括以下步骤：（1）资源解耦，设计“虚拟终端-虚拟主机（vtp-vhp）”技术，vtp（虚拟终端，vtp，virtual terminal processer）集中代表各种通信资源与平台任务系统对接，vhp（虚拟主机，vhp，virtual host processer）集中代表平台任务系统与通信资源对接，实现平台任务系统与通信资源解耦。vtp-vhp是一个封装了地址和行为的计算实体，可以通过消息传递进行对外通信，并且可以并发地执行动作。
22.（2）资源开放，对有宽带通信资源的骨干节点，建立ip协议统一承载网，跨平台链
接vtp-vhp，支持平台通信资源对外开放，通过骨干节点互联，多个独立运行的战术/边缘网能够建立关联关系，支持跨网任务协调。
23.（3）按需聚合，当一个平台有多种通信资源时（如图1的a节点），“vtp-vhp”将这些通信资源虚拟为“一张网”，为平台任务系统提供单一接口和信息的多链分发服务；当一个平台没有足够的或合适的通信资源时，可利用骨干网登录他平台，“借道”接入所需的战术/边缘网，实现平台任务系统与通信资源的动态重组。
24.（4）网络管理，由于机动平台组网是为特定地域的一个或一系列任务而存在的，任务完成后平台着陆，网络解散，因此需要进行动态网络规划和管理，由组网服务能力要素中的网络管理系统承担，对各种要素之间的关联关系进行规划设计、软件定义、动态调整、自主维护。
25.基于“vtp-vhp”的异构通信资源一体化组网模型如图1所示。
26.步骤3、面向统一组网服务的系统/平台增量式集成架构设计针对陆、海、空不同系统/平台和多种通信资源，设计通用集成架构和模块化、可组合的组网服务单元，采用增量式嵌入集成方式，解决物联网系统统一组网服务问题，包括以下步骤：（1）建立通用集成架构。按照“应用-服务-资源”三层结构对各种系统/平台建立统一的通信资源集成架构，其中，应用层由本平台一个或多个任务系统组成，服务层由vtp、vhp、ip 网关、安全交换等功能单元组成，资源层由各种宽带和窄带通信资源组成。
27.（2）设计组网服务单元。对vtp、vhp、ip 网关以及安全交换等功能单元进行模块化切分和功能/性能设计，形成可组合、易扩展的组网服务产品，其中，vtp具备与任务系统接口自适配能力，vhp具备对窄带通信资源的综合接入能力，ip 网关具备对宽带通信资源的综合接入能力，安全交换模块具备模块之间信息交换和对不同级别的通信资源实施安全管理的能力。
28.（3）增量式集成应用。根据平台能力要素差异和所具备的通信资源种类等情况，按需选择组网服务模块，组合成与具体平台适配的组网服务产品，采用增量式嵌入集成方式，对平台任务系统和通信资源进行集成。所有平台的组网服务单元的横向集合相当于形成了一条“广域总线”，即实现了物联网系统的泛在互联。
29.面向统一组网服务的系统/平台增量式集成架构如图2所示。
30.步骤4、以信息为中心的物联网系统组网服务运行机制设计改变传统的地址中心通信模式，设计以信息为中心的多种拓扑结构一体化跨层组网协议，形成组网服务运行机制，满足物联网系统通信资源跨平台共用和信息在多网之间自动分发的需要，包括以下步骤：（1）规划设计任务共同体。当为了某项任务，需要把许多系统/平台连接在一起协同运行时，网络管理系统进行任务需求分解，将总任务分解为许多子任务，形成一个个相对独立的任务组，通过网络规划设计，建立对应的任务网与平台要素之间的关联关系（nr），封装为组网系统初始化参数（m-s），向每个平台的组网服务单元分发。
31.（2）软件定义任务共同体。平台组网服务单元收到组网系统初始化参数（m-s）后，在内部模块之间分发，其中，vtp将其转换为平台任务系统与本平台和/或他平台通信传输要素之间的关系信息（pr），在网络运行过程中自主维护，vhp将其转换为通信传输要素与本
平台和/或他平台之间的关系信息（nr），在网络运行过程中自主维护，ip 网关提取宽带传输要素相关信息，进行地址管理和映射，生成统一ip承载骨干网。
32.（3）一体化跨层组网协议信息分发协议。vtp是平台任务系统接入各种网络的统一入口，当任务系统需要与共同体成员交换信息时，信息统一发送到vtp，vtp根据pr关系信息，决策从哪个平台的哪条/哪些链路进行寻址/广播发送，并将信息附加上“链路代号”标签，送到对应平台的vhp，vhp根据“链路代号”执行相应的链路接口协议，实现信息在多种网络间的自动分发；信息接收协议。vhp是多网信息向相关平台任务系统传送的统一入口，从任何网络上落地的信息统一送到vhp，vhp根据nr关系信息决策发送到哪个平台的任务系统，并寻址发送到对应平台的vtp，vtp对信息进行去重复、完整性整合等处理；信息转发协议。vtp将整合后的信息全部发送到本平台任务系统，对其中的广播信息按预设的转发过滤规则向其他链路转发，对其中的寻址信息自动生成机器应答，原路返回，增强无线传输的可靠性。
33.具体实现中，本技术提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种物联网系统通信资源解耦与共用方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（read-only memory，rom）或随机存储记忆体（random access memory，ram）等。
34.本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备（可以是个人计算机，服务器，单片机，muu或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
35.本发明提供了一种物联网系统通信资源解耦与共用方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。