新闻动态

智慧校园软件定义和虚拟化物联网网关部署规划与优化

作者:小编时间:2022-10-30 15:45:53

信息技术在人们和企业的日常生活中变得必不可少,物联网概念直接促成了日常生活的变化。物联网是一种通信范式,其中对象通过网络通信技术相互通信并与用户通信 。这种范式支持多个设备之间的交互,例如电子设备、家用电器、车辆、医院设备、传感器、监控摄像头等。物联网环境中使用的技术直接促进了服务的发展与智慧城市和智慧校园相关联。因此,【正规的足球外围网站智慧校园】是基于物联网的综合工作、学习和生活环境。与不同应用程序相对应的大量数据类型通过物联网基础设施传输,需要在不同的单元中进行处理 。


物联网分析和面临的两个主要挑战是互操作性和异构性 。这些挑战的一种解决方案是部署支持多种通信技术的物联网网关 。在智能校园中部署物联网网关需要事先规划。因此,有必要部署物联网网关来解决大学校园物联网设备的通信需求,如带宽、通信技术、能源效率等。 SOFTWAY4IoT 项目由国家教育和研究网络  资助并开发可以在物联网环境中建立通信的物联网网关。该网关是虚拟化的,利用与云计算集成的软件定义网络和雾计算,并支持多种无线通信技术。无线网络的区域覆盖也是一个具有挑战性的问题。挑战从选择要使用的通信技术开始,到环境的架构特征、同时访问网络的事物或人的数量、连接到网络的人或事物的移动性等. 可以在文献中找到几部侧重于区域覆盖的作品。


在文献中发现了几篇侧重于区域覆盖的作品 。需要通信基础设施的服务需要保证通信质量。在这些环境中分配网关是一项巨大的挑战,其中包括许多与旨在满足当前需求的设备的定位和量化相关的因素。


在此背景下,本工作提出了一种规划和优化物联网网关部署的方法,以 SOFTWAY4IoT 物联网网关为动力。因此,本文提出了三种网关基础设施规划优化方法,旨在考虑数据链路的通信容量和通信技术的范围,最大限度地减少所需网关的数量并最大化覆盖区域。为了评估获得的结果,还提供了模型的比较。该研究侧重于 LoRa、BLE 和 Wi-Fi 通信技术。


之所以选择 LoRa 技术,是因为它具有较长的通信范围,可增加覆盖范围,并且能耗低。另一方面,BLE技术在覆盖范围上与LoRa技术相对,因为它覆盖的区域很小,但功耗同样低。最后,我们选择了 Wi-Fi,因为它是无线网络中最流行的通信技术之一。它的区域覆盖范围比BLE大,但比LoRa小,功耗高。


搜狗截图22年10月30日1551_35.png

然而,为了最大化覆盖区域和最小化网关数量而确定使用多少个 IoT 网关以及将它们放置在哪里是一个 NP-hard 问题,称为 WMN 节点放置问题。这个问题的复杂性随着问题大小的微小变化呈指数增长。因此,我们测试了三种不同的混合方法以找到接近最优的解决方案 。


提出的优化模型旨在最大限度地减少所需物联网网关的数量,并将它们定位在要覆盖的区域内,同时考虑到区域的大小、通信技术的范围以及设备部署的位置。网关部署问题分为两个步骤:  通过解决线性规划问题  确定所需网关的数量,该问题旨在最小化网关数量; 采用 K-means 和粒子群优化  算法来建立网关定位。


用例场景是一个大学校园,选择的区域和环境的大小和特征在表格1. 我们测试了具有不同建筑特征的更大和更小的区域。


我们考虑了有关物联网、智能环境、优化模型、聚类方法和信号传播等与这项工作的发展相关的研究 。一些研究分析了使用不同通信技术设备的区域覆盖范围;然而,我们的研究考虑了使用物联网网关的异构网络的智能环境。


相关作品是使用关键词“优化”、“覆盖”、“物联网网关”、“布局”和“规划”找到的。这些关键字用于搜索与区域覆盖和物联网网关放置相关的作品。我们还搜索了与网络信号传播和智能环境相关的论文。最初,搜索的重点是 2015 年以后发表的论文,但也发现了早期的相关论文。作为搜索工具,我们首先使用 Google Scholar,然后主要使用 IEEE 和 Springer 数据库。相关论文的搜索基于无线网络区域规划和覆盖的主题,更关注物联网网络,尽管这不是限制性的。


提出了旨在最小化硬件和运营成本的多跳网络规划建议。路径损耗也被视为运营成本。这项工作提出了一个数学优化模型,并使用了三种基于群体智能的进化算法。尽管这项工作与这项研究具有相似的目标和指标,但在实际空间中没有应用。正规的足球外围网站的工作展示了使用三种通信技术和三种优化模型直接从研究环境中获得的结果。


 提出的模型旨在最小化雾节点和网关之间的通信延迟。为了达到这个目标,参考。 开发了一个数学公式,该公式考虑了最小数量的雾节点的激活。与本文提出的建议相比,该模型没有提出任何应用场景研究,并在实验中采用了经验参数。没有量化网关的数量,只是比较了不同数量的处决。


 开发的一项研究提出了在物联网系统中的应用模型,重点是智慧城市。该研究旨在通过考虑使用两种网关模型进行通信来降低物联网系统的部署成本。其中一种网关模型与 Internet 通信,而另一种则没有。所提出的研究使用三种技术来建立系统之间的通信。该工作还开发了一种算法来最小化网关的数量,以降低部署成本,以及一种容忍通信故障的机制。


智慧城市场景集成了不同技术的多种应用,可能有数百个使用不同域的网络。每个网络都由一个协调设备  进行协调,每个 CD 都需要通过其自己的使用网关建立的连接将其数据传输到 Internet。为了降低成本,这项工作提出了两种网关模型:IGW,它使用 Internet 建立通信,以及 SSGW,它与 Internet 没有直接通信。我们研究中介绍的网关具有 SDN 使用、虚拟化以及边缘和云之间的集成等功能。这些功能允许所有网关与 Internet 通信,并且可以使用任何东西,从处理能力较低的机器到更强大的机器,


在  中进行了 WLAN 网络中的多目标规划的研究该研究开发了一种规划工具,能够在 WLAN 网络中找到接入点  的最佳位置和负载平衡,从而最大限度地减少接入点之间的干扰。在这项工作中,使用了具有贪婪启发式的多目标进化算法。IEEE 802.11 标准也被使用,但该研究并未涉及其他通信技术,并且仅限于接入点建立的通信。对于物联网场景,异构性是一个潜在的挑战,因此,专注于物联网的研究需要考虑多技术通信。在这方面,我们的工作提出了一种可以集成多种通信技术的接入点,即具有多种通信技术的网关。


在部署成本方面,确定网络中连接物联网设备的网关位置是一个关键点。为了解决这个问题,参考。 提出了一种使用整数线性规划  的解决方案,该解决方案将与部署设备相关的总网络成本降至最低,同时考虑到强制性服务质量  要求。网关可以放置在给定区域内的任何位置,但考虑了一组初始候选位置。通信发生在多个跃点上。为了获得最低的部署成本并保证固定传输范围的 QoS,将具体的数据速率、终端设备成本、网关成本、产生的流量和节点之间的距离作为数据。为了提供 QoS,链路的容量必须足以处理多个同时传输。


提出了一种异构传感器网络中网关部署的优化方法。本研究侧重于基于 ILP 的优化和无线网关位置。目标是在考虑多跳覆盖和连接限制的情况下,最大限度地降低安装成本并最大限度地提高无线传感器网络的能源效率。尽管这项研究解决了被认为是关键传感器的开销,但在消息到达目的地之前,多跳可能需要更多时间。


提出了一种网关放置方法。这种方法旨在优化网关的数量、网状路由器的平均数量以及无线网状网络  中网关负载的变化。将网络的平均跳数最小化是目标之一,因为长路径会降低吞吐量。拟议的工作使用两个阶段来实现其目标。


 考虑了使用多跳的通信。设备和网关之间的直接连接可能会带来更高的成本,但消息传递时间往往会更短,从而提高网络性能。必须考虑每个部署环境的特殊性,以及有关设备密度的问题,包括更密集的环境或更宽敞的环境,以及其他因素。拟议的工作考虑了一个智能场景,该场景专注于室内和室外环境以及使用软件定义和虚拟化网关的直接通信。我们的优化模型旨在根据部署的设备数量最小化所需网关的数量,以提高通信技术的范围和网关的通信能力。


 开发的一项研究解决了物联网网关在智能家居环境中的最佳部署。所讨论的工作使用分支定界方法解决了优化问题,目标是最小化网关部署成本,但必须覆盖家庭的所有服务区域。与智能校园或智能城市相比,智能家居环境相对较小。小型环境假设使用单个网关和少量设备。对于小型环境,该模型被证明是有效的;然而,它在更大的环境中的应用对于评估模型的有效性是必要的,因为有大面积的物联网设备密度很高。


发表的一篇文献综述文章调查了已实施以解决 WMN 中的节点放置问题的优化方法。在文献中,已经提出了几种 WMN 节点定位方法。本文提出了一种基于所使用方法类型的分类。该分类分为四类:基于精确方法的方法、使用启发式的方法、使用元启发式的方法和应用混合方法的方法。此外,他们的论文提出了一个案例研究,使用贪心算法 、模拟退火 、粒子群优化和(萤火虫算法)来研究改变网格客户端数量、数量网状路由器的数量和覆盖半径。


为了实现所提出的目标,该研究旨在提出三种算法,重点是规划和优化物联网网关的部署。第一个是基于线性规划,旨在量化和定位网关。第二个和第三个使用 K-means 和 PSO 算法进行聚类,旨在定位网关。


该研究依靠案例研究来完善结果;然后,比较结果以评估应用于案例研究的三种方法。设置了初始参数。所研究环境的平面图以及笛卡尔平面上相关点的图和已安装物联网设备的点的定义被用作输入参数,以及技术范围和数据链路的容量. 相同的参数应用于三个元启发式。实验结束后,对结果进行比较,分析网关的定位和设备的分布情况。案例研究中使用了三种环境来评估元启发式的行为和获得的结果。


搜狗截图22年10月30日1552_36.png

正规的足球外围网站该方法使用所需区域覆盖所需的最少网关数量。实验的应用场景是UFG的Samambaia Campus。在这种环境下,选择了一些部门进行室内和室外实验。物联网设备的异构性使我们考虑了具有多种通信技术的环境,并考虑了每种技术的特征。因此,所提出的模型侧重于 LoRa、Wi-Fi 和 BLE 技术。


基于线性规划的模型考虑了所需区域、技术范围、数据链路的消耗能力和部署的物联网设备,以返回尽可能少的网关数量并随后定位它们。对于定位,我们介绍了线性规划、K-means 和 PSO 模型。


实验应用于四个场景,在量化模型和网关定位模型上都取得了可观的效果。该模型解决的问题被认为难以解决,并且随着设备数量的增加,区域的大小以及对处理和内存的需求也增加了。


根据这些实验的结果,进行了比较分析,以评估每个模型的行为并确定它们的优势。得出的结论是,结果令人满意,并证明了模型与所提出的目标相关的效率。物联网网关量化准确,尊重既定范围和数据需求。定位模型定义了网关的位置并创建了与网关关联的设备集群。


使用提出的优化模型,可以规划建立无线通信技术所需的区域覆盖范围。该计划将揭示所需的通信设备数量,并确定安装该设备的最佳位置。


这项工作通过优化模型为物联网网关规划和部署领域做出了贡献。在整个研究过程中,我们设想了未来可以发展的研究。


对于未来的工作,我们打算从量化和定位的角度改进优化模型:

考虑可能有助于网关量化的其他参数和约束,目标是获得更接近现有设计的结果;

将权重与可以使用聚类模型改进网关定位的目标函数或过程相关联;

研究一个模型,该模型可以同时考虑所有三种通信技术以进行网关量化。


最后,对于本篇文章,各位看官们有什么想说的吗?欢迎联系 @正规的足球外围网站 留言探讨。

光电训练系统

相关推荐