面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)和方法與流程
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及霧網(wǎng)絡(luò)，具體是一種面向室內(nèi)定實現(xiàn)系統(tǒng)和方法，可用于室內(nèi)定位中降低定位時延和系統(tǒng)計算成本。
背景技術(shù)：
近年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)、移動通信和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)及與此相關(guān)的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，其中如何獲取事物精確的位置信息并進行位置感知計算是重中之重，這也是定位技術(shù)的核心?；趙ifi的室內(nèi)定位方法，通過測量信號傳輸?shù)浇邮斩藭r的信號強度值進行定位，因其無需添加額外的硬件支持而成為室內(nèi)無線定位領(lǐng)域的主流方法之一。
然而傳統(tǒng)的基于wifi的室內(nèi)定位方法，作為網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用，定位數(shù)據(jù)的上傳、融合、計算與回傳均需要與遠程的云計算中心保持連接，網(wǎng)絡(luò)邊緣到云計算中心的網(wǎng)絡(luò)距離將導(dǎo)致1000毫秒左右的網(wǎng)絡(luò)時延。同時，基于wifi的室內(nèi)定位方法，定位數(shù)據(jù)源分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的多個位置并且需要實時響應(yīng)，云計算中心的集中式處理并不能滿足其要求。隨著移動應(yīng)用的產(chǎn)生，基于云的計算系統(tǒng)的通信時延問題將更加突出。除此之外，目前大多數(shù)應(yīng)用研究工作致力于解決應(yīng)用的能耗、性能和響應(yīng)時間等問題，缺乏對通信開銷和用戶經(jīng)濟成本的考慮。云計算中心按需付費的計費模式，增加了室內(nèi)定位的應(yīng)用成本。
針對云計算下面向室內(nèi)定位存在的問題，以下兩種技術(shù)恰好可以在不同層面對上述問題進行改善。一種是由思科提出的霧計算。霧計算被認為是將云計算的服務(wù)從網(wǎng)絡(luò)的核心延伸到了網(wǎng)絡(luò)的邊緣，地理上呈現(xiàn)分布式構(gòu)建，支持移動性，同時支持在線分析與云計算交互協(xié)調(diào)工作模式。它是一個高度虛擬化的平臺，在終端設(shè)備和傳統(tǒng)云服務(wù)器之間提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。另一種是由美國斯坦福大學(xué)cleanslate項目組在2008年提出的一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)---軟件定義網(wǎng)絡(luò)(softwaredefinednetwork，sdn)，憑借其控制面與數(shù)據(jù)面分離、集中化的網(wǎng)絡(luò)控制和開放的可編程接口的特點，可以實現(xiàn)對全網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理，合理地分配網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源，實現(xiàn)全網(wǎng)性能的優(yōu)化。
上述關(guān)于霧計算和sdn技術(shù)的提出只是一種概念，并沒有給出具體的方案和實現(xiàn)方法，更沒有落實應(yīng)用到具體實驗場景中。同時，霧計算和sdn兩個獨立存在，并未有相關(guān)結(jié)合應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種時延更短，應(yīng)用成本更低的面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和方法。
本發(fā)明首先是一種面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括有sdn控制器，定位顯示屏，霧網(wǎng)絡(luò)，定位接入網(wǎng)和定位終端，其中：
sdn控制器，用于與霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制面相連接，確定最優(yōu)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源分配，調(diào)度全霧網(wǎng)絡(luò)資源；
定位顯示屏，以網(wǎng)頁界面的形式，繪制二維坐標(biāo)系，用于呈現(xiàn)定位終端定位結(jié)果；
霧網(wǎng)絡(luò)，是由邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建，具有有限的計算和存儲能力，用于與sdn控制器及定位路由器進行信息交互，定位坐標(biāo)計算完成后將定位結(jié)果上傳至定位顯示屏；
定位接入網(wǎng)，具體包括無線路由器和有線路由器，有線路由器與無線路由器之間通過網(wǎng)線相連，實現(xiàn)信息的采集和上傳；無線路由器接收定位終端發(fā)送的探測幀，探測幀中包含的有用信息有：信號強度rssi值和mac地址；定位接入網(wǎng)中的有線路由器和無線路由器與霧網(wǎng)絡(luò)均通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，有線路由器向霧網(wǎng)絡(luò)上傳無線路由器采集的定位數(shù)據(jù)探測幀信息；
定位終端，在wifi開啟但未連接、鎖屏、位置服務(wù)關(guān)閉時，向外發(fā)送探測幀；定位終端處于定位接入網(wǎng)環(huán)境中，在不連接定位無線路由器的情況下向定位無線路由器發(fā)送探測幀；
sdn控制器與霧網(wǎng)絡(luò)之間通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，利用虛擬交換機openvswitch進行信息交互，sdn控制器實時更新霧網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)性能信息；霧網(wǎng)絡(luò)與定位接入網(wǎng)之間通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，利用進程間通信進行信息交互；定位接入網(wǎng)中的無線路由器與定位終端不需直接相連，定位終端發(fā)送探測幀，無線路由器接收探測幀用于定位處理；定位顯示屏與霧網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)線相連，獲取霧網(wǎng)絡(luò)計算的定位坐標(biāo)并顯示。
本發(fā)明還是一種面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法，其特征在于，具體包括有如下步驟：
step1：定位終端發(fā)送探測幀：定位終端在wifi開啟但未連接、鎖屏、位置服務(wù)關(guān)閉時，向外發(fā)送探測幀，定位接入網(wǎng)中的無線路由器接收定位終端發(fā)送的探測幀，通過有線路由器上傳無線路由器采集的定位數(shù)據(jù)rssi值和mac地址信息至霧網(wǎng)絡(luò)；
step2：定位數(shù)據(jù)參數(shù)上報：定位接入網(wǎng)中感知的各定位終端所需的定位數(shù)據(jù)值參數(shù)，通過霧網(wǎng)絡(luò)上報至sdn控制器，sdn控制器依據(jù)定位數(shù)據(jù)值參數(shù)評估定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n；
step3：sdn控制器監(jiān)控霧網(wǎng)絡(luò)：sdn控制器對霧網(wǎng)絡(luò)中所有的霧節(jié)點狀態(tài)進行實時監(jiān)控，得到霧節(jié)點當(dāng)前狀態(tài)信息：霧節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源和霧節(jié)點計算資源c；
其中霧節(jié)點安裝虛擬交換機openvswitch，支持openflow協(xié)議，與sdn控制通過南向接口相連，sdn控制器實時獲取并統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)中所有支持openflow協(xié)議的霧節(jié)點的計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源；
step4：sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)計算資源：sdn控制器根據(jù)獲取的定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n和霧節(jié)點計算資源c，判斷定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n是否小于等于霧節(jié)點能夠提供的計算資源c，若是，sdn控制器分配鄰近霧節(jié)點ii用于定位數(shù)據(jù)處理；否則sdn控制器選擇最優(yōu)化霧節(jié)點，定位數(shù)據(jù)處理采用多霧節(jié)點分布式協(xié)作方式進行定位數(shù)據(jù)處理，選定能夠提供計算資源服務(wù)的霧節(jié)點用于定位數(shù)據(jù)處理；
step5：sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源：sdn控制器依據(jù)帶寬計算數(shù)據(jù)上傳最短路徑，匹配openflow流表，將定位數(shù)據(jù)信息分發(fā)至step4選定的相應(yīng)霧節(jié)點，選定定位數(shù)據(jù)的傳輸路徑；
step6：霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位計算：step4選定的相應(yīng)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到通過step5中選定位數(shù)據(jù)路徑上傳到的定位信息后，根據(jù)基于wifi的室內(nèi)定位方法計算定位坐標(biāo)；
其中基于wifi的室內(nèi)定位方法具體包括有原始定位數(shù)據(jù)融合，僅保留定位終端mac地址及相應(yīng)rssi值；對提取后的數(shù)據(jù)采取高斯均值處理；處理后的數(shù)據(jù)依據(jù)測距mk模型，求取各定位終端mac地址與各無線路由器相應(yīng)理論距離d；得到d后，利用極大似然估計+質(zhì)心算法精確求取定位坐標(biāo)；
step7：定位顯示：定位坐標(biāo)計算結(jié)果上傳至定位顯示屏顯示，完成室內(nèi)定位。
本發(fā)明用于解決現(xiàn)有基于wifi室內(nèi)定位云計算中心存在的網(wǎng)絡(luò)時延和應(yīng)用成本問題。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于：
(1)本發(fā)明由于面向室內(nèi)定位場景需求，采用霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為室內(nèi)定位數(shù)據(jù)處理單元，霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地理處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，呈分布式特點，支持移動性處理和無線接入，有效降低云計算中心帶來的網(wǎng)絡(luò)時延和應(yīng)用成本。
(2)本發(fā)明中由于霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制采用sdn控制器，sdn控制器實時監(jiān)測霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源，計算資源和存儲資源。sdn控制器根據(jù)獲取的定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n和霧節(jié)點計算資源c對比，分配多霧節(jié)點分布式協(xié)作進行定位數(shù)據(jù)處理，從而最優(yōu)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源利用，實現(xiàn)室內(nèi)定位最小網(wǎng)絡(luò)時延。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施案例的面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)的示意圖；
圖2為本發(fā)明基于wifi的室內(nèi)定位方法實現(xiàn)的流程框圖；
圖3為本發(fā)明面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法流程框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作詳細描述。
實施例1：
雖然霧網(wǎng)絡(luò)與sdn技術(shù)概念已被提出，但并未給出具體的實現(xiàn)系統(tǒng)和方法，也未在實際場景中部署應(yīng)用。同時，傳統(tǒng)的基于wifi的室內(nèi)定位方法，定位數(shù)據(jù)的上傳、融合、計算與回傳均需要與遠程的云計算中心保持連接，將導(dǎo)致較大的網(wǎng)絡(luò)時延。同時，基于wifi的室內(nèi)定位方法，定位數(shù)據(jù)源分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的多個位置并需實時響應(yīng)，云計算中心的集中式處理并不能滿足其要求。除此之外，云計算中心按需付費的計費模式，增加了室內(nèi)定位的應(yīng)用成本。
針對上述現(xiàn)狀，本發(fā)明通過設(shè)計與實驗，提出一種面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)，參見圖1，包括有sdn控制器，定位顯示屏，霧網(wǎng)絡(luò)，定位接入網(wǎng)和定位終端，其中：
sdn控制器，用于與霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制面相連接，依據(jù)獲取的霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性能信息，確定最優(yōu)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源分配，調(diào)度全霧網(wǎng)絡(luò)資源。
利用sdn控制器的集中式控制功能，獲取霧網(wǎng)絡(luò)中各霧節(jié)點設(shè)備之間的鏈路情況，同時通過南向接口，獲取霧節(jié)點的負載，cpu及存儲信息?？刂破魍瑫r作為霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的服務(wù)編排器，利用獲取的霧節(jié)點信息，根據(jù)室內(nèi)定位請求服務(wù)需求編排方案。服務(wù)編排主要完成如何工作：1、利用霧節(jié)點可用計算資源動態(tài)的部署應(yīng)用和服務(wù)，通過應(yīng)用定義決定霧節(jié)點服務(wù)部署位置；2、為管理可移植的分布式應(yīng)用程序提供管理接口，分布式應(yīng)用程序由獨立且互通的霧節(jié)點組成，可在任何地點可擴展式的方式運行。
定位顯示屏，以http網(wǎng)頁界面的形式，繪制二維坐標(biāo)系，用于呈現(xiàn)定位終端定位結(jié)果，可供室內(nèi)監(jiān)控人員提供直觀的定位結(jié)果顯示。
霧網(wǎng)絡(luò)，是由邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建，具有有限的計算和存儲能力，用于與sdn控制器及定位路由器進行信息交互，定位坐標(biāo)計算完成后將定位結(jié)果上傳至定位顯示屏。同時，霧網(wǎng)絡(luò)作為云計算中心的邊緣化，依靠性能有限的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可快速部署。霧網(wǎng)絡(luò)將云計算的服務(wù)擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，因此需要一個更輕量級的虛擬化技術(shù)，對資源有限的邊緣設(shè)備進行虛擬化。虛擬機技術(shù)在通用的硬件之上安裝操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上進行硬件的虛擬化，虛擬出多個操作系統(tǒng)，在虛擬出的操作系統(tǒng)上進行應(yīng)用的開發(fā)。容器技術(shù)是一個更輕量級的虛擬化技術(shù)，在主操作系統(tǒng)上利用containerengine虛擬出多個容器，多容器共享同一操作系統(tǒng)。
定位接入網(wǎng)，具體包括無線路由器和有線路由器，無線路由器接收定位終端發(fā)送的探測幀，探測幀中包含的有用信息包括：信號強度rssi值和mac地址；定位接入網(wǎng)中的有線路由器和無線路由器與霧網(wǎng)絡(luò)均通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，有線路由器向霧網(wǎng)絡(luò)上傳無線路由器采集的定位數(shù)據(jù)探測幀信息。定位接入網(wǎng)依托現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，無需添加新的設(shè)備，在保障正常網(wǎng)絡(luò)通信的前提下，提供室內(nèi)定位功能。
定位終端，在wifi開啟但未連接、鎖屏、位置服務(wù)關(guān)閉時，向外發(fā)送探測幀；定位終端處于定位接入網(wǎng)環(huán)境中，在不連接定位無線路由器的情況下向定位無線路由器發(fā)送探測幀。定位終端可以是手機，可以是平板，甚至是任何具有無線接入發(fā)射功能的設(shè)備。
sdn控制器與霧網(wǎng)絡(luò)之間通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，利用虛擬交換機openvswitch進行信息交互，sdn控制器實時更新霧網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)性能信息；霧網(wǎng)絡(luò)與定位接入網(wǎng)之間通過有線網(wǎng)絡(luò)相連，利用進程間通信進行信息交互；定位接入網(wǎng)中的有線路由器與無線路由器之間通過網(wǎng)線相連，實現(xiàn)定位信息的采集和上傳；無線路由器與定位終端不需直接相連，定位終端發(fā)送探測幀，無線路由器接收探測幀用于定位處理。
同時霧網(wǎng)絡(luò)的搭建可利用無線接入點的一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如交換機、路由器等，面向wifi的室內(nèi)定位場景，定位數(shù)據(jù)上傳至霧節(jié)點進行融合、計算，達到快速反應(yīng)、降低定位時延的目的。
單個霧節(jié)點的計算能力有限，而傳統(tǒng)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主控模式，性能較低的主霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無法滿足網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源同時快速反應(yīng)分配的需求，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)獲取網(wǎng)絡(luò)全局視圖并集中化編排多個霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點服務(wù)，將分布式霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源進行組合使用，來滿足快速wifi定位服務(wù)請求，支持定位終端位置坐標(biāo)低時延顯示，從而減輕云計算中心的壓力，保障通信服務(wù)的質(zhì)量，增強網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。sdn與霧網(wǎng)絡(luò)的融合，有效的解決霧網(wǎng)絡(luò)管理及定位數(shù)據(jù)快速響應(yīng)問題。
實施例2：
面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)成同時實施例1，sdn控制器實時獲取并統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)全局信息，具體實現(xiàn)的功能模塊包括有資源感知模塊、路徑選擇模塊和霧節(jié)點計算資源管理模塊：
其中資源感知模塊利用sdn控制器南向接口與霧節(jié)點中的openvswitch相連，滿足openflow協(xié)議，獲取霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源和存儲資源信息。
路徑選擇模塊，sdn控制器依據(jù)帶寬資源計算最優(yōu)路徑，下發(fā)流表匹配路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。
霧節(jié)點計算資源管理模塊，sdn控制器依據(jù)資源感知獲取信息，管理霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源和存儲資源。
本發(fā)明由于霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制采用sdn控制器，sdn控制器實時監(jiān)測霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源，計算資源和存儲資源。sdn控制器根據(jù)獲取的定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n和霧節(jié)點計算資源c對比，分配多霧節(jié)點分布式協(xié)作進行定位數(shù)據(jù)處理，從而最優(yōu)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源利用，實現(xiàn)室內(nèi)定位最小網(wǎng)絡(luò)時延。
實施例3：
面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)成同實施例1-2，霧網(wǎng)絡(luò)包括有定位數(shù)據(jù)采集模塊、定位數(shù)據(jù)融合模塊、定位數(shù)據(jù)計算模塊和定位數(shù)據(jù)上傳模塊：
其中定位數(shù)據(jù)采集模塊，是霧節(jié)點與底層定位接入網(wǎng)相連，用于完成接收定位數(shù)據(jù)探測幀的過程。
定位數(shù)據(jù)融合模塊，是霧節(jié)點對采集的定位數(shù)據(jù)進行篩選，僅保留定位數(shù)據(jù)rssi值和mac地址的過程。
定位數(shù)據(jù)計算模塊，用于完成定位數(shù)據(jù)rssi值高斯濾波均值處理、mk模型處理、極大似然估計和質(zhì)心算法求解定位坐標(biāo)等過程。
定位數(shù)據(jù)上傳模塊，霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點計算完成后，依據(jù)進程間通信方法，上定位結(jié)果坐標(biāo)上傳至定位顯示屏顯示。
所有的定位數(shù)據(jù)在分布式霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中快速計算，有效利用霧網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源，計算資源和存儲資源。霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地理上的近距離和分布式，降低了室內(nèi)定位的網(wǎng)絡(luò)時延。
實施例4：
本發(fā)明還是一種面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法，在面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)上實現(xiàn)，面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)成同實施例1-3，參見圖3，具體包括有如下步驟：
step1：定位終端發(fā)送探測幀：定位終端在wifi開啟但未連接、鎖屏、位置服務(wù)關(guān)閉時，向外發(fā)送探測幀，無線路由器接收定位終端發(fā)送的探測幀，通過有線路由器上傳采集的定位數(shù)據(jù)rssi值和mac地址信息至霧網(wǎng)絡(luò)。
step2：定位數(shù)據(jù)參數(shù)上報：定位接入網(wǎng)中感知的各定位終端所需的定位數(shù)據(jù)值參數(shù)，通過霧網(wǎng)絡(luò)上報至sdn控制器，sdn控制器依據(jù)定位數(shù)據(jù)值參數(shù)評估定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n。
step3：sdn控制器監(jiān)控霧網(wǎng)絡(luò)：sdn控制器對霧網(wǎng)絡(luò)中所有的霧節(jié)點狀態(tài)進行實時監(jiān)控，得到霧節(jié)點當(dāng)前狀態(tài)信息：霧節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源和霧節(jié)點計算資源c。
其中霧節(jié)點安裝虛擬交換機openvswitch，支持openflow協(xié)議，與sdn控制通過南向接口相連，sdn控制器實時獲取并統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)中所有支持openflow協(xié)議的霧節(jié)點的計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源。
step4：sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)計算資源：sdn控制器根據(jù)獲取的定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n和霧節(jié)點計算資源c，判斷定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n是否小于等于霧節(jié)點能夠提供的計算資源c，若是，sdn控制器分配鄰近霧節(jié)點ii用于定位數(shù)據(jù)處理；否則sdn控制器選擇最優(yōu)化霧節(jié)點，定位數(shù)據(jù)處理采用多霧節(jié)點分布式協(xié)作方式進行定位數(shù)據(jù)處理，選定能夠提供計算資源服務(wù)的霧節(jié)點用于定位數(shù)據(jù)處理。
step5：sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源：sdn控制器依據(jù)帶寬計算數(shù)據(jù)上傳最短路徑，匹配openflow流表，將定位數(shù)據(jù)信息分發(fā)至step4選定的相應(yīng)霧節(jié)點，選定定位數(shù)據(jù)的傳輸路徑。
step6：霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位計算：step4選定的相應(yīng)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到通過step5中選定位數(shù)據(jù)路徑上傳到的定位信息后，根據(jù)基于wifi的室內(nèi)定位方法計算定位坐標(biāo)。
其中基于wifi的室內(nèi)定位方法具體包括有原始定位數(shù)據(jù)融合，僅保留定位終端mac地址及相應(yīng)rssi值；對提取后的數(shù)據(jù)采取高斯均值處理；處理后的數(shù)據(jù)依據(jù)測距mk模型，求取各定位終端mac地址與各無線路由器相應(yīng)理論距離d；得到d后，利用極大似然估計+質(zhì)心算法精確求取定位坐標(biāo)。
step7：定位顯示：定位坐標(biāo)計算結(jié)果上傳至定位顯示屏顯示，完成室內(nèi)定位。
本發(fā)明由于面向室內(nèi)定位場景需求，采用霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為室內(nèi)定位數(shù)據(jù)處理單元，霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地理處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，呈分布式特點，支持移動性處理和無線接入，有效降低云計算中心帶來的網(wǎng)絡(luò)時延和應(yīng)用成本。
實施例5：
面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)和方法同實施例1-4，step2中所述的依據(jù)定位數(shù)據(jù)值參數(shù)評估定位數(shù)據(jù)所需計算資源n，定位數(shù)據(jù)值參數(shù)具體指定位數(shù)據(jù)所占存儲內(nèi)存大小，上報sdn控制器。
sdn控制器首先檢測定位數(shù)據(jù)所需計算能力，定位場景中定位數(shù)據(jù)的處理及復(fù)雜度具有相同的數(shù)量級，選取定位數(shù)據(jù)所占存儲內(nèi)存大小，簡化sdn控制器數(shù)據(jù)評估時延，降低了定位時延，定位數(shù)據(jù)所占內(nèi)存大小依據(jù)實測結(jié)果變化選定。
實施例6：
面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)和方法同實施例1-5，step4中所述的sdn控制器對霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化，依據(jù)
本發(fā)明構(gòu)建的霧節(jié)點優(yōu)化公式，最大化局部霧節(jié)點計算時間，最小化全局霧節(jié)點計算時間，全局充分利用霧節(jié)點為定位服務(wù)提供低時延保障。
實施例7：
6、面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)和方法同實施例1-6，step5中所述的sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)方法為：
5.1sdn控制器根據(jù)帶寬資源計算數(shù)據(jù)上傳最短路徑；
5.2sdn控制器根據(jù)計算的最短路徑得出openflow流表；
5.3霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點匹配sdn控制器通過南向接口發(fā)送的openflow流表規(guī)則；
5.4霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)至step4中選定的霧節(jié)點。
下面將通過系統(tǒng)和方法實現(xiàn)更加詳細的例子，對本發(fā)明進一步說明。
實施例8：
面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)和方法同實施例1-7，參照圖1，面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括sdn控制器，定位顯示屏，霧網(wǎng)絡(luò)，定位接入網(wǎng)和定位終端，其中：
sdn控制器，用于與霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制面相連接，確定最優(yōu)路徑選擇最優(yōu)霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源分配，掌握全霧網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度。sdn控制器采用floodlight控制器，克服霧網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點管理能力問題。
定位顯示屏，以網(wǎng)頁界面的形式，繪制二維坐標(biāo)系，用于呈現(xiàn)定位終端定位結(jié)果。定位顯示在linux環(huán)境下利用apache服務(wù)器依據(jù)http協(xié)議，繪制二維9.85cm×6.05cm坐標(biāo)系，定位節(jié)點坐標(biāo)以定點繪點的方式在網(wǎng)頁界面中顯示。
霧網(wǎng)絡(luò)，是由邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建，具有有限的計算和存儲能力，本實施例中采用樹莓派3代b型(64位系統(tǒng)，4核處理單元，1.2ghz工作頻率，1g運行內(nèi)存，8g存儲內(nèi)存)作為霧節(jié)點，具有有限的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源。霧網(wǎng)絡(luò)用于與sdn控制器及定位路由器進行信息交互，包括定位數(shù)據(jù)采集、定位數(shù)據(jù)融合、定位數(shù)據(jù)計算和定位數(shù)據(jù)上傳，其中定位數(shù)據(jù)采集，是霧節(jié)點與底層定位接入網(wǎng)相連，用于完成接收定位數(shù)據(jù)探測幀的過程；定位數(shù)據(jù)融合，是霧節(jié)點對采集的定位數(shù)據(jù)進行篩選，僅保留定位數(shù)據(jù)rssi值和mac地址的過程；定位數(shù)據(jù)計算，用于完成定位數(shù)據(jù)rssi值高斯濾波均值處理、mk模型處理、極大似然估計和質(zhì)心算法求解定位坐標(biāo)等過程；定位結(jié)果上傳，用于完成定位坐標(biāo)計算完成后將定位結(jié)果上傳至定位顯示屏的過程。
定位接入網(wǎng)，具體包括無線路由器和有線路由器，無線路由器接收定位終端發(fā)送的探測針，探測幀中包含的有用信息包括：信號強度rssi值和mac地址；有線路由器與無線路由器和霧網(wǎng)絡(luò)相連，向霧網(wǎng)絡(luò)上傳無線路由器采集的定位數(shù)據(jù)探測幀信息。
定位終端，在wifi開啟但未連接、鎖屏、位置服務(wù)關(guān)閉時，向外發(fā)送探測幀。定位終端采用huawei手機，支持無線接入功能，可發(fā)送探測幀。
sdn控制器與霧網(wǎng)絡(luò)之間通過網(wǎng)絡(luò)相連，利用虛擬交換機openvswitch進行信息交互，sdn控制器可以實時更新霧網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)性能信息；霧網(wǎng)絡(luò)與定位接入網(wǎng)之間通過網(wǎng)絡(luò)相連，利用進程間通信進行信息交互；定位接入網(wǎng)中的有線路由器與無線路由器之間通過網(wǎng)線相連，實現(xiàn)定位信息上傳；無線路由器與定位終端不需直接相連，定位終端發(fā)送探測幀，無線路由器接收探測幀用于定位處理。
面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括至少一個霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，一個有線路由器，三個無線路由器，本實例以樹莓派作為霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，簡稱霧節(jié)點；以tp-link品牌產(chǎn)品作為有線路由器和無線路由器；以手機作為定位終端。
室內(nèi)定位選取9.85m×6.05m房間作為實驗場景，定位無線路由器采用tp-link品牌，布置在房間四個拐角，高度均為1.4m。
參照圖2，基于wifi的室內(nèi)定位方法，包括如下步驟：
step6.1：定位數(shù)據(jù)采集：定位數(shù)據(jù)rssi測量值采集，原始數(shù)據(jù)需經(jīng)過篩選，僅保留定位終端mac地址和對應(yīng)的rssi值；
其中原始數(shù)據(jù)主要指定位終端發(fā)射的探測幀，探測幀具體包括定位終端mac地址，信道channel，信道頻率frequency，信號強度值rssi值，比特速率bitrates，認證機制psk以及ieunknown；
定位數(shù)據(jù)篩選采用linux正則grep，awk及重定向規(guī)則，僅保留定位終端信號強度rssi和mac地址。
step6.2：高斯均值處理：定位數(shù)據(jù)rssi初始值進行高斯均值處理；
對于一個固定的無線路由器，其獲取的定位終端rssi值并不是穩(wěn)定的，在一段時間內(nèi)接收到的rssi是隨機波動的，為摒棄小概率rssi值，而采用高斯均值數(shù)據(jù)處理模型；
step6.3：定位距離計算：采用測距模型mk模型，求得各定位終端mac地址與各無線路由器相應(yīng)理論距離d；
得到經(jīng)高斯均值處理的rssi值后，下一步需要根據(jù)測距模型將無線路由器與定位終端rssi值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的距離d，本實例采用mk模型：
其中pr表示接收到的信號強度，d0為參考距離，通常取1m，n為路徑損耗系數(shù)，ns，nf在這里分別表示墻體和地板的損耗系數(shù)，需根據(jù)實際環(huán)境確定；lf,ls分別為墻體和地板造成的衰減，根據(jù)實際環(huán)境可以添加其他障礙物帶來的干擾；
step6.4：初步計算定位坐標(biāo)：根據(jù)求出相應(yīng)距離d，利用極大似然估計法進行初步定位坐標(biāo)求解；
極大似然估計，是一個概率論統(tǒng)計學(xué)方法，在滿足最大概率的條件下，初步求取定位坐標(biāo)。其中各定位無線路由器位置坐標(biāo)在定位前，本實例劃分二維坐標(biāo)
step6.5：精確計算定位坐標(biāo)：根據(jù)求出的初步定位坐標(biāo)，利用質(zhì)心算法精確定位坐標(biāo)。
參照圖3，面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法，包括如下步驟：
step1：定位終端發(fā)送探測幀：定位終端，在wifi開啟但未連接、鎖屏、位置服務(wù)關(guān)閉時，向外發(fā)送探測幀。無線路由器接收定位終端發(fā)送的探測幀，有線路由器上傳采集的定位數(shù)據(jù)rssi值和mac地址信息至霧網(wǎng)絡(luò)；
step2：定位數(shù)據(jù)參數(shù)上報：定位接入網(wǎng)中感知的各定位終端所需的定位數(shù)據(jù)值參數(shù)，通過霧網(wǎng)絡(luò)上報至sdn控制器，sdn控制器依據(jù)定位數(shù)據(jù)值參數(shù)評估定位數(shù)據(jù)處理所需計算資源n；
其中定位數(shù)據(jù)值參數(shù)具體指定位數(shù)據(jù)所占內(nèi)存大??；
step3：sdn控制器監(jiān)控霧網(wǎng)絡(luò)：sdn控制器對霧網(wǎng)絡(luò)中所有的霧節(jié)點狀態(tài)進行實時監(jiān)控，得到霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點當(dāng)前狀態(tài)信息：霧節(jié)點網(wǎng)絡(luò)資源和霧節(jié)點計算資源c；
其中霧節(jié)點采用樹莓派，樹莓派中安裝虛擬交換機openvswitch，支持openflow協(xié)議，與sdn控制通過南向接口相連。sdn控制器可以實時獲取并統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)中所有支持openflow協(xié)議霧節(jié)點的計算資源，網(wǎng)絡(luò)資源，存儲資源；
step4：sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)計算資源：sdn控制器根據(jù)獲取的定位數(shù)據(jù)處理所需計算能力n和霧節(jié)點計算能力c，判斷定位數(shù)據(jù)處理所需計算能力n是否小于等于霧節(jié)點能夠提供的計算能力c，若是，sdn控制器分配鄰近霧節(jié)點ii用于定位數(shù)據(jù)處理；否則sdn控制器根據(jù)
其中，根據(jù)定位數(shù)據(jù)處理所需能力n和霧節(jié)點計算能力c大小，進行判決，面向室內(nèi)定位場景，依據(jù)實現(xiàn)時延最小原則，可以最優(yōu)化霧節(jié)點資源利用；
同時，由于霧節(jié)點狀態(tài)信息均在實時更新，因此sdn控制器在進行最優(yōu)計算霧節(jié)點選擇及最短路徑計算選擇時，始終以sdn控制器中最新上傳或更新的霧節(jié)點狀態(tài)信息為準(zhǔn)，即在本實例中，霧網(wǎng)絡(luò)中霧節(jié)點當(dāng)前狀態(tài)信息，依據(jù)最小最大化原則，對最優(yōu)霧節(jié)點進行確定。定位計算結(jié)束后，需釋放計算資源，及時更新sdn控制器中霧節(jié)點狀態(tài)信息；
step5：sdn控制器統(tǒng)一調(diào)配霧網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源：sdn控制器依據(jù)帶寬計算數(shù)據(jù)上傳最短路徑，匹配openflow流表，將定位數(shù)據(jù)信息分發(fā)至step4選定的相應(yīng)霧節(jié)點；
其中openflow流表作用于openflow交換機，指示交換機如何進行交換機流量轉(zhuǎn)發(fā)，是交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)策略控制的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在本實例中，霧節(jié)點樹莓派即可作為openflow交換機，霧節(jié)點依據(jù)流表規(guī)則，匹配流表行為，對定位數(shù)據(jù)流進行轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)通信過程中，實時向sdn控制器更新霧節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信能力；
step6：霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位計算：step4選定的霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)基于wifi的室內(nèi)定位方法計算定位坐標(biāo)；
其中基于wifi的室內(nèi)定位方法具體包括原始定位數(shù)據(jù)篩選，僅保留定位終端mac地址及相應(yīng)rssi值，對提取后的數(shù)據(jù)采取高斯均值處理，處理后的數(shù)據(jù)依據(jù)測距mk模型，求取各定位終端mac地址與各無線路由器相應(yīng)理論距離d，得到d后，利用極大似然估計+質(zhì)心算法精確求取定位坐標(biāo)；
step7：定位顯示：定位坐標(biāo)計算結(jié)果上傳至定位顯示屏顯示，完成室內(nèi)定位全過程。
定位坐標(biāo)顯示采用http網(wǎng)頁界面形式，界面繪制二維坐標(biāo)系，同比例縮放定位終端所處定位環(huán)境坐標(biāo)，實現(xiàn)實時定位坐標(biāo)顯示，霧節(jié)點的加入，將時延降低到300ms以內(nèi)，有效降低定位時延，定位誤差保持在3m內(nèi)。同時，霧節(jié)點費用保證在千元內(nèi)，并可長期使用，降低了室內(nèi)定位的部署和使用成本。
簡而言之，本發(fā)明公開的一種面向室內(nèi)定位的霧網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)和方法。解決了現(xiàn)有室內(nèi)定位利用云計算中心處理定位數(shù)據(jù)方法中存在的網(wǎng)絡(luò)時延和應(yīng)用成本問題。實施系統(tǒng)包括：sdn控制器，定位顯示屏，霧網(wǎng)絡(luò)，定位接入網(wǎng)和定位終端；實施方法包括：定位終端上傳定位數(shù)據(jù)信息至霧網(wǎng)絡(luò)；定位數(shù)據(jù)參數(shù)上報至sdn控制器；sdn控制器監(jiān)控霧網(wǎng)絡(luò)中所有霧節(jié)點狀態(tài)，根據(jù)獲取的定位數(shù)據(jù)處理所需計算能力和霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點計算能力，分配多霧節(jié)點分布式協(xié)作進行定位數(shù)據(jù)處理，同時依據(jù)帶寬計算數(shù)據(jù)上傳最短路徑；霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將定位坐標(biāo)并上傳至定位顯示屏顯示，完成室內(nèi)定位。本發(fā)明將霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的處理單元，sdn控制器統(tǒng)一管理霧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)、計算和存儲資源，有效降低了室內(nèi)定位的網(wǎng)絡(luò)時延和應(yīng)用成本，用于通信技術(shù)領(lǐng)域。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！