CN105357746A - 两跳无线网络架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两跳无线网络架构，其包括终端设备、中继设备和网关设备，网关设备实时向终端设备广播预设的广播信息；终端设备侦听并接收预设的广播信息，然后结合实际接收到的信息确定当前情况下的信噪比和接收信号强度；中继设备交替进行休眠和苏醒；当终端设备需要向网关设备发送数据时，根据所确定的当前情况下的信噪比和接收信号强度选择性地直接向网关设备发送数据或者通过中继设备间接向网关设备发送数据；在通过中继设备间接发送的情况下，终端设备在待发送数据前添加前导码，当中继设备侦听到前导码时，保持苏醒状态，直到接收并转发完成与该前导码对应的待发送数据。本发明具有低成本、低复杂度和低能耗等优点。

Description

两跳无线网络架构
技术领域
本发明涉及无线物联网领域。更具体地说，本发明涉及一种基于窄带通信技术的低功耗两跳无线网络架构。
背景技术
物联网中，大量终端设备将通过无线方式接入网络。这些设备在通讯时需要消耗电能，而在很多场景下，它们只能采用电池供电，而且需要工作很长时间，所以必须降低其所消耗的能量，也就是要在设计网络架构时考虑降低无线通讯的功耗。另一方面，无线通讯的距离也影响着网络架构的设计。传统的无线物联网通常使用两种网络架构，分别是自组网(adhocnetwork)和星型网络(starnetwork)。自组网通常指网络结点间通过一定的路由算法形成动态可变的拓扑连接关系，一个结点可以作为中继转发其它结点之间的通讯数据，而每个结点和网关之间通过一跳或者多跳中继结点进行通信。zigbee网络就是一种典型的自组网，但由于zigbee结点之间的通信距离较短，为了覆盖较大的范围或者进行较远距离的通信，数据传输要经过多跳中继，其性能往往很不稳定，成本、功耗都很高。星型网络是一种更简单的拓扑，终端设备和网关直接进行通讯，不需要中继转发，因此成本和部署复杂度都较低。wifi和移动通信网络都属于典型的星型网络，但其终端设备的功耗很高，无法在电池供电情况下长时间工作。以Lora为代表的新型窄带无线通信技术，具有远距离、低功耗等优点，非常适用于搭建低成本、低复杂度的星型网络。但是在实际部署星型网络时，虽然网关的无线覆盖距离很远、覆盖面积很大，但是某些终端设备所处的物理位置往往处于一个复杂的环境中，由于遮挡、干扰等因素，终端和网关之间可能无法稳定的直接通信。
因此，发明一种无线网络架构，满足以低复杂度和低成本接入大量低功耗终端设备的需求，显得十分必要。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种两跳无线网络架构，其可以以低复杂度、低成本使大量低功耗终端设备接入网关，其中的终端设备和中继设备均可以较低功耗工作，仅靠电池就可以长时间工作。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种两跳无线网络架构，其包括终端设备、中继设备和网关设备，
所述网关设备实时向所述终端设备广播预设的广播信息；
所述终端设备侦听并接收所述预设的广播信息，然后结合实际接收到的信息确定当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度；
所述中继设备交替进行休眠和苏醒，且每次休眠的时间长度为B，每次苏醒的时间长度为C；
其中，当所述终端设备需要向所述网关设备发送数据时，根据所确定的当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度选择性地直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据；
其中，在通过所述中继设备间接发送的情况下，所述终端设备在待发送数据前添加前导码，所述前导码的发送时长A≥B+C，A、B和C均大于0，当所述中继设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并转发完成与该前导码对应的待发送数据。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，
选择性地直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据的方法为：若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比大于等于第一临界值且所述终端设备的接收信号强度大于等于第二临界值时，所述终端设备直接向所述网关设备发送数据，若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比小于第一临界值或所述终端设备接收信号强度小于第二临界值时，所述终端设备通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，所述终端设备的待发送数据前始终添加有前导码。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，
所述终端设备直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据后，交替进行休眠和苏醒，每次休眠时间长度为B，每次苏醒的时间长度为C；
其中，当所述网关设备需要向所述终端设备发送数据时，根据所确定的当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度选择性地直接向所述终端设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据；
其中，在通过所述中继设备间接发送的情况下，所述网关设备在待发送数据前添加前导码，当所述中继设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，接收并储存与该前导码对应的待发送数据，并在待发送数据前添加前导码然后向所述终端设备转发，当所述终端设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并处理完成与该前导码对应的待发送数据，所述中继设备在转发数据完成后重新进入休眠；
其中，在直接向所述终端设备发送的情况下，所述网关设备在待发送数据前添加前导码，当所述终端设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并处理完成与该前导码对应的待发送数据。优选的是，所述的两跳无线网络架构，
选择性地直接向所述终端设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据的方法为：若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比大于等于第一临界值且所述终端设备的接收信号强度大于等于第二临界值时，所述网关设备直接向所述终端设备发送数据，若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比小于第一临界值或所述终端设备接收信号强度小于第二临界值时，所述网关设备通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，所述待发送数据的发送时长为统一的预设时长。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，所述第一临界值为-20～-5dB，所述第二临界值为-150～-113dBm。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，所述中继设备与所述网关设备相互发送数据采用的通信方法为网络多址接入方法，所述终端设与所述网关设备相互直接发送数据采用的通信方法为网络多址接入方法。
优选的是，所述的两跳无线网络架构，所述终端设备与所述中继设备、所述终端设备与所述网关设备、所述中继设备与所述网关设备均采用Lora窄带通信技术进行通信。
本发明至少包括以下有益效果：
由于中继设备设置在终端设备周围，当终端设备被建筑物遮挡或受到干扰造成信噪比和接收信号强度过低时，可以迅速切换至通过中继设备来转发数据，使通信过程能够稳定地进行。而且终端设备和中继设备均处于交替休眠和苏醒状态，减少了耗电量。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
一种两跳无线网络架构，其包括终端设备、中继设备和网关设备，
所述网关设备实时向所述终端设备广播预设的广播信息；
所述终端设备侦听并接收所述预设的广播信息，然后结合实际接收到的信息确定当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度；
所述中继设备交替进行休眠和苏醒，且每次休眠的时间长度为B，每次苏醒的时间长度为C；
其中，当所述终端设备需要向所述网关设备发送数据时，根据所确定的当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度选择性地直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据；
其中，在通过所述中继设备间接发送的情况下，所述终端设备在待发送数据前添加前导码，所述前导码的发送时长A≥B+C，A、B和C均大于0，当所述中继设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并转发完成与该前导码对应的待发送数据。
在上述技术方案中，终端设备、中继设备和网关设备一般组成一个星型网络，星型网络具有低成本、低复杂度的优点。预设的广播信息是指广播信息的预先设定好的。网关设备可以是实时对预设的广播信息进行侦听，也可以是定时对预设的广播信息进行侦听，然后根据实际接收到的结果来确定当前情况下的信噪比和接收信号强度，根据这个结果，信噪比和接收信号强度是本领域技术人员很容易得到的，这就确定了当前情况下的网络通信环境。中继设备交替进行休眠和苏醒，并在苏醒期间侦听前导码，交替休眠和苏醒可以减少耗电量，保持在电池供电情况下长时间工作。当终端设备需要向网关设备发送数据时，终端设备可以根据确定的当前情况下的网络通信环境来选择是直接向网关设备发送数据还是通过中继设备间接发送数据，具体的选择标准是：网络通信环境差，则通过中继设备间接发送数据，网络通信环境好，直接向网关设备发送数据。具体地，当终端设备通过中继设备间接向网关设备发送数据时，首先在待发送数据前加前导码，前导码的时长需大于B+C，就可以保证前导码总是可以被中继设备在苏醒期间侦听到，一旦中继设备侦听到前导码就保持苏醒，然后接收并转发数据至网关设备。例如，终端设备在需要发送信息时，首先发送A＝2.1秒的前导码，然后发送数据，而中继设备每隔B＝2秒从休眠状态中醒来，侦听C＝0.1s前导码，如果发现前导码，则接收后续数据，否则重新休眠。需要说明的是，中继设备保持与网关设备稳定通信方便转发，中继设备在终端设备附近，保证能与终端设备稳定通信。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，
选择性地直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据的方法为：若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比大于等于第一临界值且所述终端设备的接收信号强度大于等于第二临界值时，所述终端设备直接向所述网关设备发送数据，若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比小于第一临界值或所述终端设备接收信号强度小于第二临界值时，所述终端设备通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据。这里，提供了一种选择直接向网关设备发送数据的或间接向网关设备发送数据的标准，即信噪比大于等于第一临界值且接收信号强度大于第二临界值时，网络通信环境好，这时直接向网关设备发送数据，信噪比小于第一临界值或接收信号强度小于第二临界值时，网络通信环境差，这时通过中继设备间接向网关设备发送数据。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，所述终端设备的待发送数据前始终添加有前导码。这里，提供了一种前导码存在的形式，即在终端设备直接发送数据和通过中继设备间接发送数据的过程中，数据中均带有前导码，不用只切换到通过中继设备间接发送才带有前导码，而直接向网关设备发送的带有前导码的数据，网关设备可直接忽略，这就减少了本发明的复杂度。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，
所述终端设备直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据后，交替进行休眠和苏醒，每次休眠时间长度为B，每次苏醒的时间长度为C；
其中，当所述网关设备需要向所述终端设备发送数据时，根据所确定的当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度选择性地直接向所述终端设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据；
其中，在通过所述中继设备间接发送的情况下，所述网关设备在待发送数据前添加前导码，当所述中继设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，接收并储存与该前导码对应的待发送数据，并在待发送数据前添加前导码然后向所述终端设备转发，当所述终端设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并处理完成与该前导码对应的待发送数据，所述中继设备在转发数据完成后重新进入休眠；
其中，在直接向所述终端设备发送的情况下，所述网关设备在待发送数据前添加前导码，当所述终端设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并处理完成与该前导码对应的待发送数据。在上述技术方案中，提供了一种网关设备向终端设备发送数据的方式，根据终端设备已经确定了的信噪比和接收信号强度选择直接发送或通过中继设备间接发送，具体发送过程与由终端设备向网关设备发送数据的过程相同，只是方向相反，而且间接发送时，需要两次添加前导码，两次前导码分别依次应对中继设备的休眠和终端设备的休眠，直接发送时，需要一次添加前导码，只应对终端设备的休眠。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，
选择性地直接向所述终端设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据的方法为：若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比大于等于第一临界值且所述终端设备的接收信号强度大于等于第二临界值时，所述网关设备直接向所述终端设备发送数据，若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比小于第一临界值或所述终端设备接收信号强度小于第二临界值时，所述网关设备通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据。这里，提供了一种选择直接向终端设备发送数据的或间接向终端设备发送数据的标准，即信噪比大于等于第一临界值且接收信号强度大于第二临界值时，网络通信环境好，这时直接向终端设备发送数据，信噪比小于第一临界值或接收信号强度小于第二临界值时，网络通信环境差，这时通过中继设备间接向终端设备发送数据。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，所述待发送数据的发送时长为统一的预设时长，终端设备或中继设备接收完前导码后，再通过预设时长判定是否接收数据信息完毕。这里对本发明进行了进一步优化，每个数据(不论携带的信息量的大小)均具有统一的时长，这样，中继设备接收数据和发送数据的时间长度就可以提前设置，当中继设备在预计接收并发送完数据的时间点后就可以直接进入休眠，这就进一步提高了本发明的节能性，避免中继设备无谓的处于苏醒。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，所述第一临界值为-20～-5dB，所述第二临界值为-150～-113dBm。这里提供了一种第一临界值和第二临界值的优选值。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，所述中继设备与所述网关设备相互发送数据采用的通信方法为网络多址接入方法，所述终端设备与所述网关设备相互直接发送数据采用的通信方法为网络多址接入方法。这里提高了中继设备与网关设备相互发送数据采用的通信方法和终端设备与网关设备相互直接发送数据采用的通信方法的优选方法。
在另一种实例中，所述的两跳无线网络架构，所述终端设备与所述中继设备、所述终端设备与所述网关设备、所述中继设备与所述网关设备均采用Lora窄带通信技术进行通信。这里，提供了终端设备与中继设备、终端设备与网关设备、中继设备与网关设备优选采用的通信协议，而Lora具有传输距离远、功耗低等优点。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。

Claims (9)

1.一种两跳无线网络架构，其包括终端设备、中继设备和网关设备，其特征在于，
所述网关设备实时向所述终端设备广播预设的广播信息；
所述终端设备侦听并接收所述预设的广播信息，然后结合实际接收到的信息确定当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度；
所述中继设备交替进行休眠和苏醒，且每次休眠的时间长度为B，每次苏醒的时间长度为C；
其中，当所述终端设备需要向所述网关设备发送数据时，根据所确定的当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度选择性地直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据；
其中，在通过所述中继设备间接发送的情况下，所述终端设备在待发送数据前添加前导码，所述前导码的发送时长A≥B+C，A、B和C均大于0，当所述中继设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并转发完成与该前导码对应的待发送数据。
2.如权利要求1所述的两跳无线网络架构，其特征在于，
选择性地直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据的方法为：若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比大于等于第一临界值且所述终端设备的接收信号强度大于等于第二临界值时，所述终端设备直接向所述网关设备发送数据，若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比小于第一临界值或所述终端设备接收信号强度小于第二临界值时，所述终端设备通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据。
3.如权利要求1所述的两跳无线网络架构，其特征在于，所述终端设备的待发送数据前始终添加有前导码。
4.如权利要求1所述的两跳无线网络架构，其特征在于，所述终端设备直接向所述网关设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述网关设备发送数据后，交替进行休眠和苏醒，每次休眠时间长度为B，每次苏醒的时间长度为C；
其中，当所述网关设备需要向所述终端设备发送数据时，根据所确定的当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比和所述终端设备的接收信号强度选择性地直接向所述终端设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据；
其中，在通过所述中继设备间接发送的情况下，所述网关设备在待发送数据前添加前导码，当所述中继设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，接收并储存与该前导码对应的待发送数据，并在待发送数据前添加前导码然后向所述终端设备转发，当所述终端设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并处理完成与该前导码对应的待发送数据，所述中继设备也在转发数据完成后重新进入休眠；
其中，在直接向所述终端设备发送的情况下，所述网关设备在待发送数据前添加前导码，当所述终端设备侦听到所述前导码时，保持苏醒状态，直到接收并处理完成与该前导码对应的待发送数据。
5.如权利要求4所述的两跳无线网络架构，其特征在于，
选择性地直接向所述终端设备发送数据或者通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据的方法为：若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比大于等于第一临界值且所述终端设备的接收信号强度大于等于第二临界值时，所述网关设备直接向所述终端设备发送数据，若当前情况下所述终端设备与所述网关设备间通信的信噪比小于第一临界值或所述终端设备接收信号强度小于第二临界值时，所述网关设备通过所述中继设备间接向所述终端设备发送数据。
6.如权利要求1-5任一所述的两跳无线网络架构，其特征在于，所述待发送数据的发送时长为统一的预设时长。
7.如权利要求1-5任一所述的两跳无线网络架构，其特征在于，所述第一临界值为-20～-5dB，所述第二临界值为-150～-113dBm。
8.如权利要求1-5任一所述的两跳无线网络架构，其特征在于，所述中继设备与所述网关设备相互发送数据采用的通信方法为网络多址接入方法，所述终端设与所述网关设备相互直接发送数据采用的通信方法为网络多址接入方法。
9.如权利要求1-5任一所述的两跳无线网络架构，其特征在于，所述终端设备与所述中继设备、所述终端设备与所述网关设备、所述中继设备与所述网关设备均采用Lora窄带通信技术进行通信。
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