CN109743140B - 基于低功耗广域网的通讯控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于低功耗广域网的通讯控制方法和装置，通过在Class B模式下生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，然后执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内，可以避免节点在上传数据和接收下发数据时同时处于工作状态区间内，有效地避免了数据传输过程产生阻塞，提高了数据传输效率。

Description

基于低功耗广域网的通讯控制方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及通讯技术领域，具体涉及一种基于低功耗广域网的通讯控制方法和装置。

背景技术

无线通讯系统包括网关和多个节点，所述网关和节点之间可以通过双向无线通讯实现数据的传输。网关和节点在发送和接收数据时所需要的功耗比较高，同时接收数据需要长时间监听信号，累加功耗也很高。

在LoRa通讯网络状态下，网关与节点间的数据传输包括A、B、C三种模式，其中，当数据传输为A模式时，数据不能由网关主动向节点下发；当数据传输为C模式时，尽管节点能够实时收发数据，但是节点一直处于接收状态，功耗较大；当数据传输为B模式时，节点具有休眠与接收两种状态，能够避免A模式和C模式的问题，但是，在B模式下，网关向节点下发数据与节点向网关上传数据同时进行，数据传输易于阻塞，数据传输的速率下降。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于低功耗广域网的通讯控制方法和装置，可以避免节点在上传数据和接收下发数据时同时处于工作状态区间内，提高了数据传输速率。

第一方面，本发明实施例提供一种基于低功耗广域网的通讯控制方法，包括：

搜索并接收信标帧；

响应于接收到的信标帧的时间与节点的时间相同，节点从Class A模式切换到Class B模式；

生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述上传数据周期包括第一工作区间和第一休眠区间，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，所述下发数据周期包括第二工作区间和第二休眠区间；

执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内。

优选地，所述方法还包括：

根据接收的信标帧计算获取所述节点接收信标帧的频率。

优选地，不同节点的下发数据周期的起始时间不同。

优选地，所述下发数据周期第二工作区间的时长和第二休眠区间的时长相等；

所述下发数据周期的第二休眠区间的时长大于所述上传数据周期的第一工作区间的时长。

优选地，所述第二工作区间包括监听状态、唤醒状态和接收状态；

所述方法还包括：

响应于接收到网关发送的射频前导码，节点由监听状态进入唤醒状态以提示接收数据；

响应于接收到网关发送的数据，节点由唤醒状态进入接收状态以接收数据。

优选地，所述射频前导码的发送时长大于等于所述节点的下发数据周期的时长。

优选地，所述指令信息包括下发数据时序中下发数据周期的循环次数、每个下发数据周期的第二工作区间和第二休眠区间的时长、上传数据周期中第一工作区间的时长、上传数据与下发数据的数据传输速率、上传数据的开始时间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于低功耗广域网的通讯控制装置，包括：

搜索单元，用于搜索并接收信标帧；

切换单元，用于响应于接收到的信标帧的时间与节点的时间相同，节点从Class A模式切换到Class B模式；

时序生成单元，用于生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述上传数据周期包括第一工作区间和第一休眠区间，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，所述下发数据周期包括第二工作区间和第二休眠区间；

指令信息执行单元，用于执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现如第一方面所述的方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

本发明实施例通过生成上传数据时序和下发数据时序，然后执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内，可以避免节点在上传数据和接收下发数据时同时处于工作状态区间内，提高了数据传输速率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明第一实施例的基于低功耗广域网的通讯控制方法的流程图一；

图2是本发明第一实施例的下发数据时序示意图一；

图3是本发明第一实施例的下发数据时序示意图二；

图4是本发明第一实施例的基于低功耗广域网的通讯控制方法的流程图二；

图5是本发明第一实施例的节点的上传数据时序和下发数据时序的工作示意图；

图6是本发明第二实施例的基于低功耗广域网的通讯控制装置的示意图；

图7是本发明第三实施例的电子设备的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

Lora技术为LPWAN技术的一种，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特点。Lora整个网络协议层次如下，Application为应用层，常见的LoraWAN协议即为LoraMAC协议，协议定义的终端类型有Class A、Class B、Class C三种类型。

图1是本发明第一实施例的基于低功耗广域网的通讯控制方法的流程图。如图1所示，所述通讯控制方法包括如下步骤：

步骤S100、搜索并接收信标帧。

节点每128秒搜索接收网关发送的Beacon(信标帧)，网关广播的Beacon(信标帧)携带有时间参考信息，节点接收后可以用于校准自身的时钟。

步骤S200、响应于接收到的信标帧的时间与节点的时间相同，节点从Class A模式切换到Class B模式。

如果搜到的Beacon(信标帧)的时间与节点的时间一样时,节点从ClassA模式进入ClassB模式。节点主动发送上行通知包通知服务器节点进入ClassB模式。

具体地，如果节点希望加速发现Beacon(信标帧)，节点可以使用“DeviceTimeReq”的MAC命令，进行快速搜索。在实际应用中，为保证网络高效运行，1小时内仅能发送一次“DeviceTimeReq”的MAC命令。

Class B模式通过使用网关发送的Beacon(信标帧)来同步网络中的所有节点，使得节点可以在周期性时隙期间在可预测的时间打开短的额外接收窗口。其中，所述Beacon(信标帧)的信标传输时间用于定时参考，以同步所有节点。

在本实施例中，当节点接收到Beacon(信标帧)后，节点可以根据接收的信标帧计算获取所述节点接收信标帧的频率，如下所示：

BeaconChannel＝FirstChannel+[floor(beacon_time/beacon_period)]modulo8

其中，BeaconChannel为节点接收信标帧的频率；FirstChannel为每一组频点的第一个下行信道编号；beacon_time是信标帧的4字节“time”字段的整数值；beacon_period是信标帧的周期，为128秒；floor()为向下取整。

例如，对于1A2配置，同频节点：FirstChannel信道编号为8，对应的频点是471.9MHz，BeaconChannel在471.9-473.3MHz中根据上述计算公式选择；对于1A2配置，异频节点：FirstChannel信道编号是76，对应的频点是485.5MHz，BeaconChannel在485.5-486.9MHz中根据上述计算公式选择。

当计算获取到节点接收信标帧的频率后，节点在所述接收信标帧的频率下接收下发数据。

步骤S300、生成上传数据时序和下发数据时序。

具体地，节点在Class B模式下发送上传数据，上传数据发送完成后，在Class B模式下节点接收下发数据。在本实施例中，节点内生成上传数据时序和下发数据时序。所述上传数据时序包括多个相同的上传数据周期，所述下发数据时序包括多个相同的下发数据周期。其中，每个所述上传数据周期包括第一工作区间T3和第一休眠区间T4，第一工作区间T3是指节点可以向网关上传数据时的工作时间段。每个所述下发数据周期包括第二工作区间T1和第二休眠区间T2，第二工作区间T1的时长等于所述第二休眠区间T2的时长。其中，当节点接收到网关发送的数据时，节点的第二工作区间T1包括监听状态t1、唤醒状态t2和接收状态t3，如图2所示。当节点未接收到网关发送的数据时，节点的第二工作区间T1为监听状态t1，如图3所示。在本实施例中，当节点接收到网关发送的数据时的第二工作区间T1的时长与节点未接收到网关发送的数据时的第二工作区间T1的时长相等。

图4是本实施例的所述节点接收网关发送的数据时，所述节点各状态之间的具体转化方法，具体步骤如下：

步骤S310、响应于接收到网关发送的射频前导码，节点由监听状态进入唤醒状态以提示接收数据。

当节点处于第二工作区间T1时，此时，节点接收到网关发送的射频前导码时，节点从监听状态t1进入唤醒状态t2，以提示节点后续有数据传送过来，注意接收。

步骤S320、响应于接收到网关发送的数据，节点由唤醒状态进入接收状态以接收数据。

节点进入唤醒状态t2后，网关向节点发送需要处理的数据，节点由唤醒状态t2进入接收状态t3接收数据，并根据所述数据进行相应的处理后向所述网关回复相应的确认信号。也就是说，此时节点的第二工作区间T1包括监听状态t1、唤醒状态t2和接收状态t3。在实际应用中，网关发送的射频前导码和数据几乎是同时的，或者所述射频前导码附加在数据上，因此所述唤醒状态t2仅仅为节点一瞬间的状态转换，几乎为零。当节点从监听状态t1开始计时达到第二工作区间T1的时长时，节点等待第二休眠区间后重新进入下一个下发数据周期的第二工作区间T1。

优选地，所述射频前导码的发送时长大于等于所述节点的下发数据周期的时长，以使得节点可以在下发数据周期的第二工作区间T1的时间段内接收到射频前导码，从而使得节点从监听状态t1进入唤醒状态t2。此时网关向节点发送需要处理的数据，节点则由唤醒状态t2进入接收状态t3接收数据，进而保证了节点各种工作状态的有效利用，降低了功耗。

在另一个可选实现方式中，当节点在第二工作区间T1内没有监听到射频前导码时，则当前的第二工作区间T1的整个时长为监听状态。节点从监听状态t1进入第二休眠区间T2，然后等待进入下一个下发数据周期。

在实际应用中，无线通讯系统包括网关和多个节点。每个节点内均设置有上传数据时序和下发数据时序。所述上传数据时序包括多个相同的上传数据周期，所述下发数据时序包括多个相同的下发数据周期。其中，每个所述上传数据周期包括第一工作区间T3和第一休眠区间T4，第一工作区间T3是指节点可以向网关上传数据时的工作时间段。每个所述下发数据周期包括第二工作区间T1和第二休眠区间T2。优选地，不同节点的下发数据周期的起始时间不同，也就是说，多个节点在同一时间内处于下发数据周期的不同状态内。由此可以使得网关在向节点发送射频前导码的持续时间内，可以将处于监听状态t1的部分节点唤醒，避免了将所有的节点唤醒造成能量的消耗，在此机制在规模组网下，能够减少至少80％的误唤醒能量消耗。

步骤S400、执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内。

在本实施例中，节点内生成的下发数据周期的第二休眠区间T2的时长大于所述上传数据周期的第一工作区间T3的时长。具体地，节点执行预定的指令信息使得所述上传数据周期的第一工作区间T3位于所述下发数据周期的第二休眠区间T2内。由此，节点在上传数据周期的第一工作区间T3上传数据时，节点的下发数据时序处于下发数据周期的第二休眠区间T2内，如图5所示。此时节点只可以上传数据，不能接收网关下发的数据，可以避免上传数据和下发数据同时进行数据传输而产生阻塞，提高了数据传输效率。

所述预定的指令信息包括下发数据时序中下发数据周期的循环次数、每个下发数据周期的第二工作区间T1和第二休眠区间T2的时长、上传数据周期的第一工作区间T3和第一休眠区间T4的时长、上传数据与下发数据的数据传输速率、上传数据的开始时间等信息。在本实施例中，在下发数据周期的第二休眠区间T2的时长内，可以上传的数据总量与需要上传的数据总量之间的关系满足：

T2×bps－m＞0；

其中，T2为每下发数据周期的第二休眠区间的时长，bps为上传数据的数据传输速率，m为一个第二休眠区间时长内需上传数据的总量。

当一段上传数据m在一个第二休眠区间时长内上传完成时，停止上传，等待该第二休眠区间以及与其紧邻的第二工作区间的结束，再于下一个第二休眠区间时长内进行下一段上传数据m的上传，以此类推，直到所有数据上传完成。例如：

M＝nm+m₁；

其中，M为需上传数据的总量，m为一个第二休眠区间时间区间内需上传数据的总量，n为需上传的段数，m₁为整数段上传数据后的剩余量。节点可以根据指令信息能够控制节点向网关上传数据的时间，避免上传数据与下发数据同时位于节点工作状态的时间区间内。

图6是本发明第二实施例的基于低功耗广域网的通讯控制装置的示意图。如图6所示，通讯控制装置6包括搜索单元61、切换单元62、时序生成单元63和指令信息执行单元64。搜索单元61用于搜索并接收信标帧；切换单元62用于响应于接收到的信标帧的时间与节点的时间相同，节点从Class A模式切换到Class B模式；所述时序生成单元63用于生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述上传数据周期包括第一工作区间和第一休眠区间，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，所述下发数据周期包括第二工作区间和第二休眠区间。指令信息执行单元64用于执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内。所述指令信息包括下发数据时序中下发数据周期的循环次数、每个下发数据周期的第二工作区间和第二休眠区间的时长、上传数据周期中第一工作区间的时长、上传数据与下发数据的数据传输速率、上传数据的开始时间。

本实施例通过生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，然后执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内，可以避免节点在上传数据和接收下发数据时同时处于工作状态区间内，有效地避免了数据传输过程产生阻塞，提高了数据传输效率。

图7是本发明第三实施例的电子设备的示意图。图7所示的电子设备为通用数据处理装置，其包括通用的计算机硬件结构，其至少包括处理器71和存储器72。处理器71和存储器72通过总线73连接。存储器72适于存储处理器71可执行的指令或程序。处理器71可以是独立的微处理器，也可以是一个或者多个微处理器集合。由此，处理器71通过执行存储器72所存储的指令，从而执行如上所述的本发明实施例的方法流程实现对于数据的处理和对于其它装置的控制。总线73将上述多个组件连接在一起，同时将上述组件连接到显示控制器74和显示装置以及输入/输出(I/O)装置75。输入/输出(I/O)装置75可以是鼠标、键盘、调制解调器、网络接口、触控输入装置、体感输入装置、打印机以及本领域公知的其他装置。典型地，输入/输出装置75通过输入/输出(I/O)控制器76与系统相连。优选地，本实施例的电子设备为服务器。

同时，如本领域技术人员将意识到的，本发明实施例的各个方面可以被实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明实施例的各个方面可以采取如下形式：完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、常驻软件、微代码等)或者在本文中通常可以都称为“电路”、“模块”或“系统”的将软件方面与硬件方面相结合的实施方式。此外，本发明的方面可以采取如下形式：在一个或多个计算机可读介质中实现的计算机程序产品，计算机可读介质具有在其上实现的计算机可读程序代码。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是如(但不限于)电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、设备或装置，或者前述的任意适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷尽列举)将包括以下各项：具有一根或多根电线的电气连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置或前述的任意适当的组合。在本发明实施例的上下文中，计算机可读存储介质可以为能够包含或存储由指令执行系统、设备或装置使用的程序或结合指令执行系统、设备或装置使用的程序的任意有形介质。

计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，所述传播的数据信号具有在其中如在基带中或作为载波的一部分实现的计算机可读程序代码。这样的传播的信号可以采用多种形式中的任何形式，包括但不限于：电磁的、光学的或其任何适当的组合。计算机可读信号介质可以是以下任意计算机可读介质：不是计算机可读存储介质，并且可以对由指令执行系统、设备或装置使用的或结合指令执行系统、设备或装置使用的程序进行通讯、传播或传输。

可以使用包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等或前述的任意适当组合的任意合适的介质来传送实现在计算机可读介质上的程序代码。

用于执行针对本发明各方面的操作的计算机程序代码可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写，所述编程语言包括：面向对象的编程语言如Java、Smalltalk、C++等；以及常规过程编程语言如“C”编程语言或类似的编程语言。程序代码可以作为独立软件包完全地在用户计算机上、部分地在用户计算机上执行；部分地在用户计算机上且部分地在远程计算机上执行；或者完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，可以将远程计算机通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任意类型的网络链接至用户计算机，或者可以与外部计算机进行连接(例如通过使用因特网服务供应商的因特网)。

上述根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图图例和/或框图描述了本发明的各个方面。将要理解的是，流程图图例和/或框图的每个块以及流程图图例和/或框图中的块的组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供至通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器，以产生机器，使得(经由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的)指令创建用于实现流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的装置。

还可以将这些计算机程序指令存储在可以指导计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置以特定方式运行的计算机可读介质中，使得在计算机可读介质中存储的指令产生包括实现在流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令还可以被加载至计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置上，以使在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行一系列可操作步骤来产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于低功耗广域网的通讯控制方法，包括：

搜索并接收信标帧；

响应于接收到的信标帧的时间与节点的时间相同，节点从Class A模式切换到Class B模式；

生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述上传数据周期包括第一工作区间和第一休眠区间，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，所述下发数据周期包括第二工作区间和第二休眠区间，其中，不同节点的所述下发数据周期的起始时间不同以使得不同节点在同一时间内处于所述下发数据周期的不同区间内；

执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据接收的信标帧计算获取所述节点接收信标帧的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下发数据周期第二工作区间的时长和第二休眠区间的时长相等；

所述下发数据周期的第二休眠区间的时长大于所述上传数据周期的第一工作区间的时长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二工作区间包括监听状态、唤醒状态和接收状态；

所述方法还包括：

响应于接收到网关发送的射频前导码，节点由监听状态进入唤醒状态以提示接收数据；

响应于接收到网关发送的数据，节点由唤醒状态进入接收状态以接收数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射频前导码的发送时长大于等于所述节点的下发数据周期的时长。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述指令信息包括下发数据时序中下发数据周期的循环次数、每个下发数据周期的第二工作区间和第二休眠区间的时长、上传数据周期中第一工作区间的时长、上传数据与下发数据的数据传输速率、上传数据的开始时间。

7.一种基于低功耗广域网的通讯控制装置，包括：

搜索单元，用于搜索并接收信标帧；

切换单元，用于响应于接收到的信标帧的时间与节点的时间相同，节点从Class A模式切换到Class B模式；

时序生成单元，用于生成上传数据时序和下发数据时序，所述上传数据时序包括多个上传数据周期，所述上传数据周期包括第一工作区间和第一休眠区间，所述下发数据时序包括多个下发数据周期，所述下发数据周期包括第二工作区间和第二休眠区间，其中，不同节点的所述下发数据周期的起始时间不同以使得不同节点在同一时间内处于所述下发数据周期的不同区间内；

指令信息执行单元，用于执行预定的指令信息以使得所述上传数据周期的第一工作区间位于所述下发数据周期的第二休眠区间内。

8.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。

Images