CN111132303A - 一种低功耗高实时性的无线下行通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，包括：包括终端以及向每个终端播发导向广播并与终端执行无线通信的至少两个基站，终端搜索范围内的导向广播，根据导向广播来确定与之通信的基站；并从导向广播中获取下一次的时间同步广播的发送时间点，在发送时间点到来时，打开接收窗口，搜索时间同步广播，若收到应答，则提取所述时间同步广播中的基站时间戳，并将其设置为自身时间戳，实现与基站同步，并协商好下行数据通信窗口，即可实现高实时性的下行通信。本发明可靠性高，稳定性比全网同步的方案高。

Description

一种低功耗高实时性的无线下行通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种低功耗高实时性的无线下行通信方法。

背景技术

在传统的物联网无线通信系统中，终端定期向基站上报数据，基站回复应答。基站通常由外部电源供电，一直处于接收状态，可以随时响应终端的上行数据。而终端往往是电池供电的设备，对功耗要求比较高，在发送数据之后只会开启一个小窗口来接收应答，此窗口结束后就置为休眠状态，停止接收数据。因此，如果后台或者基站要给终端发送下行的数据，必须等待终端上报的时候通过应答发给终端。对于上报间隔比较小的设备，这种下行的方式也可以保障较高的实时性。然而，对于很多物联网终端，通常上报间隔特别长，下行数据的实时性就会特别差，无法满足应用需求。

现有技术方案通常是采用时间同步的方案，即网络中的所有基站和终端同步于一个统一的系统时间，然后双方协商好一个下行数据通信窗口时间，终端在这个窗口设置为接收状态，后台下发的数据经过基站在指定的下行数据通信窗口下发，由于下行数据通信窗口间隔比较小，从而可以实现高实时性的下行通信。这种基于时间同步的下行通信方案，通常采用GPS时间作为基站的统一时间同步源，该方案虽然可以保障下行通信的实时性，但是要实现网络中所有设备的时间同步，一方面所有基站设备都必须配备GPS功能，系统复杂度高，基站成本高，实现困难比较大；另一方面如果网络中某些基站失去同步后，会对系统性能造成较大的影响，系统的可靠性不高；此外，在实际的网络部署环境中，很难保证每台基站都具备良好的GPS型号覆盖，基站部署难度大。

由此可以看出当前采用GPS的全网基站时间同步的传统方案具有三个问题：

1)、所有基站都必须配备GPS通信模块，系统复杂度高，基站成本高；

2)、所有基站都必须有良好的GPS信号，基站部署难度大；

3)、当系统中有基站失去同步后，对系统影响大，系统稳定性不够高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗高实时性的无线下行通信方法。

为实现上述目的，本发明采用以下内容：

一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，用于终端，所述无线下行通信方法包括如下步骤：

终端搜索范围内的导向广播，根据导向广播来确定与之通信的基站；

所述终端从所述导向广播中获取下一次的时间同步广播的发送时间点，在所述发送时间点到来时，打开接受窗口，搜索时间同步广播，若收到应答，则提取所述时间同步广播中的基站时间戳，并将其设置为自身时间戳。

优选地，还包括如下步骤：所述终端根据所述基站分配下行数据通信窗口来定期开启接收窗口，在接收窗口监听基站下发的下行数据，若收到所述下行数据，则回复应答；若没有收到，则进入休眠状态，等待下一次的下行数据通信窗口到来。

优选地，所述基站分配下行数据通信窗口的方法具体为：

将时间同步广播间隔T_sync分割为Slot_Numb个长度为T_slot的时隙，其中:

Slot_Numb＝T_sync/T_slot (公式2)T_slot称之为时隙长度，

终端在向后台注册的时候，后台会分配一个时隙的索引编号给终端，分配方法如下：

Slot_index＝Random(seed(DevAddr))％Slot_Numb (公式3)

终端在收到分配的Slot_index之后，在每个时间同步广播间隔内的指定时间点会打开接收窗口，打开接收窗口的时间点T_reciever为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot (公式4)

其中，T_sync为网络时间同步广播发送间隔，Slot_index为终端所分配的时隙的索引号。

优选地，在所述时间同步广播间隔内添加周期性，即一个终端一个时间同步广播内可以分配多个接收窗口，则接收窗口时间点为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot+k*Slot_period (公式5)

其中，k为0,1,...,T_sync/slot_period的整数值,Slot_period为终端时隙的重复周期。

一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，用于基站，所述基站周期性的向外发射导向广播，所述导向广播包括所述基站的编号、网络编号、通信频点、调制方式、发送功率和下一次的时间同步广播的发送时间点，所述无线下行通信方法包括如下步骤：

基站上电后默认处于接收状态，接收并应答终端定期上报数据；

所述基站每在每个时间同步广播发送时间点从RTC中读取当前时间戳，通过时间同步广播将所述时间同步广播发送时间点发送出去。

优选地，还包括如下步骤：

基站分配下行数据通信窗口；

当所述基站的下行数据缓存队列不为空时，所述基站定期轮询缓存队列，当缓存数据的下行数据通信窗口到来时，取出缓存数据发送给终端，若收到回复，则表明下行数据通信成功，删除队列中的数据，否则等待下一次下行数据通信窗口的到来。

优选地，所述基站分配下行数据通信窗口的方法具体为：

将时间同步广播间隔T_sync分割为Slot_Numb个长度为T_slot的时隙，其中:

Slot_Numb＝T_sync/T_slot (公式2)

T_slot称之为时隙长度，

终端在向后台注册的时候，后台会分配一个时隙的索引编号给终端，分配方法如下：

Slot_index＝Random(seed(DevAddr))％Slot_Numb (公式3)

终端在收到分配的Slot_index之后，在每个时间同步广播间隔内的指定时间点会打开接收窗口，打开接收窗口的时间点T_reciever为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot (公式4)

其中，T_sync为网络时间同步广播发送间隔，Slot_index为终端所分配的时隙的索引号。

优选地，在所述时间同步广播间隔内添加周期性，即一个终端一个时间同步广播内可以分配多个接收窗口，则接收窗口时间点为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot+k*Slot_period (公式5)

其中，k为0,1,...,T_sync/slot_period的整数值,Slot_period为终端时隙的重复周期。

一种低功耗高实时性的无线下行通信系统，包括终端以及向每个终端播发导向广播并与终端执行无线通信的至少两个基站，其中：

所述基站，用于每在每个时间同步广播发送时间点从RTC中读取当前时间戳，通过时间同步广播将所述时间同步广播发送时间点发送出去；用于接收并应答终端定期的上报数据；以及

所述终端，用于搜索范围内的导向广播，确定通信连接的基站，并从导向广播中获取最近一次的时间同步广播发送时间点，当时间广播同步时间点到来时，打开接收窗口，搜索时间同步广播，如果收到，则提取其中的基站时间戳，并将其设置为自身时间戳。

优选地，所述基站：还用于在下行数据缓存队列不为空时，定期轮询缓存队列，当缓存数据的下行数据通信窗口到来时，取出缓存数据发送给终端，若收到终端回复，则表明下行数据通信成功，删除队列中的数据，否则等待下一次的下行数据通信窗口的到来；

所述终端，还用于根据所述基站分配的下行数据通信窗口定期开启接收窗口，监听所述基站下发的下行数据，若收到所述下行数据则回复应答，则进入休眠状态，等待下一次的下行数据通信窗口到来。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基站侧上述的无线下行通信方法中的步骤，或者实现终端侧上述的无线下行通信方法中的步骤。

本发明具有以下优点：

本发明只需要确保终端和当前通信基站同步，并协商好下行数据通信窗口，即可实现高实时性的下行通信。基站并不需要内置GPS模块，即不使用GPS时间和1PPS信号来做系统时间同步。基站只要采用一颗较高精度(例如10ppm)的晶振就可以和终端实现1ms以内的时间同步精度。终端仅和当前通信基站建立这种时间同步关系，并不需要关心和其他基站是否同步，系统的复杂度低、成本低，易于布网实施。此外，由于终端是和当前通信基站进行一对一的同步，可靠性高，系统的稳定性比全网同步的方案高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法中基站的流程示意图；

图2是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法中终端的流程示意图；

图3是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信系统的网络架构图；

图4是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法中时间同步广播帧格式；

图5是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法中终端的时间同步流程图；

图6是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法中基站时间同步广播发送示意图；

图7是本发明的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法中基站下行数据通信窗口时隙划分示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，用于终端，所述无线下行通信方法包括如下步骤：

终端搜索范围内的导向广播，根据导向广播来确定与之通信的基站；

所述终端从所述导向广播中获取下一次的时间同步广播的发送时间点，在所述发送时间点到来时，打开接受窗口，搜索时间同步广播，若收到应答，则提取所述时间同步广播中的基站时间戳，并将其设置为自身时间戳；

所述终端根据所述基站分配下行数据通信窗口来定期开启接收窗口，在接收窗口监听基站下发的下行数据，若收到所述下行数据，则回复应答；若没有收到，则进入休眠状态，等待下一次的下行数据通信窗口到来。

如图1所示，一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，用于基站，所述基站周期性的向外发射导向广播，所述导向广播包括所述基站的编号、网络编号、通信频点、调制方式、发送功率和下一次的时间同步广播的发送时间点，基站分配下行数据通信窗口，所述无线下行通信方法包括如下步骤：

基站上电后默认处于接收状态，接收并应答终端定期上报数据；

所述基站每在每个时间同步广播发送时间点从RTC中读取当前时间戳，通过时间同步广播将所述时间同步广播发送时间点发送出去；

当所述基站的下行数据缓存队列不为空时，所述基站定期轮询缓存队列，当缓存数据的下行数据通信窗口到来时，取出缓存数据发送给终端，若收到回复，则表明下行数据通信成功，删除队列中的数据，否则等待下一次下行数据通信窗口的到来。

具体说明如下：

如图3、4所示，基站默认处于接收状态，可以随时应答终端的上报数据；基站除了接收终端上报数据并发送应答之外，还会定期播发时间同步广播帧，时间同步广播帧中包含了基站的时间戳信息。

如图5所示，终端使能内部RTC功能。开机后首先搜索基站时间同步广播。如果成功接收基站时间同步广播，则从中获取基站时间戳，并将此时间戳与自身时间戳做比较，然后根据二者的差值调整本地时间戳。首次同步之后，根据基站时间同步广播的广播周期，定期搜索基站时间同步广播，完成时间同步操作，以保证终端和基站的时间同步。

如图6所示，终端收到基站时间同步广播时，从接收数据里提取基站时间戳T_{BLG_timestamps},同时读取自身RTC时间T_RTC，记录为T_{sync_point_RTC_time}＝T_RTC,经过与基站的时间同步后，终端任意时刻的当前时间记为T_{Current_timestamp}：

T_{Current_timestamp}＝(T_RTC-T_{sync_point_RTC_time})+T_{BLG_timestamps} (公式1)

终端默认处于周期性上报状态，每次上报数据数据后只开一个非常短的接收窗口等待基站的应答信号；终端在周期性上报状态之外，还会定期开启时间同步操作，即定期接收通信基站播发的时间同步广播，从中提取基站时间戳，并使用此时间戳调整自身时间，从而实现与基站的时间同步。

如图7所示，终端和基站第一次建立连接的时候，基站会给终端分配下行数据接收窗口，基站分配下行数据接收窗口的方法为：将时间同步广播间隔T_sync分割为Slot_Numb个长度为T_slot的时隙，其中:

Slot_Numb＝T_sync/T_slot (公式2)

T_slot称之为时隙长度。

终端在向后台注册的时候，后台会分配一个时隙的索引编号给终端，分配

方法如下：

Slot_index＝Random(seed(DevAddr))％Slot_Numb (公式3)

终端在收到分配的Slot_index之后，在每个时间同步广播间隔内的指定时间点会打开接收窗口，打开接收窗口的时间点T_reciever为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot (公式4)

其中，T_sync为网络时间同步广播发送间隔，Slot_index为终端所分配的时隙的索引号。

终端在接收窗口监听空气中是否有发送给自己的下行数据，如果监听到，则维持接收状态，直至接收完成；否则进入休眠状态，以节省功耗。由于时间同步广播的间隔往往比终端的定期上报间隔小很多，因此以这种方式可以达到很高的下行通信实时性，且不会由于监听下行数据而消耗过多的功耗。

如果终端需要实现比时间同步广播间隔更高的下行通信实时性，接收时隙的划分还可以在时间同步广播间隔内添加周期性，即一个终端一个时间同步广播内可以分配多个接收窗口，则接收窗口时间点为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot+k*Slot_period (公式5)

其中，k为0,1,...,T_sync/slot_period的整数值,Slot_period为终端时隙的重复周期。

例如，基站分配给终端的时隙Slot_index＝2(代表分配2号时隙)，且以Slot_period＝5s为周期性，则终端在第二个时隙开始，每隔5秒钟开启一次接收窗口，如果后台服务器有要发给终端的下行数据，基站最快可以以5秒的实时性下发给终端。

由于终端只和当前通信基站同步，当终端位置移动切换基站时，终端并不知道切换后的基站在什么时间点发送时间同步广播，那么终端只能开启一个大于等于时间同步广播发送间隔的接收窗口去搜索时间同步广播，这么做会导致终端切换基站时搜索时间同步广播的功耗过高，此外，由于需要持续接收时间同步广播，基站切换后至少存在一个时间同步广播周期的时间不能上报数据，这会导致终端数据终端的时间边长，对于高实时性的应用这是无法接受的。针对这一问题，我们的解决方案是：

图3中的基站除了定期发送时间同步广播之外，还会以一个非常高的频率发送导向广播，导向广播中包含了下一次时间同步广播发送时间点，该信息告知终端基站会在什么时间发送下一次时间同步广播。终端在切换基站的过程中首先搜索导向广播，然后开启正常的上行通信，以确保基站切换时的数据通信实时性，同时从导向广播中解析基站下一次时间同步广播发送时间点，到点则开启一个较短的接收窗口搜索时间同步广播，以实现和基站的同步。这种方案既大大减少了终端基站切换时由于搜索时间同步广播而造成的上行数据通信中断时间，又极大的降低了终端搜索时间同步广播的功耗，延长终端待机时间。

显然，本发明一种低功耗高实时性的无线下行通信方法的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，用于终端，其特征在于，所述无线下行通信方法包括如下步骤：

所述终端搜索范围内的导向广播，根据导向广播来确定与之通信的基站；

所述终端从所述导向广播中获取下一次的时间同步广播的发送时间点，在所述发送时间点到来时，打开接受窗口，搜索时间同步广播，若收到应答，则提取所述时间同步广播中的基站时间戳，并将其设置为自身时间戳。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，其特征在于，还包括如下步骤：所述终端根据所述基站分配下行数据通信窗口来定期开启接收窗口，在接收窗口监听基站下发的下行数据，若收到所述下行数据，则回复应答；若没有收到，则进入休眠状态，等待下一次的下行数据通信窗口到来。

3.根据权利要求2所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，其特征在于，所述基站分配下行数据通信窗口的方法具体为：

将时间同步广播发送间隔T_sync分割为Slot_Numb个长度为T_slot的时隙，其中:

Slot_Numb＝T_sync/T_slot (公式2)

T_slot称之为时隙长度，

终端在向后台注册的时候，后台会分配一个时隙的索引编号给终端，分配方法如下：

Slot_index＝Random(seed(DevAddr))％Slot_Numb (公式3)

终端在收到分配的Slot_index之后，在每个时间同步广播间隔内的指定时间点会打开接收窗口，打开接收窗口的时间点T_reciever为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot (公式4)

其中，T_sync为网络时间同步广播发送间隔，Slot_index为终端所分配的时隙的索引号。

4.根据权利要求3所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，其特征在于，在所述时间同步广播的间隔内添加周期性，即一个终端一个时间同步广播内可以分配多个接收窗口，则接收窗口时间点T_reciever为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot+k*Slot_period (公式5)

其中，k为0,1,...,T_sync/slot_period的整数值,Slot_period为终端时隙的重复周期。

5.一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，用于基站，其特征在于，所述基站周期性的向外发射导向广播，所述导向广播包括所述基站的编号、网络编号、通信频点、调制方式、发送功率和下一次的时间同步广播的发送时间点，所述无线下行通信方法包括如下步骤：

所述基站上电后默认处于接收状态，接收并应答终端定期的上报数据；

所述基站每在每个时间同步广播发送时间点从RTC中读取当前时间戳，并通过时间同步广播将所述时间同步广播发送时间点发送出去。

6.根据权利要求5所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，其特征在于，还包括如下步骤：

基站分配下行数据通信窗口；

当所述基站的下行数据缓存队列不为空时，所述基站定期轮询缓存队列，当缓存数据的下行数据通信窗口到来时，取出缓存数据发送给终端，若收到回复，则表明下行数据通信成功，删除队列中的数据，否则等待下一次下行数据通信窗口的到来。

7.根据权利要求6所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，其特征在于，所述基站分配下行数据通信窗口的方法具体为：

将时间同步广播间隔T_sync分割为Slot_Numb个长度为T_slot的时隙，其中:

Slot_Numb＝T_sync/T_slot (公式2)

T_slot称之为时隙长度，

终端在向后台注册的时候，后台会分配一个时隙的索引编号给终端，分配方法如下：

Slot_index＝Random(seed(DevAddr))％Slot_Numb (公式3)

终端在收到分配的Slot_index之后，在每个时间同步广播间隔内的指定时间点会打开接收窗口，打开接收窗口的时间点T_reciever为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot (公式4)

其中，T_sync为网络时间同步广播发送间隔，Slot_index为终端所分配的时隙的索引号。

8.根据权利要求7所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信方法，其特征在于，在所述时间同步广播间隔内添加周期性，即一个终端一个时间同步广播内可以分配多个接收窗口，则接收窗口时间点为：

T_reciever＝T_sync+Slot_index*T_slot+k*Slot_period (公式5)

其中，k为0,1,...,T_sync/slot_period的整数值,Slot_period为终端时隙的重复周期。

9.一种低功耗高实时性的无线下行通信系统，其特征在于，包括终端以及向每个终端播发导向广播并与终端执行无线通信的至少两个基站，其中：

所述基站，用于每在每个时间同步广播发送时间点从RTC中读取当前时间戳，通过时间同步广播将所述时间同步广播发送时间点发送出去；用于接收并应答终端定期的上报数据；以及

所述终端，用于搜索范围内的导向广播，确定通信连接的基站，并从导向广播中获取最近一次的时间同步广播发送时间点，当时间广播同步时间点到来时，打开接收窗口，搜索时间同步广播，如果收到，则提取其中的基站时间戳，并将其设置为自身时间戳。

10.根据权利要求9所述的一种低功耗高实时性的无线下行通信系统，其特征在于，所述基站：还用于在下行数据缓存队列不为空时，定期轮询缓存队列，当缓存数据的下行数据通信窗口到来时，取出缓存数据发送给终端，若收到回复，则表明下行数据通信成功，删除队列中的数据，否则等待下一次的下行数据通信窗口的到来；

所述终端，还用于根据所述基站分配的下行数据通信窗口定期开启接收窗口，监听所述基站下发的下行数据，若收到所述下行数据则回复应答，则进入休眠状态，等待下一次的下行数据通信窗口到来。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任意一项所述的无线下行通信方法中的步骤，或者实现如权利要求5至8中任意一项所述的无线下行通信方法中的步骤。

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