CN111934973A - 一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统 - Google Patents
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Abstract
一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统，包括基于该方法构建的IoT系统；IoT系统包括IoT终端节点、IoT网关和IoT云端系统三部分。采用双物理信道，并在两个物理信道上设计介质访问控制机制，即MAC机制。物理信道为符合国家相关规范要求的免授权ISM信道；信道采用多种不同的物理层调制技术，包括但不限于Chirp调制LoRa信道和OFDM调制信道。在两个物理信中，一个信道为A信道，另外一个信道为T信道；A信道和T信道采用不同的MAC机制。本发明，使用便利、具有商业价值，能够适应工业场景严苛需求的无线组网技术，能改善工业物联网的应用现状，并促进工业物联网向更广泛、更深入的方向进一步发展。
Description
技术领域
本发明涉及物联网(IoT)技术领领域，尤其涉及一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统。
背景技术
物联网技术正在构建人类社会生产生活的新基础。今天，从智能穿戴，到智慧家居，到智慧城市，到工业4.0，许多行业正在向着更高效，更便利，更健康的方向发展，而物联网技术为所有这些变革提供了技术基础。
另一方面，与高度成熟和高度统一的互联网技术不同的是，物联网技术在不同行业和不同场景中呈现出差异化、场景化的特点。例如，穿戴IoT和智慧城市IoT就在功耗、带宽、覆盖范围等指标上存在巨大差异。这些场景差异吸引了许多不同背景科研和工程人员的努力，许多相关技术得到了发展。
在这些多样化的场景中，工业物联网代表了一类典型的需求。其联网通信的参与者为大量的工业设备，设备之间的频繁联系带来了较高的通信负载，同时，设备要求其通信必须高度可靠而且必须在限定时间内完成。其中，一些属于设备或过程异常告警的事件，要求在极短的时间内被响应。
工业物联网及其所代表的联网需求给物联网设计提出了挑战。其中，尤以容量、实时性和可靠性要求为甚。考虑中广域的联网范围约束(覆盖1千米以上)，一些高带宽但是只能小范围局部覆盖的物理层网络无法被使用，包括常见的IEEE 802.11系列无线局域网络LAN。
因此，需要在相对较窄带的物理底层网络上满足容量与实时性约束。这种窄带网络典型的有效带宽从几K或几十K bps到几百Kbps之间，例如LoRa网络，Sigfox网络，以及NB-IoT网络(运营商授权网络)。基于窄带承载，要设计出符合工业应用要求的IIoT网络，使得具备足够大的容量，并且可以提供实时的和可靠的通信变得非常有挑战。
事实上，虽然当下IIoT需求吸引了很多关注，但是既有技术和产品还没有给出比较好的方案。例如，在石油工业中很常见的WirelessHART网络，它基于IEEE 802.15.4的物理层网络，采用时隙同步与序列跳频(TSCH)技术，并通过多跳扩展方式延伸覆盖到km级，最大可以在一个网络中支持超过100个节点。WirelessHART较好地实现了消息的可靠传输和覆盖范围的线性扩展，在一定意义上代表了最近几年学术与工业界在IoT组网技术上的最新进展，但是它在消息实时性上仍然没有提供较好的能力，尤其是对异步事件引起的突发流量不能保证确定性的延迟。另外一种网络，LoRaWAN网络，则是一种采用不同技术方案但是更加热门的IoT网络。它采用星型拓扑，以组网简单、超低功耗、以及广域覆盖为典型特征，但是LoRaWAN在容量和可靠性上都不能满足工业应用需求。常见的还有一种ZigBee网络，属于一种历史更悠久的IoT网络技术，它和WirelessHART一样使用了多跳级联方式延伸扩展，具有低功耗的特点，但同样不能提供实时保证和容量保证。
以上几例都属于有国际标准化组织推动的IoT组网技术，属于全球标准。此外，实践中还有许多非标准的私有IoT网络，这类网络一般采用点对点组网技术，在抄表行业应用尤为普遍。这种网络组网非常简单，通信频次很低，同样无法应用与苛刻的工业场景。
由于缺乏足以匹配场景需求的无线组网方案，导致当前相当一部分工业物联网应用难以深入。许多工业物联网仍然依赖有线组网，尤其是许多核心的工业过程控制部分；或者部署了无线网络但是只能提供有限的、非实时的连接，用以支持一些对延迟不敏感的数据采集或者不关键的、低频的人工操作之类的功能。
因此，一个更便利、更有价值、更适应工业场景严苛需求的无线组网技术，无疑能改善工业物联网的应用现状，并促进工业物联网向更广泛，更深入的方向进一步发展。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提出了一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统，包括基于该方法构建的IoT系统；IoT系统包括IoT终端节点、IoT网关和IoT云端系统三部分。
优选的，采用双物理信道，并在两个物理信道上设计介质访问控制机制，即MAC机制。
优选的，物理信道为符合国家相关规范要求的免授权ISM信道；信道采用多种不同的物理层调制技术，包括但不限于Chirp调制LoRa信道和OFDM调制信道。
优选的，在两个物理信中，一个信道为A信道，另外一个信道为T信道；A信道和T信道采用不同的MAC机制。
优选的，节点基于消息类型、入网状态和消息优先级，对A信道和T信道进行选择。
优选的，节点在访问A信道之前，必须进行空信道评估过程，即CCA；如果CCA报告信道忙，则节点必须退避，随机等待一段时间后才能重新尝试访问A信道。
优选的，节点和网关在T信道采用无冲突方式接入，通过预分配和动态分配技术，实现无冲突自适应TDMA接入。
优选的，节点访问A信道的CCA过程和退避过程，均采用随机同步优先级算法。
优选的，节点为上行数据消息定义多种不同优先级，不失一般性，设置0、1、2、3四种优先级，其数字越大，代表优先级越高。
优选的，随机同步优先级算法包含以下操作步骤：
S1：节点访问A信道之前，先通过网关Beacon实现全网时钟同步；
S2：定义Talign为最小CCA时间单位；Talign与物理层完成一个最小物理帧所需TOA(空口时间TimeOverAir)相当；
S3：节点计算Tcca和Bcca参数，依如下公式：
Tcca＝(Talign×Snext，Talign×(Snext+LCpri+rand％UCpri))；
Bcca＝Talign×(LBpri+rand％UBpri)；
其中，Snext为依据当前同步时间和时隙单位Talign计算的下一个时隙ID；
rand为随机数；
LCpri和UCpri为消息优先级pri相关参数；
LCpri和UCpri决定某个优先级消息最短和最长的CCA探测时间；
LBpri和UBpri决定A信道冲突时消息再次发送的最小和最大等待时间
不失一般性，对于优先级0-4，LCpri参考取值为4,3,2,1，UCpri参考取值为16，8，4，1；
LBpri和UBpri可以分别取LCpri和UCpri的N倍数；具体对N的选择与网络节点数和业务特点相关；
S3：在Tcca和Bcca基础上节点在Tcca时间窗内连续CCA探测；
如果，未探测到信道活动，则节点可以在Tcca结束后立即启动A信道发送；
反之，如果探测到信道活动，则节点应该等待Bcca之后再次启动A信道接入过程。
优选的，网关和终端在T信道构成一个同步系统；网关在系统中作为唯一时钟源，通过T信道周期性的发送Beacon信息；Beacon信息包含网关时钟信息和其他必要的网络定义参数。
优选的，终端节点扫描网关Beacon并与网关建立时间同步，并周期性的评估和修正与网关时钟误差范围修正。
优选的，在时钟同步基础上，网关以TDMA时分方式使用T信道；将T信道分为多个时隙，每个时隙大小为0.05s-1s，时隙大小受物理调制参数和链路MTU限制。
优选的，在T信道分时基础上，网关维护一张T信道时隙分配表，将每个时隙唯一的分配给一个终端节点。
优选的，终端节点通过两种方式向网关请求分配时隙，分别为：
第一种：预分配，即终端入网节点定义一个预分配周期C，表示网关以C为间隔自动为终端分配一个时隙；
第二种：动态分配，即终端在每次数据上行时同时请求网关在指定延迟时间D之后为终端分配一个时隙。
优选的，T信道在分时基础上以信道跳频方式进行访问，以改善节点间抗多径衰落的能力，即，
Ch＝macHoppingSequenceList[Counter％macmacHoppingSequenceLength]；
Ch为信道；
macHoppingSequenceList为跳频序列；
Counter为通信序号，可取为T信道时隙ID；
macHoppingSequenceLength为跳频序列长度。
优选的，节点依如下原则对A信道和T信道进行选择：对于入网消息，选择A信道发送；对于数据消息，节点根据当前时隙分配条件和消息优先级进行选择。
优选的，如果在基于数据消息优先级计算的最大允许延迟范围内，存在已经分配的T信道时隙，则节点选择在T信道指定时隙调度该消息；
如果没有T信道分配时隙，或者T信道分配时隙超出消息最大允许延迟，则节点选择A信道，并通过随机同步优先级算法控制A信道接入过程。
优选的，节点根据供电类型决定在T信道接入下行数据消息，实现功耗与下行消息实时性的平衡：如果节点供电类型为电池，记为ClassA，则节点仅在预定时隙上行，并通过上行消息触发下行消息；如果节点供电类型为外部直流供电，记为ClassC，则节点在所有T信道时隙上开启接收，以允许网关实时下发数据。
优选的，网关维护一个时隙分配表SAT(SlotAllocatingTable)，SAT记录从当前时刻开始的一段时间内的时隙分配情况；
由于时间轴连续移动，将SAT看成是无限空间上的一个滚动的有限长度窗口W，SAT允许记录和查询窗口W内的任意一个时隙分配情况；
SAT中的每个时隙允许被分配给最多一个终端的上行或下行；
SAT中的时隙也允许不分配，这种情况下网关可以临时用于调度ClassC节点数据下行。
优选的，网关在T信道执行一个调度过程；基于SAT状态，对于T信道任意时隙，网关执行Beacon广播、入网确认、节点数据上行、节点数据下行或者空闲过程。
优选的，节点和网关之间通过入网过程或数据交互过程进行时隙预分配和动态分配协商；此协商过程为一次双向握手过程，该过程与入网过程和数据交互过程同步完成。
优选的，终端和网关都可以发起动态时隙分配协商过程；对于终端，依据终端节点数据队列忙闲状态，以及预计业务周期，业务最近活动时间；对于网关，根据网关数据队列状态和云端系统业务请求参数发起时隙分配。
优选的，网关在A信道常态处于Listen；网关在A信道允许收到入网请求和数据上行；网关收到终端的入网请求后将发起与后台云端系统的交互以验证是否接受终端入网，通过验证后云端系统向网关给出入网确认。
优选的，组网构成还包含云端系统，云端系统与业务系统交互。
本发明，使用便利、具有商业价值，能够适应工业场景严苛需求的无线组网技术，能改善工业物联网的应用现状，并促进工业物联网向更广泛、更深入的方向进一步发展。
附图说明
图1为本发明提出的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统中，网关T信道时隙调度GW_Sched_T的流程图。
图2为本发明提出的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统中终端调度函数SF的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1：
本发明提出的一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统，包括基于该方法构建的IoT系统；
IoT系统包括IoT终端节点、IoT网关和IoT云端系统三部分。采用双物理信道，并在两个物理信道上设计介质访问控制机制，即MAC机制；物理信道为符合国家相关规范要求的免授权ISM信道；信道采用多种不同的物理层调制技术，包括但不限于Chirp调制LoRa信道和OFDM调制信道。
需要说明的是，物理信道为符合国家或国际相关规范要求的物理信道，包括但不限于多种不同调制技术的Sub-G信道，含Chirp调制的LoRa信道，OFDM调制信道等。
本发明中。在两个物理信中，一个信道为A信道，另外一个信道为T信道；A信道和T信道采用不同的MAC机制。
双路物理信道为上层MAC设计和时频调度设计提供了承载基础，是信道高利用率与消息实时性两个设计目标不可或缺的组成要素。不过，如果场景允许适度牺牲容量和实时性，也可以对上层协议稍作调整以采用单物理信道设计，以降低网关硬件设计复杂度。本发明要求双路物理信道中必须有一路物理信道可以支持CCA(ClearChannelAssessment)功能，以评估信道是否空闲。
本发明中，节点基于消息类型、入网状态和消息优先级，对A信道和T信道进行选择；节点在访问A信道之前，必须进行空信道评估过程，即CCA；如果CCA报告信道忙，则节点必须退避，随机等待一段时间后才能重新尝试访问A信道。
需要说明的是，两个物理信道，其中一个信道为随机接入信道(称A信道)，另外一个信道为时分接入信道(称T信道)。两个信道采用不同的访问控制技术。节点在访问A信道之前必须进行CCA过程，如果CCA报告信道忙，则节点必须随机等待一段时间后才能重新尝试访问A信道。此方式也称CSMA接入。节点通过预分配和动态分配两种方式使用T信道，网关为T信道分配的决策者。由于网关对T信道使用进行唯一裁决，所以T信道可以实现无冲突访问，实现最大100％有效吞吐能力。另一方面，A信道通过CCA实现有冲突争用访问，存在一定冲突概率。
需要说明的是，不论A还是T信道，一次数据请求都需要经历一轮“两次握手”(TwoWay Handshake)过程，即：发送方TX+接收方ACK。TX表示发起请求，ACK表示确认。一旦发送方TX后不能收到ACK，表明发送失败，需要触发链路层重发过程。
本发明中，节点和网关在T信道采用无冲突方式接入，通过预分配和动态分配技术，实现无冲突自适应TDMA接入。节点访问A信道的CCA过程和退避过程，均采用随机同步优先级算法。节点为上行数据消息定义多种不同优先级，不失一般性，设置0、1、2、3四种优先级，其数字越大，代表优先级越高。
随机同步优先级算法包含以下操作步骤：
S1：节点访问A信道之前，先通过网关Beacon实现全网时钟同步；
S2：定义Talign为最小CCA时间单位；Talign与物理层完成一个最小物理帧所需TOA(空口时间TimeOverAir)相当；
S3：节点计算Tcca和Bcca参数，依如下公式：
Tcca＝(Talign×Snext，Talign×(Snext+LCpri+rand％UCpri))；
Bcca＝Talign×(LBpri+rand％UBpri)；
其中，Snext为依据当前同步时间时隙单位；
Talign为计算的下一个时隙ID；
rand为随机数；
LCpri和UCpri为消息优先级pri相关参数；
LCpri和UCpri决定某个优先级消息最短和最长的CCA探测时间；
LBpri和UBpri决定A信道冲突时消息再次发送的最小和最大等待时间
不失一般性，对于优先级0-4，LCpri参考取值为4，3，2，1，UCpri参考取值为16，8，4，1；
LBpri和UBpri可以分别取LCpri和UCpri的N倍数；具体对N的选择与网络节点数和业务特点相关；
S3：在Tcca和Bcca基础上节点在Tcca时间窗内连续CCA探测；
如果，未探测到信道活动，则节点可以在Tcca结束后立即启动A信道发送；
反之，如果探测到信道活动，则节点应该等待Bcca之后再次启动A信道接入过程。
需要说明的是，本发明，规定A信道专门承载不能通过T信道接入，或者T信道接入不能满足实时性要求的消息，并为A信道定义了不同于T信道的时频调度方法，该信道不使用跳频技术。
本发明将消息按照对延迟的容忍度进行优先级分类。不失一般性，这里分为4类，依次为优先级0-3。
优先级0：消息对延迟不敏感，允许较大延迟。典型的抄表读数消息属于此类；
优先级1：消息对延迟比较敏感度，但是允许在一定范围内延迟，一部分机器到人的通信属于此类；
优先级2：消息对延迟敏感，应该在很短时间内完成，许多机器间的交互控制属于此类；
优先级3：消息不能延迟，应该立即完成，机器间的一些特殊交互控制属于此类；
在优先级分类基础上，本发明设计节点通过A信道CCA参数使得消息发送与优先级相适应。上述计算过程，体现了在A信道上低优先级消息对高优先级消息的避让。一般情况下，对于最高优先级消息，节点可以保证其发射延迟上限为一个Talign。在许多Sub-G物理信道上，Talign不会超过几十ms，这个延迟可以满足相当一部分严苛的实时性要求。
本发明中，网关和终端在T信道构成一个同步系统；网关在系统中作为唯一时钟源，通过T信道周期性的发送Beacon信息；Beacon信息包含网关时钟信息和其他必要的网络定义参数。终端节点扫描网关Beacon并与网关建立时间同步，并周期性的评估和修正与网关时钟误差范围修正。在时钟同步基础上，网关以TDMA时分方式使用T信道；将T信道分为多个时隙，每个时隙大小为0.05s-1s，时隙大小受物理调制参数和链路MTU限制。在T信道分时基础上，网关维护一张T信道时隙分配表，将每个时隙唯一的分配给一个终端节点。
需要说明的是，网络生成过程中首先进行时间同步。网关在系统中作为唯一时钟源，通过T信道周期性的发送Beacon信息。Beacon信息包含网关时钟信息和其他必要的网络定义参数；终端节点扫描Beacon并与网关建立时间同步。由于环境温度和器件参数差异等因素，网关和终端节点之间存在频偏，并导致终端节点与网关的时钟会按一定速度发生偏差，因此，终端节点需要周期性的评估与网关时钟误差范围并通过Beacon刷新的方式进行修正。
在时钟同步基础上，网关以TDMA时分方式使用T信道。将T信道分为小的时隙，时隙大小典型的从0.05s到1s不等，主要受物理调制参数和链路MTU限制。在分时基础上，网关维护一张T信道时隙分配表，将每个时隙唯一的分配给一个终端节点。
本发明中，终端节点通过两种方式向网关请求分配时隙，分别为：
第一种：预分配，即终端入网节点定义一个预分配周期C，表示网关以C为间隔自动为终端分配一个时隙；
第二种：动态分配，即终端在每次数据上行时同时请求网关在指定延迟时间D之后为终端分配一个时隙。
动态分配比预分配更加灵活高效，但是其意味着：必须成功完成第N次通信才能为第N+1次通信进行动态分配，即，一旦前次通信失败，则动态分配会自动中断。不过，由于本发明方法保证了T信道不存在系统内冲突，其通信可靠性极高(以Sub-G为例，即使考虑一定外部系统干扰，其可靠性通常可达99.9％以上)，所以自动中断的风险很低。一旦中断，则需要一次基于A信道的重入过程来恢复。
其中，T信道在分时基础上以信道跳频方式进行访问，以改善节点间抗多径衰落的能力，即，
Ch＝macHoppingSequenceList[Counter％macmacHoppingSequenceLength]；
Ch为信道；
macHoppingSequenceList为跳频序列；
Counter为通信序号，可取为T信道时隙ID；
macHoppingSequenceLength为跳频序列长度。
本发明中，节点依如下原则对A信道和T信道进行选择：对于入网消息，选择A信道发送；对于数据消息，节点根据当前时隙分配条件和消息优先级进行选择。
如果在基于数据消息优先级计算的最大允许延迟范围内，存在已经分配的T信道时隙，则节点选择在T信道指定时隙调度该消息；
如果没有T信道分配时隙，或者T信道分配时隙超出消息最大允许延迟，则节点选择A信道，并通过随机同步优先级算法控制A信道接入过程。
本发明中，节点根据供电类型决定在T信道接入下行数据消息，实现功耗与下行消息实时性的平衡：
如果节点供电类型为电池，记为ClassA，则节点仅在预定时隙上行，并通过上行消息触发下行消息；
如果节点供电类型为外部直流供电，记为ClassC，则节点在所有T信道时隙上开启接收，以允许网关实时下发数据。
本发明中，网关维护一个时隙分配表SAT(SlotAllocatingTable)，SAT记录从当前时刻开始的一段时间内的时隙分配情况；
由于时间轴连续移动，将SAT看成是无限空间上的一个滚动的有限长度窗口W，SAT允许记录和查询窗口W内的任意一个时隙分配情况；
SAT中的每个时隙允许被分配给最多一个终端的上行或下行；
SAT中的时隙也允许不分配，这种情况下网关可以临时用于调度ClassC节点数据下行。
本发明中，网关在T信道执行一个调度过程；基于SAT状态，对于T信道任意时隙，网关执行Beacon广播、入网确认、节点数据上行、节点数据下行或者空闲过程。
节点和网关之间通过入网过程或数据交互过程进行时隙预分配和动态分配协商；此协商过程为一次双向握手过程，该过程与入网过程和数据交互过程同步完成。
终端和网关都可以发起动态时隙分配协商过程；
对于终端，依据终端节点数据队列忙闲状态，以及预计业务周期，业务最近活动时间；
对于网关，根据网关数据队列状态和云端系统业务请求参数发起时隙分配。
网关在A信道常态处于Listen；
网关在A信道允许收到入网请求和数据上行；
网关收到终端的入网请求后将发起与后台云端系统的交互以验证是否接受终端入网，通过验证后云端系统向网关给出入网确认。
参见图1-2，实施例2：
本发明中，基于在实施例1中所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其构建IOT系统。IOT系统设立网关和终端节点。
其中，网关与其覆盖周围内的终端节点构成一个星型拓扑，网关为拓扑中心。一个完整功能的网关必须支持两个物理信道，即A信道和T信道。网关将T信道按设定时隙长度进行切分，并依据TDMA分时复用方法使用T信道。
作为TDMA分时复用机制的一部分，网关需要周期性的使用T信道发送Beacon信息。该Beacon使得终端节点得以发现网络以及进行时间同步。因此，网关在Beacon中需要编码网络A+T信道构成信息，时隙定义信息，时间同步信息等。网关在A信道常态下处于Listen状态，随时准备接受来自终端的入网请求和上行数据请求。
此外，要求网关维护一个时隙分配表SAT(SlotAllocatingTable)，SAT记录从当前时刻开始的一段时间内的时隙分配情况。
由于时间轴连续移动，可以将SAT看成是无限空间上的一个滚动的有限长度窗口W，SAT允许记录和查询窗口W内的任意一个时隙分配情况。
表1：时隙分配表SAT
如表1所示，窗口W具有有限长度，即网关只能在有限范围内进行时隙分配。具体时间范围限制属于实现参数，可以根据需要灵活调整。
依据本发明方法，网关在T信道上以时隙为单位进行连续调度GW_Sched_T，其核心依据为时隙分配表SAT。对于任意时隙，网关可能执行的过程包括：发送Beacon，上行数据过程，下行数据过程，入网响应过程，或者空闲。
如图1所示，网关在A信道常态处于Listen。网关在A信道允许收到入网请求和数据上行。网关收到终端的入网请求后将发起与后台云端系统的交互以验证是否接受终端入网，通过验证后云端系统向网关给出入网确认，此入网确认在AcceptQue中排队并受GW_Sched_T调度。
因此，不论是A信道还是T信道，数据交互都遵循两次握手过程，即发送者TX+接收者ACK。
本发明中，终端节点与网关不同，终端节点在物理上只需支持一个信道。在任意时刻，终端根据需要在T信道或者A信道工作，或者休眠。
终端节点执行以下过程：
入网过程：终端首先通过持续Beacon扫描发现网络。一般情况下，终端扫描时长不超过一个网关Beacon周期。通过Beacon扫描，终端获得了网络的A+T信道构成信息，并与网关建立时间同步。接下来，终端将向网关发起入网过程。终端通过A信道发起入网请求。终端在入网请求中携带必要的安全握手信息和身份标识信息。如果终端需要使用本发明方法所述时频预分配时，终端还需要在入网请求中携带预分配周期。发出入网请求后，终端在限定时间内通过持续Listen一个预定信道来接收入网响应。正常情况下，入网响应包含用以完成安全握手的参数，网络地址等资源分配信息，以及可选的时频预分配结果。完成入网后，终端进入数据服务过程，该过程的核心部分可以看成一个调度函数SF：
ACT＝SF(ASN，PFIFO，SchedUp，SchedDn，PC)；
ACT代表ACTION，即终端动作，包括Sleep(睡眠)，ChACSMA(A信道CSMATX)，ChTTX(T信道TX)，ChTRX(T信道RX)。
ASN代表当前时隙号AbsoluteSlotNumber。
PFIFO代表终端数据队列，队列中的消息按优先级从高到低进行FIFO排列，队首消息为最高优先级消息。
SchedUp和SchedDn分别代表终端当前分配的上行和下行可用时隙。
PC代表终端供电类别，PC＝A代表电池供电，PC＝C代表非电池供电。
在符合延迟约束(由消息优先级决定)的条件下，核心调度函数SF尽量让数据请求走T信道。
当T信道无可用时隙，或者可用时隙不能满足延迟约束时，SF输出ChACSMA以允许消息走A信道以加速响应。
核心调度函数SF的计算逻辑，如图2所示，整个终端运行过程可以看成一个持续执行SF的过程。
根据核心调度函数SF，终端需要执行Sleep，ChACSMA，ChTTX，ChTRX等不同过程。Sleep是一个简单的低功耗待机过程，唯一需要注意的是必须在下一个有效的SchedUp或者SchedDn之前唤醒以保证SF得以重新执行。
ChACSMA是A信道竞争接入过程。此过程依据PFIFO队首消息优先级计算CCA探测时长和退避时长(即TP和BKP)参数，并根据TP和BKP执行信道探测，如果探测成功，终端执行上行数据两次握手过程。CCA及其数据上行两次握手过程为一个连续过程。依据本发明方法，该过程应在下一个有效SchedUp或者SchedDn之前完成，因此，必要时终端应终止ChACSMA过程。
ChTTX和ChTRX为T信道收发过程。这两个过程为系统提供大容量保证。在ChTTX过程中，终端执行上行数据两次握手过程；在ChTRX过程中，终端执行下行数据两次握手过程。
依据本发明方法，终端必须在数据过程中嵌入动态时隙分配请求，含ChACSMA和ChTTX过程。具体实现方法是在两次握手时，在数据请求中嵌入时隙请求参数D，D代表终端期望的下一个时隙分配位置。
参数D的计算分两种情形，其一是在本地PFIFO已有消息排队情况下，D为某个约定的最小值(例如1)；另外一种情形是PFIFO无消息排队，此时D为某个依据上层业务计算得到的参数值(注：这里对D与业务的具体绑定方式不作深入讨论)。网关收到终端的上行数据以及参数D之后，对时隙请求进行分配，并通过两次握手中的ACK消息将分配结果告诉终端。
依据本发明方法，终端与网络为一个同步系统，因此，终端需要周期性的刷新同步以维持足够的精度。相关时钟同步算法为现有技术。
实施例3：
根据实施例1所述的，组网构成还包含云端系统，云端系统与业务系统交互。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，包括基于该方法构建的IoT系统；IoT系统包括IoT终端节点、IoT网关和IoT云端系统三部分。
2.根据权利要求1所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于：1)IoT网络采用双物理信道设计，其中一个信道为A信道，另外一个信道为T信道；2)A信道和T信道采用不同的介质访问控制MAC机制，以提供不同的信道接入实时性和容量特征，3)物理信道为符合国家相关规范要求的免授权ISM信道，信道物理调制可以采用多种不同的技术，例如Chirp调制LoRa信道和OFDM调制信道。
3.根据权利要求2所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，节点基于消息类型、入网状态和消息优先级，对A信道和T信道进行选择。
节点在访问A信道之前，必须进行CCA空信道评估过程。如果CCA报告信道忙，则节点必须退避，随机等待一段时间后才能重新尝试访问A信道。节点访问A信道的CCA过程和退避过程，均采用随机同步优先级算法，使不同优先级的消息具有不同的响应延迟。
节点和网关在T信道采用无冲突方式接入，通过预分配和动态分配技术，实现无冲突自适应TDMA接入。
4.根据权利要求2、3所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，节点为上行数据消息定义多种不同优先级，不失一般性，设置0、1、2、3四种优先级，其数字越大，代表优先级越高。
节点执行基于优先级的随机同步算法对上行消息进行调度，包含以下操作步骤：
S1：节点访问A信道之前，先通过网关Beacon实现全网时钟同步；
S2：定义Talign为最小CCA时间单位；Talign与物理层完成一个最小物理帧所需TOA(空口时间TimeOverAir)相当；
S3：节点计算Tcca和Bcca参数，依如下公式：
Tcca＝(Talign×Snext，Talign×(Snext+LCpri+rand％UCpri))；
Bcca＝Talign×(LBpri+rand％UBpri)；
其中，Snext为依据当前同步时间和时隙单位Talign计算的下一个时隙ID；
rand为随机数；
LCpri和UCpri为消息优先级pri相关参数；
LCpri和UCpri决定某个优先级消息最短和最长的CCA探测时间；
LBpri和UBpri决定A信道冲突时消息再次发送的最小和最大等待时间
不失一般性，对于优先级0-4，LCpri参考取值为4，3，2，1，UCpri参考取值为16，8，4，1；
LBpri和UBpri可以分别取LCpri和UCpri的N倍数；具体对N的选择与网络节点数和业务特点相关；
S3：在Tcca和Bcca基础上节点在Tcca时间窗内连续CCA探测；
如果，未探测到信道活动，则节点可以在Tcca结束后立即启动A信道发送；
反之，如果探测到信道活动，则节点应该等待Bcca之后再次启动A信道接入过程。
5.根据权利要求2、3所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，网关和终端在T信道构成一个同步系统；网关在系统中作为唯一时钟源，通过T信道周期性的发送Beacon信息；Beacon信息包含网关时钟信息和其他必要的网络定义参数。另一方面，终端节点通过扫描网关Beacon的方式与网关建立时间同步，并周期性的评估和修正与网关之间的时钟误差。
6.根据权利要求2、3所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，在时钟同步基础上，网关以TDMA时分跳频方式使用T信道；
将T信道分为多个时隙，每个时隙大小为0.05s-1s，时隙大小受物理调制参数和链路MTU限制。在分时基础上，T信道以信道跳频方式进行访问，以改善节点间抗多径衰落的能力，即，
Ch＝macHoppingSequenceList[Counter％macmacHoppingSequenceLength]；
Ch为信道；
macHoppingSequenceList为跳频序列；
Counter为通信序号，可取为T信道时隙ID；
macHoppingSequenceLength为跳频序列长度。
7.根据权利要求2、3所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，终端节点通过两种方式向网关请求分配时隙，分别为：
第一种：预分配，即终端入网节点定义一个预分配周期C，表示网关以C为间隔自动为终端分配一个时隙；
第二种：动态分配，即终端在每次数据上行时同时请求网关在指定延迟时间D之后为终端分配一个时隙。
任意时刻，终端没有按预分配或动态分配机制获得的T信道时隙时，必须使用A信道与网关进行通信，同时，该过程可以对后续通信过程进行T信道预分配和动态分配协商。
8.根据权利要求2、7所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，节点和网关之间的两种时隙分配协商过程为一次双向握手过程，该过程与入网过程和数据交互过程同步完成。
终端和网关都可以发起动态时隙分配协商过程。对于终端，依据终端节点数据队列忙闲状态，以及预计业务周期，业务最近活动时间；对于网关，根据网关数据队列状态和云端系统业务请求参数发起时隙分配。
9.根据权利要求2、3所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，节点依如下原则对A信道和T信道进行选择：
对于入网消息，选择A信道发送；
对于上行数据消息，节点根据当前时隙分配条件和消息优先级进行选择：如果在基于数据消息优先级计算的最大允许延迟范围内，存在已经分配的T信道时隙，则节点选择在T信道指定时隙调度该消息；如果没有T信道分配时隙，或者T信道分配时隙超出消息最大允许延迟，则节点选择A信道，并通过随机同步优先级算法控制A信道接入过程。
对于下行数据消息，节点根据供电类型决定在T信道接入方式，实现功耗与下行消息实时性的平衡：如果节点供电类型为电池，记为ClassA，则节点仅在预定时隙上行，并通过上行消息触发下行消息；如果节点供电类型为外部直流供电，记为ClassC，则节点在所有T信道时隙上开启接收，以允许网关实时下发数据。
10.根据权利要求2、3所述的支持实时可靠业务的广域物联网组网方法，其特征在于，在T信道分时基础上，网关维护一个时隙分配表SAT(SlotAllocatingTable)，SAT记录从当前时刻开始的一段时间内的时隙分配情况；
由于时间轴连续移动，将SAT看成是无限空间上的一个滚动的有限长度窗口W，SAT允许记录和查询窗口W内的任意一个时隙分配情况；SAT中的每个时隙允许被分配给最多一个终端的上行或下行；SAT中的时隙也允许不分配，这种情况下网关可以临时用于调度ClassC节点数据下行。
在SAT基础上，网关在T信道执行一个调度过程；基于SAT状态，对于T信道任意时隙，网关执行Beacon广播、入网确认、节点数据上行、节点数据下行或者空闲过程。
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