CN112074007B - 间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统和方法 - Google Patents

间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对以ISO‑18000‑7国际标准以及中国有源RFID国家标准为代表的，采用单一信号监听窗口监听来自读写器的唤醒信号方式存在的诸多问题，提出了一种新的睡眠唤醒方案。该方案通过采用间隙性工作方式的低功耗物联网终端，在睡眠苏醒后的瞬间，立即开启多个动态信号监听窗口，快速准确抓取一个唤醒信号单元，并立即接收紧随其后的完整工作指令信号包的方式，简单有效地解决了现有各种相关技术标准存在的诸多问题，特别是如何在需要时，主动与间隙性工作的物联网终端快速建立起通信的难题。因而使所有采用间隙性工作方式的低功耗物联网终端之间，都能随时实现灵活可靠实时双向通信。从而为各行各业物联网广泛应用，提供了有力的技术支撑。

Description

间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统和方法
技术领域
本发明属于低功耗无线通信技术领域，特别涉及一种间隙性方式工作的无线通信系统和方法。
背景技术
现有以新一代有源电子标签为代表，采用间隙性工作方式的低功耗无线通信技术，主要包括有源RFID技术，低功耗蓝牙技术， Zigbee，以及以NB-IOT，LORAWAN,和SIGFOX等为代表的LPWAN技术。尽管它们各自都有一定的应用范围，但它们都无法满足物联网终端低功耗通信的普遍应用需要。
现有典型的睡眠唤醒技术包括：ISO-18000-7国际标准(美军标)采用的睡眠唤醒技术：标准中读写器，在需要与标签通信时，将在一段大于标签睡眠苏醒周期的时间段内，在预先安排的信道上，连续不间断重复地向标签广播唤醒信号；而标签(低功耗物联网终端)，则在周期性睡眠苏醒后在该信道上监听信号的瞬间，先开启一个小的动态信号监听窗口抓取一个简单的方波唤醒信号单元，然后再延长接收时间，接收位于长达数秒的唤醒信号单元序列末尾的完整数据信号包。这种方式不仅费时费电，而且无法处理与海量快速移动的电子标签的通信，也无法满足需要与终端进行频繁通信的应用要求。这也是迄今为止，还没发现世界上有哪一个国家，利用简单的有源电子标签技术，来实现城市交通智能化管理中，车流量实时信息自动采集的主要原因。
中国有源电子标签国家标准采用的睡眠唤醒技术：该标准中的有源电子标签，在周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间，开启一个固定时间长度信号监听窗口(至少大与标签连续接收两个完整数据信号包所需的时间)，来监听接收一个简单的数据信号包(实际是一个唤醒信号包)，这类似美军标的方波唤醒信号单元，只不过多了一些简单信息。由于标签苏醒时间有先后，先后被唤醒的标签都需要等到所有标签被唤醒后，才能统一接收到来自读写器采用“时隙Aloha”的接入命令，这种方式与美军标存在同样的缺陷，而且更费电，因而并没得真正的应用推广。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种间隙性方式工作的低功耗物联网终端无线通信系统，简单有效地解决了如何实现与间隙性工作的物联网终端间低功耗无线双向实时通信的难题。该方案通过采用多动态信号监听窗口的方式，在通信发起方与间隙性工作的物联网终端之间，迅速建立起无线双向实时通信联系。其具体方案如下：
本发明系统是由一个以上的，彼此可进行无线通信，采用间隙性工作方式工作的低功耗物联网终端(以后简称物联终端)，或一个或多个可与这些物联终端进行通信的读写器和物联终端组成；每一个物联终端都有一个唯一的身份ID。
物联终端或物联终端读写器可以通过与任意一种网络终端的有线连接联网。采用电池供电的物联终端和一般采用外供电并且联网的物联终端读写器，都可以发起与任何第三方物联终端的低功耗通信。物联终端可以通过各种接口与传感器，控制器，以及卫星定位终端等连接，并对它们进行控制。
系统中的物联终端平常处于周期性睡眠，苏醒后在预先安排的无线信道上，监听来自读写器或其它物联终端的唤醒信号。由于物联网终端真正需要进行工作的机会非常少，而且每次工作的时间也非常短，但什么时候需要进入工作状态，主要取决于管理后台的需要，或是否有传递来自其它传感器物联终端报警信号的需要。因而物联终端以一种超低功耗的方式，维系与管理后台或其它智能终端间的实时通信联系，以便真正做到“按需工作”就变得非常重要，这也是低功耗物联网终端通信技术的难题。参见CCSA-TC10/WG4
《低功耗物联网智能终端通信技术标准研究报告》。
本发明提供的是一种高效低功耗的“睡眠唤醒”方式，它使得任意一个物联终端读写器或物联终端在任何需要的时候，可将任意一个处于超低功耗“睡眠”状态下的物联终端唤醒，并迅速与之建立起通信联系。
任意一个物联单元(物联终端读写器或物联终端)需要与其它物联终端进行通信时，发起通信的物联单元，将在一段大于物联终端睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断重复地向物联终端发射工作指令信号，抓住物联终端睡眠苏醒后监听信号的瞬间与之建立通信联系；这里所述的工作指令信号，包括具体数字信号内容部分和位于它前面的，由多个简单唤醒信号单元组成的唤醒信号序列两部分；这里的“具体数字信号内容”，与一般无线数字通信中的定义相同；物联终端接收一个唤醒信号单元信号所需的时间远小于接收紧随其后的具体数字信号内容部分所需的时间。而物联终端则通过周期性睡眠苏醒后的瞬间，监听接收来自发起通信的物联单元的唤醒信号的方式，与发起通信物联单元建立通信联系。
在ISO-18000-7国际标准和中国有源电子国家标中，物联终端 (电子标签)睡眠苏醒后，采用的是开启单一信号监听窗口监听信号；而本发明中的物联终端在睡眠苏醒后的瞬间，采用的是开启多个信号监听窗口的方式，监听来自发起通信的物联单元的信号。本发明的多窗口监听信号的方式，解决了采用单一信号监听窗口存在如下问题：
1)电子标签(物联终端)在睡眠苏醒后监听信号瞬间，在抓取到唤醒信号单元信号后，必须长时间(几秒钟)处于高功耗信号接收的等待状态，才能接收到位于整个唤醒信号单元系列末尾的完整数据信号包(图1)；
2)发起通信的物联单元，只有等到先后苏醒的所有电子标签都收到完整数据信号包信号后，才能向物联终端传递完整的工作指令信息；
3)所有电子标签，在接收到来自发起通信的物联单元的完整工作指令信号包后，还必须通过高耗电，费时繁复的“时隙Aloha”接入方式，与发起通信的物联单元建立起有效通信(图2)。
本发明方案采用的多动态信号监听窗口的方式，不仅可以使物联终端快速准确地抓取到唤醒信号单元，并在任意一个监听窗口抓取到唤醒信号单元后，立即(几个毫秒后)就能接收到完整工作数据信号包，并通过快速频道跳转方式，立即与读写器建立起通信联系，从而免去了费时，费电和低效的“时隙Aloha”接入过程。
附图说明：
图1为本发明实施例提供的单一信号监听窗口的“睡眠唤醒”方式。
图2为本发明实施例提供的ISO-18000-7国际标准“睡眠唤醒”方式。
图3为本发明实施例提供的多个近距离间隔的动态时间窗口抓取唤醒信号单元。
图4为本发明实施例提供的多个远距离间隔的动态时间窗口抓取唤醒信号单元。
图5携带简单信息的唤醒信号单元。
图6为多个动态信号监听窗口抓取唤醒信号单元
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明系统中的物联终端，在睡眠苏醒后的瞬间，立即开启相距一定时间间隔的多个初始信号监听窗口，来抓取所述指令信号中的一个唤醒信号单元，并在任意一个初始信号监听窗口抓取到一个唤醒信号单元后，立即延长接收时间，继续接收紧随其后的具体数字信号包内容，直到接收到一个完整正确的工作指令信号包，并按照工作指令信号的要求动作，或者在延长接收时间超过预先设定的时间门限后，进入周期睡眠苏醒后监听信号瞬间的低功耗状态；这里每个初始信号监听窗口应尽可能小，但不小于智能终端接收两个连续唤醒信号单元信号所需的时间。为了省电的目的，本发明要求每个初始信号监听窗口尽可能的小，但又不得小于智能终端接收两个连续唤醒信号单元信号所需的时间，因而，在不影响通信距离，并能更好满足实际应用需要前提下，每个唤醒信号单元就需要设置得尽可能的短小。
参见图3所示，唤醒信号单元可以与工作指令信号包本身完全无关的，具有某种射频特征的简单信号；或者是一般无线数字通信中数字信号包的前导码单元，或者是由前导码和携带了简单信息，并具有某种结构特征的数字信号包的包头组成，或者就是一个简短的特殊数据信号包。
这里的多个初始信号监听窗口的时间间隔是按这样的原则来安排的：即以尽可能少的初始信号监听窗口的数量，来保证物联终端有尽可能多的，监听接收一个完整唤醒信号单元信号的机会。
这里的工作指令信号包中的唤醒信号单元的个数是这样来确定的，即传输所述工作指令信号包中唤醒信号单元序列所需的时间Tn，应不小于传输所述工作指令信号包中具体数字信号内容所需时间t的K倍，即Tn≥K*t，这里K为大于0的整数；而物联终端在周期性睡眠苏醒后，可开启L＝K+1个初始信号监听窗口，以保证物联终端每次苏醒后，至少有1个，最多有K个初始信号监听窗口可以接收到一个完整唤醒信号单元的信号。
参见图4所示，L个初始信号监听窗口的时间位置是这样安排的：两个相邻信号监听窗口之间的间距Ti满足关系(N+1)*T≥Ti≥ (N*T+t)，这里T是传输整个工作指令信号包所需的时间，整数N ≥0。一般情况下N＝0，有时为了规避集中在某个时刻的瞬时干扰，我们还可以加大相邻两个初始信号监听窗口间的距离，此时，上述关系式中的N≥1。
参见图5所示，在与海量物联终端，例如与电子价格标签通信时，为了提高通行效率，尽可能减少对不需更改价格的标签的干扰，我们可以让唤醒信号单元携带标签分组信息。此时，一个由前导码和携带了简单信息的数字信号包的包头便组成了一个唤醒信号单元。这个唤醒信号单元将由几个前导码字节和几个经过扩频编码或其它方式编码的字节组成，且在这几个编码字节中，至少包括一个包特征信息字节和一个位于最后的包长度字节，当所述包长度字节值为“0”时，表示该包头是一个独立的携带简单信息的唤醒信号单元的一部分；如果所述包长度字节值不为“0”，则该包头后面还尾随有由该包长度字节所定义长度的相关信息。
本发明解决了当今物联网应用落地面临的，如何以超低成本超低功耗的方式，实现万物互联中物联终端“按需工作”的难题，从而将广泛用于各行各业。
以上对本发明所提供的一种无线间隙性低功耗通信方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统，它是由一个以上，彼此可进行无线通信的低功耗物联网终端，以后简称物联终端，或一个或多个可与物联终端进行通信的读写器和物联终端组成；每一个物联终端都有一个唯一的身份ID；这里所谓的低功耗无线通信，是指所述的物联终端，平常都处于周期性睡眠苏醒后在预先安排的无线信道上，监听来自读写器或其它物联终端信号瞬间的低功耗工作状态；当系统中的一个读写器，或任意一个物联终端需要与其它物联终端进行通信时，发起通信的物联终端或读写器，将在一段大于目标物联终端睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断重复地向目标物联终端发射工作指令信号，抓住目标物联终端睡眠苏醒后监听信号的瞬间与之建立通信联系；这里所述的工作指令信号，包括具体数字信号内容部分和位于它前面的，由多个简单唤醒信号单元组成的唤醒信号序列两部分；而这里的“具体数字信号内容”，与一般无线数字通信中定义的内容相同；这里所述的物联终端睡眠苏醒后，监听信号的瞬间，是指物联终端睡眠苏醒后，立即开启相距一定时间间隔的多个初始信号监听窗口，安排这些窗口之间的时间间隔的原则是以使用尽可能少的初始信号监听窗口的数量，来保证物联终端有尽可能多的监听接收机会来接收一个完整唤醒信号单元的信号，并在任意一个初始信号监听窗口抓取到一个唤醒信号单元后，立即延长接收时间，继续接收紧随其后的具体数字信号内容，直到接收到一个完整正确的工作指令信号包，并按照工作指令信号的要求行动，或者在延长接收时间超过预先设定的时间门限后，进入周期睡眠苏醒后监听信号瞬间的状态；这里每个初始信号监听窗口应尽可能小，但不小于智能终端接收两个连续唤醒信号单元信号所需的时间。
2.根据权利要求1所述的间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统，其特征在于，这里的唤醒信号单元是与所述工作指令信号包内容无关的，具有某种射频特征的简单信号；或者是一般无线数字通信中数字信号包的前导码单元；或者是由前导码和携带了简单信息，并具有某种结构特征的数字信号包的包头组成；或者就是一个简短的完整数据信号包。
3.根据权利要求1中任一项所述的间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统，其特征在于，所述工作指令信号包中的唤醒信号单元的个数是这样来确定的，即传输所述工作指令信号包中唤醒信号单元序列所需的时间Tn，应不小于传输所述工作指令信号包中具体数字信号内容所需时间t的K倍，即Tn≥K*t，这里K为大于0的整数，而物联终端在周期性睡眠苏醒后，最多可开启L＝K+1个初始信号监听窗口，以保证物联终端每次苏醒后，至少有1个，最多有K个初始信号监听窗口可以接收到一个唤醒信号单元的信号。
4.根据权利要求3所述的间隙性方式工作的物联网终端无线通信系统，其特征在于，所述L个初始信号监听窗口的时间位置是这样安排的：两个相邻信号监听窗口之间的间距Ti满足关系(N+1)*T≥Ti≥(N*T+t)，这里T是传输整个工作指令信号包所需的时间，整数N≥0。
5.间隙性方式工作的物联网终端无线通信方法，其特征在于：当任意一个发起无线通信的物联网单元，包括不限于采用外供电的读写器或采用电池供电的低功耗物联终端，为了迅速地与其它处于周期性睡眠，苏醒后只监听信号瞬间的低功耗物联终端建立起通信联系，发起通信的物联网单元，将在一段大于目标物联终端睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断重复地向目标物联终端发射工作指令信号，抓住目标物联终端睡眠苏醒后监听信号的瞬间与之建立通信联系；这里所述的工作指令信号包括,具体数字信号内容部分和位于它前面的，由多个简单唤醒信号单元组成的唤醒信号序列两部分；而这里的“具体数字信号内容”，与一般无线数字通信中定义的内容相同；这里所述的物联终端睡眠苏醒后，监听信号的瞬间，是指物联终端睡眠苏醒后，立即开启至少两个相距一定时间间隔的多个初始信号监听窗口，来抓取所述指令信号中的一个唤醒信号单元，并在任意一个初始信号监听窗口抓取到一个唤醒信号单元后，立即延长接收时间，继续接收紧随其后的具体数字信号内容，直到接收到一个完整正确的工作指令信号包，并按照工作指令信号的要求行动，或者在延长接收时间超过预先设定的时间门限后，进入周期睡眠苏醒后监听信号瞬间的状态；这里每个初始信号监听窗口应尽可能小，但不小于智能终端接收两个连续唤醒信号单元信号所需的时间；而这里的多个初始信号监听窗口的时间间隔是这样来安排的，以尽可能少的初始信号监听窗口的数量，来保证物联终端有尽可能多的监听接收机会，来接收一个完整唤醒信号单元的信号。
6.根据权利要求5所述的间隙性方式工作的物联网终端无线通信方法,其特征在于，所述工作指令信号包中的唤醒信号单元的个数是这样来确定的，即传输所述工作指令信号包中唤醒信号单元序列所需的时间Tn，应不小于传输所述工作指令信号包中具体数字信号内容所需时间t的K倍，即Tn≥K*t，这里K为大于0的整数，而物联终端在周期性睡眠苏醒后，将开启L＝K+1个初始信号监听窗口，以保证物联终端每次苏醒后，至少有1个，最多有K个初始信号监听窗口可以接收到一个唤醒信号单元的信号。
7.根据权利要求6所述的间隙性方式工作的物联网终端无线通信方法，其特征在于，所述L个初始信号监听窗口的时间位置是这样安排的：两个相邻信号监听窗口之间的间距Ti满足关系(N+1)*T≥Ti≥(N*T+t)，这里T是传输整个工作指令信号包所需的时间，整数N≥0。
8.根据权利要求5所述的间隙性方式工作的物联网终端无线通信方法，其特征在于，这里的唤醒信号单元是与所述工作指令信号包内容无关的，具有某种射频特征的简单信号；或者是一般无线数字通信中数字信号包的前导码单元；或者是由前导码和携带了简单信息，并具有某种结构特征的数字信号包的包头组成；或者就是一个简短的完整数据信号包。
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