CN112752332A - 基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法 - Google Patents

基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网技术领域，提供一种基于NB‑IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，包括：步骤100：获得休眠触发事件；步骤200：将休眠触发事件报告给电源管理模块，电源管理模块判断NB‑IoT通信协议栈是否允许休眠；步骤300：NB‑IoT通信协议栈更新通用用户识别模块文件；步骤400：NB‑IoT通信协议栈通知物理层即将断电；步骤500：NB‑IoT通信协议栈将休眠要保存的信息；步骤600：NB‑IoT通信协议栈向电源管理模块中注册休眠定时器，同时决定通用用户识别模块休眠时的状态；步骤700：电源管理模块控制实时时钟运行休眠定时器。本发明能够减少设备对电能的消耗，提升电池的使用寿命。

Description

基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法。
背景技术
随着NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)技术的发展，运营商的基站建设越来越完善，市面上的NB-IoT技术已经运用到了很多行业，比如智能门锁、共享单车、烟感报警器、智能水表等等。
在NB-IoT技术出现以前，物联网设备通常以外部控制MCU和通信模组配合的方式实现。为了控制功耗，设备在休眠时通常将通信模组断电，MCU注册睡眠时长给实时时钟。这种休眠方式的缺点是当通信模组断电后，核心网层面并不保存设备的附着状态，接入网层面也不会保存设备的通信资源。所以当设备再次发数时，必须重新建立连接并且需要重新与核心网进行附着。为了传递少数字节的用户数据，将花费设备大量的电量在信令连接的传递上，直接的表现是设备的电池使用寿命短。
为了延长电池的使用寿命，在NB-IoT协议中引入了PSM和eDRX两种低功耗的工作状态，协议描述在PSM状态下设备可以完全休眠，网络侧无法寻呼到设备，但是核心网保持设备附着。而eDRX状态下，不仅核心网保留设备附着，而且接入网的连接资源设备也可以存储并且直接使用。所以对于NB-IoT物联网设备在唤醒时可以省略附着过程，甚至可以省略获得通信资源的过程，从而达到省电的目的。对于设备如何实现休眠协议并没有详细描述，这就给各家通信芯片厂商发挥的空间。
发明内容
本发明主要解决现有技术的设备休眠时去附着且需要重新获得信道资源的技术问题，提出一种基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，以实现非连续接收和出服务区模式下的休眠控制，进一步减少设备对电能的消耗，提升电池的使用寿命。
本发明提供了一种基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，所述物联网系统，包括：物理层1、操作系统2、电源管理模块3、NB-IoT通信协议栈4、非易失性存储器5、通用用户识别模块6以及实时时钟7；
所述物联网系统休眠控制方法，包括以下过程：
步骤100：在适合休眠的工作模式下，获得休眠触发事件；
步骤200：将休眠触发事件报告给电源管理模块3，电源管理模块3通过调用NB-IoT通信协议栈4提供的应用程序接口，判断NB-IoT通信协议栈4是否允许休眠，如果是则进行下一步，如果否则等待下一轮的休眠触发事件；
步骤300：NB-IoT通信协议栈4更新通用用户识别模块文件；
步骤400：NB-IoT通信协议栈4通知物理层1即将断电；
步骤500：NB-IoT通信协议栈4将休眠要保存的信息，存入非易失性存储器5；
步骤600：NB-IoT通信协议栈4向电源管理模块3中注册休眠定时器，同时根据从通用用户识别模块6中读取的信息以及NB-IoT通信协议栈4当前所处的工作模式，决定通用用户识别模块6休眠时的状态，并向电源管理模块3报告通用用户识别模块6休眠时的状态；
步骤700：电源管理模块3控制实时时钟7运行休眠定时器，并通知物理层1、NB-IoT通信协议栈4、通用用户识别模块6下电，使物联网系统除实时时钟7以外关闭。
优选的，所述NB-IoT通信协议栈4分别与物理层1、操作系统2、电源管理模块3、NB-IoT通信协议栈4、非易失性存储器5、通用用户识别模块6连接；所述物理层1与电源管理模块3连接，所述电源管理模块3分别与通用用户识别模块6、实时时钟7连接。
优选的，所述NB-IoT通信协议栈4，包括：非接入层、AT控制、无线资源控制、分组数据汇聚协议、无线链路控制以及介质访问控制。
优选的，所述适合休眠的工作模式，包括：非连续接收、扩展非连续接收、省电模式和出服务区。
优选的，在步骤100中，所述休眠触发事件，包括：
在非连续接收的模式下，休眠触发事件由物理层1触发，NB-IoT通信协议栈4会将非连续接收的周期配置给物理层1，当物理层1进入到非连续接收模式后，每个非连续接收周期都会触发休眠事件；
在扩展非连续接收的模式下，休眠触发事件由物理层1触发，NB-IoT通信协议栈4会将扩展非连续接收的周期配置给物理层1，当物理层1进入到扩展非连续接收模式后，每个扩展非连续接收周期都会触发休眠事件；
在省电模式下，休眠触发事件由操作系统定时器触发，操作系统2通知NB-IoT通信协议栈4操作系统定时器超时，由NB-IoT通信协议栈4发起省电模式休眠流程；
在出服务区的模式下，休眠触发事件由NB-IoT通信协议栈4触发，NB-IoT通信协议栈4接收物理层1定时上报的小区质量，并根据上报的小区质量判断物联网系统满足出服务区条件后，由NB-IoT通信协议栈4发起出服务区的休眠流程。
优选的，在步骤200中，判断NB-IoT通信协议栈4是否允许休眠的方法：
根据NB-IoT通信协议栈4当前所处的流程，如果不存在没有处理完的AT命令，且电源管理模块3预计的休眠时长大于NB-IoT通信协议栈4的最短休眠时长，则NB-IoT通信协议栈4同意休眠。
优选的，在步骤300中，更新通用用户识别模块文件，包括：加密信息、完整性保护信息和非接入层的小区信息。
本发明提供的一种基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，就休眠过程做了详细描述，在非连续接收、扩展非连续接收、省电模式和出服务区四种工作模式下触发系统休眠的事件，一方面给出了协议规定的休眠状态的实际休眠方法，另一方面拓展了设备两个新的状态也可以进行休眠；物联网系统各组成的配合实现了NB-IoT协议栈系统在各种可能休眠的场景下的断电过程，其中非连续接收和出服务区的休眠过程并非通信协议所描述，本发明进一步降低了NB-IoT设备的电池消耗。本发明休眠过程中将始终保持设备和核心网之间的附着关系，当设备重新发送数据时无需重新进行附着信令流程。另外，本发明的优点在于在通信协议允许的范围内，尽量保存公共信道的配置参数，以及保存通用用户识别模块信息，在睡醒通信时减少系统信息接收过程和协议栈与通用用户识别模块交互，最大限度减少电能的消耗。
附图说明
图1是本发明应用的物联网系统的连接框图；
图2是本发明提供的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法的实现流程图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
本发明实施例提供的一种基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，应用于物联网系统中。如图1所示，所述物联网系统，包括：物理层1(L1)、操作系统2(Operating System，OS)、电源管理模块3(Power Management Module，PMM)、NB-IoT通信协议栈4(Protocol Stack，PS)、非易失性存储器5(Non Volatile Memory，NVM)、通用用户识别模块6(Universal Subscriber Identity Module，USIM)以及实时时钟7(Real TimeClock，RTC)。
所述NB-IoT通信协议栈4分别与物理层1、操作系统2、电源管理模块3、NB-IoT通信协议栈4、非易失性存储器5、通用用户识别模块6连接；所述物理层1与电源管理模块3连接，所述电源管理模块3分别与通用用户识别模块6、实时时钟7连接。
所述NB-IoT通信协议栈4，包括：非接入层(Non Access stratum，NAS)、AT控制(ATControl，ATC)、无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)、分组数据汇聚协议(PacketData Convergence Protocol，PDCP)、无线链路控制(Radio Link Control，RLC)以及介质访问控制(Medium Access Control，MAC)。
如图2所示，本发明实施例提供的一种NB-IoT通信协议栈休眠控制方法，包括以下过程：
步骤100：在适合休眠的工作模式下，获得休眠触发事件。
适合休眠的工作模式，包括：非连续接收(Discontinuous Reception，DRX)、扩展非连续接收(Extended DRX，eDRX)、省电模式(Power Save Mode，PSM)和出服务区(Out ofService，OOS)；在这四种工作模式下，允许触发系统休眠。
根据适合休眠的四种不同的工作模式，休眠触发事件的触发源不同，非连续接收和扩展非连续接收由物理层1触发，省电模式和出服务区，由操作系统2触发。具体触发情况如下：
在非连续接收的模式下，休眠触发事件由物理层1触发，NB-IoT通信协议栈4会将非连续接收的周期配置给物理层1，当物理层1进入到非连续接收模式后，每个非连续接收周期都会触发休眠事件；物理层1通知电源管理模块3非连续接收的周期。
在扩展非连续接收的模式下，休眠触发事件由物理层1触发，NB-IoT通信协议栈4会将扩展非连续接收的周期配置给物理层1，当物理层1进入到扩展非连续接收模式后，每个扩展非连续接收周期都会触发休眠事件；物理层1通知电源管理模块3扩展非连续接收的周期。
在省电模式下，休眠触发事件由操作系统定时器触发，操作系统2通知NB-IoT通信协议栈4操作系统定时器超时，由NB-IoT通信协议栈4发起省电模式休眠流程。操作系统定时器为T3324，协议规定的RRC无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)链接释放后启动的操作系统定时器，当操作系统定时器溢出时，物联网系统应当进入到省电模式状态。
在出服务区的模式下，休眠触发事件由NB-IoT通信协议栈4触发，NB-IoT通信协议栈4接收物理层1定时上报的小区质量，并根据上报的小区质量判断物联网系统满足出服务区条件后，由NB-IoT通信协议栈4发起出服务区的休眠流程。
步骤200：将休眠触发事件报告给电源管理模块3，电源管理模块3通过调用NB-IoT通信协议栈4提供的应用程序接口(Application Programming Interface，API)，判断NB-IoT通信协议栈4是否允许休眠，如果是则进行下一步，如果否则等待下一轮休眠触发事件，至电源管理模块3再次调用通信协议栈4提供的API，判断设备是否允许休眠。
本步骤将步骤100获得的休眠触发事件报告给电源管理模块3，电源管理模块3统一处理。电源管理模块3统一处理休眠事件，包括：电源管理模块3检查NB-IoT通信协议栈4是否可以休眠，并携带预计休眠时长给NB-IoT通信协议栈4，NB-IoT通信协议栈4根据当前的流程和状态响应电源管理模块3。根据NB-IoT通信协议栈4判断是否休眠的结果，电源管理模块3决定是否继续进行后续的休眠流程；如果是则进行步骤300。
判断NB-IoT通信协议栈4是否允许休眠的方法：根据NB-IoT通信协议栈4当前所处的流程，如果不存在没有处理完的AT命令，且电源管理模块3预计的休眠时长大于NB-IoT通信协议栈4的最短休眠时长，则NB-IoT通信协议栈4同意休眠。
其中下一次休眠事件的触发根据工作场景不同有以下几种情况：在非连续接收/扩展非连续接收工作模式下，电源管理模块3会根据睡眠时长选择是否放弃当前周期的休眠事件，如果休眠时间短，则直接放弃当前非连续接收/扩展非连续接收周期的休眠，等待物理层1触发下一个非连续接收/扩展非连续接收周期的休眠事件；如果休眠时间长，当NB-IoT通信协议栈4拒绝本次休眠后，电源管理模块3应当实现一个短周期再次触发休眠事件流程，直到NB-IoT通信协议栈4同意休眠或休眠时间太短而放弃本周期的休眠事件。
步骤300：NB-IoT通信协议栈4更新通用用户识别模块文件。
更新通用用户识别模块文件，包括：加密信息、完整性保护信息和非接入层的小区信息。
步骤400：NB-IoT通信协议栈4通知物理层1即将断电。
本步骤的操作是为了给物理层1一个时机，让物理层1向非易失性存储器5中存储其休眠所需要保存的信息。
步骤500：NB-IoT通信协议栈4将休眠要保存的信息，存入非易失性存储器。
休眠要保存的信息主要分为两个部分，第一部分是非接入层信息，包括：非接入层需要维护的定时器信息、非接入层流程控制相关的全局变量信息、网络侧已经分配的承载信息、加解密和完整性保护信息以及非接入层的小区信息。另一部分是接入层面(AccessStratum，AS)信息，包括接入层面需要维护的定时器信息，接入层面流程控制相关的全局变量信息以及接入层面的小区信息等。
本步骤将休眠要保存的信息存入非易失性存储器，能够在睡醒后物理层1将使用这些信息恢复其工作状态至休眠前。
步骤600：NB-IoT通信协议栈4向电源管理模块3中注册休眠定时器，同时根据从通用用户识别模块6中读取的信息以及NB-IoT通信协议栈4当前所处的工作模式，决定通用用户识别模块6休眠时的状态，并向电源管理模块3报告通用用户识别模块6休眠时的状态，通用用户识别模块6休眠时的状态可以是上电、掉电或挂起。
注册的休眠定时器的时长是NB-IoT通信协议栈4各层评估后得到的可以休眠的最短时间，参与评估的定时器有很多，此处举两个例子，比如周期跟踪区域更新(TracingArea Update,TAU)的定时器T3412，进入省电模式的定时器T3324等等。NB-IoT通信协议栈4注册此时长到电源管理模块3的目的：NB-IoT通信协议栈4期望此时长到时间后，电源管理模块3唤醒NB-IoT通信协议栈4，并通知NB-IoT通信协议栈4精确的休眠时间，NB-IoT通信协议栈4通过读取非易失性存储器5数据获得休眠前存储的各定时器的剩余时长，然后做定时器的时间补偿，再重新启动定时器，仿佛NB-IoT通信协议栈4没有休眠。定时器补偿后可能会出现定时器已经溢出的情况，这种情况会直接触发该定时器溢出的事件，当操作系统2调度到对应任务时会对该溢出事件进行处理。
之所以要将此休眠定时器注册出去，是NB-IoT通信协议栈4可以在这段时间内销毁任务和停止维护随机存储器(Random Access Memory，RAM)中存储的全局变量，真正进入到NB-IoT通信协议栈4完全不工作的情形，从而达到休眠省电的目的。
当休眠定时器超时后，一般唤醒NB-IoT通信协议栈4的原因，是根据协议要求终端需要在指定的时间跟网侧进行信令的交互。
通用用户识别模块6的状态有以下三种：上电(Power On)、掉电(Power off)和挂起(Suspend)。报告通用用户识别模块6的状态，是因为只有NB-IoT通信协议栈4知道物联网系统休眠时通用用户识别模块6应该保持哪种状态。这里描述的挂起/掉电是在掉电前NB-IoT通信协议栈4需要跟通用用户识别模块6做交互，二者分别保存相关的配置信息，再重新上电后可以快速的恢复NB-IoT通信协议栈4和通用用户识别模块6的工作，且不需要重新初始化通用用户识别模块6。
所述的NB-IoT通信协议栈4如何判断通用用户识别模块6休眠时应保持的状态，首先是根据休眠时长决定通用用户识别模块6是否可以断电。如果休眠时间短于门限值，则通知上电，如果休眠时间大于门限值，则根据通信协议栈4开机时从通用用户识别模块6中读取的信息，其是否支持挂起功能决定通用用户识别模块6在休眠期间是断电还是挂起。其中挂起的好处表现在，NB-IoT通信协议栈4在休眠流程中会存储挂起通用用户识别模块6需要的信息，当唤醒时NB-IoT通信协议栈4只需要发起继续命令给通用用户识别模块6即可，不用重新初始化，使唤醒过程加速，节省信息交互，从而达到省电的目的。而直接断电后，当唤醒时NB-IoT通信协议栈4需要重新对通用用户识别模块6进行初始化然后才能正常与通用用户识别模块6交互信息。
步骤700：电源管理模块3控制实时时钟7运行休眠定时器，并通知物理层1、NB-IoT通信协议栈4、通用用户识别模块6下电，使物联网系统除实时时钟7以外关闭。
电源管理模块3控制实时时钟7运行休眠定时器，是将系统休眠的闹钟设定好。电源管理模块3关闭物联网系统，即通知物理层1、NB-IoT通信协议栈4、通用用户识别模块6掉电，使得物联网系统除实时时钟7以外关闭，从而达到省电的目的。
电源管理模块3控制物理层1和NB-IoT通信协议栈4掉电，包括：销毁物理层1和NB-IoT通信协议栈4的消息队列以及全部任务，随机存储器掉电全局变量不保存，操作系统2掉电任务不再调度；
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，所述物联网系统，包括：物理层(1)、操作系统(2)、电源管理模块(3)、NB-IoT通信协议栈(4)、非易失性存储器(5)、通用用户识别模块(6)以及实时时钟(7)；
其特征在于，所述物联网系统休眠控制方法，包括以下过程：
步骤100：在适合休眠的工作模式下，获得休眠触发事件；
步骤200：将休眠触发事件报告给电源管理模块(3)，电源管理模块(3)通过调用NB-IoT通信协议栈(4)提供的应用程序接口，判断NB-IoT通信协议栈(4)是否允许休眠，如果是则进行下一步，如果否则等待下一轮的休眠触发事件；
步骤300：NB-IoT通信协议栈(4)更新通用用户识别模块文件；
步骤400：NB-IoT通信协议栈(4)通知物理层(1)即将断电；
步骤500：NB-IoT通信协议栈(4)将休眠要保存的信息，存入非易失性存储器(5)；
步骤600：NB-IoT通信协议栈(4)向电源管理模块(3)中注册休眠定时器，同时根据从通用用户识别模块(6)中读取的信息以及NB-IoT通信协议栈(4)当前所处的工作模式，决定通用用户识别模块(6)休眠时的状态，并向电源管理模块(3)报告通用用户识别模块(6)休眠时的状态；
步骤700：电源管理模块(3)控制实时时钟(7)运行休眠定时器，并通知物理层(1)、NB-IoT通信协议栈(4)、通用用户识别模块(6)下电，使物联网系统除实时时钟(7)以外关闭。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，其特征在于，所述NB-IoT通信协议栈(4)分别与物理层(1)、操作系统(2)、电源管理模块(3)、NB-IoT通信协议栈(4)、非易失性存储器(5)、通用用户识别模块(6)连接；所述物理层(1)与电源管理模块(3)连接，所述电源管理模块(3)分别与通用用户识别模块(6)、实时时钟(7)连接。
3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，其特征在于，所述NB-IoT通信协议栈(4)，包括：非接入层、AT控制、无线资源控制、分组数据汇聚协议、无线链路控制以及介质访问控制。
4.根据权利要求1或3所述的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，其特征在于，所述适合休眠的工作模式，包括：非连续接收、扩展非连续接收、省电模式和出服务区。
5.根据权利要求4所述的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，其特征在于，在步骤100中，所述休眠触发事件，包括：
在非连续接收的模式下，休眠触发事件由物理层(1)触发，NB-IoT通信协议栈(4)会将非连续接收的周期配置给物理层(1)，当物理层(1)进入到非连续接收模式后，每个非连续接收周期都会触发休眠事件；
在扩展非连续接收的模式下，休眠触发事件由物理层(1)触发，NB-IoT通信协议栈(4)会将扩展非连续接收的周期配置给物理层(1)，当物理层(1)进入到扩展非连续接收模式后，每个扩展非连续接收周期都会触发休眠事件；
在省电模式下，休眠触发事件由操作系统定时器触发，操作系统(2)通知NB-IoT通信协议栈(4)操作系统定时器超时，由NB-IoT通信协议栈(4)发起省电模式休眠流程；
在出服务区的模式下，休眠触发事件由NB-IoT通信协议栈(4)触发，NB-IoT通信协议栈(4)接收物理层(1)定时上报的小区质量，并根据上报的小区质量判断物联网系统满足出服务区条件后，由NB-IoT通信协议栈(4)发起出服务区的休眠流程。
6.根据权利要求1所述的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，其特征在于，在步骤200中，判断NB-IoT通信协议栈(4)是否允许休眠的方法：
根据NB-IoT通信协议栈(4)当前所处的流程，如果不存在没有处理完的AT命令，且电源管理模块(3)预计的休眠时长大于NB-IoT通信协议栈(4)的最短休眠时长，则NB-IoT通信协议栈(4)同意休眠。
7.根据权利要求1所述的基于NB-IoT通信协议栈的物联网系统休眠控制方法，其特征在于，在步骤300中，更新通用用户识别模块文件，包括：加密信息、完整性保护信息和非接入层的小区信息。
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