CN113038509B - 一种宽窄带信道结合的无线组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽窄带信道结合的无线组网方法，包括：建立宽窄带信道结合的无线组网系统，所述系统包括窄带信道和宽带信道，其中窄带信道一直处于工作状态，用于传输低速数据，以及宽带信道的资源调度传输；宽带信道用于传输高速数据，宽带信道按业务量来确定是否工作，默认为关闭状态。采用本发明方法，使得从节点1h的平均功耗不大于200mW(高速数据发送时间不大于10s)，窄带信道的数据速率不小于5kbps，宽带信道的数据速率不小于12Mbps，无中继时通信距离不小于3km。

Description

一种宽窄带信道结合的无线组网方法
技术领域
本发明涉及一种宽窄带信道结合的无线组网方法。
背景技术
随着现代通信的飞速发展，各种无线通信技术在不同领域的应用越来越多，常见的有低功耗、低数据速率的LORA技术、基于802.11的WiFi技术、基于802.15的mesh技术、3GPP的TD-LTE/FD-LTE技术等等，它们各自都有优缺点，如基于物联网应用的LORA技术具有功耗低、抗干扰性好，但存在着业务带宽小，只能传输低速率的数据；而WiFi业务速率高、但远距离通信时功耗高；mesh技术可以多台进行组网，但存在着功耗高、网络收敛时间长；基于3GPP的TD-LTE/FD-LTE的终端功耗低、网络收敛时间短，但不能中继、基站功耗较大等。在依靠电池供电的无人监控及值守应用场景，依靠单一无线通信技术很难达到要求。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种宽窄带信道结合的无线组网方法，在低功耗要求下，实现多个节点的低速数据和高速数据上报，在节点与中心节点不通视时，能够通过中继方式实现低速数据和高速数据实时上报。
本发明方法具体包括：建立宽窄带信道结合的无线组网系统，所述无线组网系统包括窄带信道和宽带信道，其中窄带信道一直处于工作状态，用于传输低速数据(10kbps以下)，还用于宽带信道的资源调度；宽带信道用于传输高速数据(1Mbps以上，比如视频)，宽带信道按业务量来确定是否工作，默认为关闭状态。
所述无线组网系统包括节点，节点包括主节点、从节点和中继节点；
其中，主节点用于实现窄带信道和宽带信道的资源分配和管理，从节点开机后通过窄带信道向主节点申请入网许可，主节点收到从节点的入网许可后为从节点分配资源，中继节点能够通过窄带信道和宽带信道中继主节点和从节点的数据，当中继节点开机后，也要向主节点申请入网许可，中继节点入网后，当从节点无法与主节点通信但能够与中继节点通信时，中继节点向主节点申请中继资源，并将所述中继资源分配给从节点。
所述无线组网系统还包括射频前端、射频收发组件、宽带信号处理单元和窄带信号处理单元；
其中射频前端用于完成宽带信号和窄带信号的射频滤波和合路；
射频收发组件用于实现宽带信道的射频变频、滤波和放大；
宽带信号处理单元用于实现宽带信道的物理层处理及网络层协议；
窄带信号处理单元用于实现窄带信道的物理层处理、网络层协议及宽带信道资源调度传输。
所述窄带信道的物理层采用扩频的LORA技术，网络层进行有中心组网，其中主节点为网络的中心，中继节点为次中心，中继节点和从节点都要向中心节点申请资源，只有申请到资源后才能入网工作；窄带信道能够工作于接收状态、发射状态，从节点能够工作于接收状态、发射状态、休眠状态，中继节点能够工作于接收状态、发射状态。
所述宽带信道在TD-LTE网物理层基础上进行改进：主节点对宽带信道的时隙资源进行管理和规划，从节点的宽带信道的入网请求信息、退网请求信息、节点的物理地址通过窄带信道传输到主节点的宽带信道。
所述窄带信道中，当有数据发送时从节点才工作于发射状态，否则处于休眠状态，只有在主节点发送唤醒命令后从节点才处于接收状态；中继节点只有在收到的数据包需中继时，才进行发送，否则中继节点处于接收状态。
所述主节点对宽带信道的资源进行管理和规划，包括：宽带信道物理层的帧由管理帧和数据帧组成一个子帧，每个管理帧由5个时隙组成，每个数据帧由35个时隙组成，25个子帧组成一个无线帧，在管理帧中分出一个时隙用于中继节点管理，当从节点无法与主节点通信时，通过所述时隙管理入网。
所述无线组网系统的工作模式包括无人值守模式和监控模式；
在无人值守模式下，从节点的窄带信道处于工作状态，从节点的宽带信道处于下电状态，中心节点的宽带信道和窄带信道均处于工作状态；此时，只有窄带信道在工作，窄带信道的物理层采用低功耗LORA芯片，支持休眠模式，网络层采用低功耗的物联网通信芯片(SX1278)，用于维护网络；在从节点处于接收状态时系统总功耗小于80mW，休眠时功耗小于15uW；
当从节点有数据发送时，数据通过窄带信道发送到主节点，主节点收到数据后再通过窄带信道发送回执信号到从节点；此时输出功率为1W时功耗小于5W；
当需要发送高速数据时，从节点对宽带信道上电，然后通过宽带信道发送高速数据，此时从节点的功耗不大于12W，待高速数据发送完成后，从节点再对宽带信道下电。
所述监控模式下，从节点的窄带信道处于工作状态，从节点的宽带信道处于下电状态，中心节点的宽带信道和窄带信道均处于工作状态，从节点的窄带信道处于工作状态，从节点的宽带信道均处于下电状态；此时从节点处于接收状态时功耗小于80mW，休眠时功耗小于15uW；
当从节点需要发送高速数据时，主节点通过窄带信道发送唤醒命令，然后再发送高速数据发送指令，从节点的窄带信道收到唤醒命令后，完成对宽带信道上电，同时通过窄带信道发送返回命令，待宽带链路信道建立后，能够正常传输高速数据；
当需要停止监控时，主节点通过窄带信道发送退出命令，从节点的窄带信道收到退出命令后，完成对宽带信道下电，然后进行入休眠状态。
当主节点与从节点不通视导致无法正常通信时，此时使用中继节点，将中继节点放置于主节点与从节点之间，使得中继节既与主节点通视，又与从节点通视；
中继节点窄带信道和宽带信道均处于接收状态，此时中继节点功耗小于10W，当有数据中继时，窄带信道和宽带信道均处于接收状态和发射状态间切换，以实现高速数据和低速数据的中继，此时从节点功耗不大于15W。
有益效果：
采用本发明方法，使得从节点1h的平均功耗不大于200mW(高速数据发送时间不大于10s)，窄带信道的数据速率不小于5kbps，宽带信道的数据速率不小于12Mbps，无中继时通信距离不小于3km。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是系统组成图。
图2是宽窄带结合传输数据类型。
图3是组网示意图。
图4是工作时间与功耗剖面。
具体实施方式
宽窄带信道结合的无线组网方法的宽带信道硬件架构采用ZYNQ7Z020+AD9361方案，窄带信道采用物联网芯片SX1278，系统主要性能如下：
(1)通信距离(通视)≥3km；
(2)反应时间(设备上电至高速数据正常传输)≥5s；
(3)数据速率：宽带信道数据速率≥12Mbps,窄带信道数据速率≥5kbps；
(4)最大从节点≥24个。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明提供了一种宽窄带信道结合的无线组网方法，值守模式下，从节点窄带信道处于工作状态、宽带信道处于下电状态，中心节点的宽带信道及窄带信道均处于工作状态，此时从节点处于接收状态时功耗小于80mW，休眠时功耗小于15uW。当从节点有数据发送时，数据通过窄带信道发送到主节点，主节点收到数据后再通过窄带信道发送回执信号到从节点，此时输出功率为1W时功耗小于5W；当需要发送高速数据时，从节点对宽带信道上电，然后通过宽带信道发送高速数据，此时从节点的功耗不大于12W,待高速数据发送完成后，从节点再对宽带信道下电。
监控模式下，从节点窄带信道处于工作状态、宽带信道处于下电状态，中心节点的宽带及窄带均处于工作状态，从节点的窄带信道处于工作状态，宽带信道均处于下电状态,此时从节点处于接收状态时功耗小于80mW，休眠时功耗小于15uW。当需要监视一个从节点高速数据时，主节点通过窄带信道发送唤醒命令，然后再发送监控指令，从节点的窄带信道收到唤醒命令后，完成对宽带信道上电,同时通过窄带信道发送返回命令，待宽带链路信道建立后，可正常传输高速数据，此时从节点功耗不大于15W；当需要停止监控时，主节点通过窄带信道发送退出命令，从节点的窄带信道收到退出命令后，完成对宽带信道下电，然后进行入休眠状态。
需要中继时，将中继节点放置于主节点与从节点之间，使得中继节既与主节点通视，又与从节点通视。中继节点窄带信道和宽带信道均处于接收状态，此时中继节点功耗小于10W，当有数据中继时，窄带信道和宽带信道均处于接收状态和发射状态间切换，以实现高速数据和低速数据的中继，此时从节点功耗不大于15W。
本发明提供了一种宽窄带信道结合的无线组网方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种宽窄带信道结合的无线组网方法，其特征在于，包括：建立宽窄带信道结合的无线组网系统，所述无线组网系统包括窄带信道和宽带信道，其中窄带信道一直处于工作状态，用于传输低速数据，还用于宽带信道的资源调度；宽带信道用于传输高速数据，宽带信道按业务量来确定是否工作，默认为关闭状态；
所述无线组网系统包括节点，节点包括主节点、从节点和中继节点；
其中，主节点用于实现窄带信道和宽带信道的资源分配和管理，从节点开机后通过窄带信道向主节点申请入网许可，主节点收到从节点的入网许可后为从节点分配资源，中继节点能够通过窄带信道和宽带信道中继主节点和从节点的数据，当中继节点开机后，也要向主节点申请入网许可，中继节点入网后，当从节点无法与主节点通信但能够与中继节点通信时，中继节点向主节点申请中继资源，并将所述中继资源分配给从节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线组网系统还包括射频前端、射频收发组件、宽带信号处理单元和窄带信号处理单元；
其中射频前端用于完成宽带信号和窄带信号的射频滤波和合路；
射频收发组件用于实现宽带信道的射频变频、滤波和放大；
宽带信号处理单元用于实现宽带信道的物理层处理及网络层协议；
窄带信号处理单元用于实现窄带信道的物理层处理、网络层协议及宽带信道资源调度传输。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述窄带信道的物理层采用扩频的LORA技术，网络层进行有中心组网，其中主节点为网络的中心，中继节点为次中心，中继节点和从节点都要向中心节点申请资源，只有申请到资源后才能入网工作；窄带信道能够工作于接收状态、发射状态，从节点能够工作于接收状态、发射状态、休眠状态，中继节点能够工作于接收状态、发射状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述宽带信道在TD-LTE网物理层基础上进行改进：主节点对宽带信道的时隙资源进行管理和规划，从节点的宽带信道的入网请求信息、退网请求信息、节点的物理地址通过窄带信道传输到主节点的宽带信道。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述窄带信道中，当有数据发送时从节点才工作于发射状态，否则处于休眠状态，只有在主节点发送唤醒命令后从节点才处于接收状态；中继节点只有在收到的数据包需中继时，才进行发送，否则中继节点处于接收状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述主节点对宽带信道的资源进行管理和规划，包括：宽带信道物理层的帧由管理帧和数据帧组成一个子帧，每个管理帧由5个时隙组成，每个数据帧由35个时隙组成，25个子帧组成一个无线帧，在管理帧中分出一个时隙用于中继节点管理，当从节点无法与主节点通信时，通过所述时隙管理入网。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无线组网系统的工作模式包括无人值守模式和监控模式；
在无人值守模式下，从节点的窄带信道处于工作状态，从节点的宽带信道处于下电状态，中心节点的宽带信道和窄带信道均处于工作状态；此时，只有窄带信道在工作，窄带信道的物理层采用LORA芯片，支持休眠模式，网络层采用低功耗的处理芯片，用于维护网络；
当从节点有数据发送时，数据通过窄带信道发送到主节点，主节点收到数据后再通过窄带信道发送回执信号到从节点；
当需要发送高速数据时，从节点对宽带信道上电，然后通过宽带信道发送高速数据，待高速数据发送完成后，从节点再对宽带信道下电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述监控模式下，从节点的窄带信道处于工作状态，从节点的宽带信道处于下电状态，中心节点的宽带信道和窄带信道均处于工作状态；
当从节点需要发送高速数据时，主节点通过窄带信道发送唤醒命令，然后再发送高速数据发送指令，从节点的窄带信道收到唤醒命令后，完成对宽带信道上电，同时通过窄带信道发送返回命令，待宽带链路信道建立后，能够正常传输高速数据；
当需要停止监控时，主节点通过窄带信道发送退出命令，从节点的窄带信道收到退出命令后，完成对宽带信道下电，然后进行入休眠状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当主节点与从节点不通视导致无法正常通信时，此时使用中继节点，将中继节点放置于主节点与从节点之间，使得中继节既与主节点通视，又与从节点通视；
中继节点窄带信道和宽带信道均处于接收状态，此时中继节点功耗小于10W，当有数据中继时，窄带信道和宽带信道均处于接收状态和发射状态间切换，以实现高速数据和低速数据的中继，此时从节点功耗不大于15W。
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