CN113613255B - 一种同频段多协议无线通信技术共存的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，步骤包括(1)各网络控制器分别与其对应的终端节点通信，指定其中一个网络控制器兼作协调器，由协调器预测特定网络控制器帧间间隙的大小；(2)采用共享PTA的方式将REQ、GNT分别并联在各网络控制器和协调器之间；(3)将重要的数据帧信息编码在REQ请求线和GNT授权线上，用于协调器处理其它网络控制器与各自节点的通信，协调器根据预测出的帧间间隙，对来自各个网络控制器的REQ请求信号处理，通过GNT授权信号，决定是否允许各网络控制器通信。本发明实现同频段多协议无线通信技术共存，通过充分利用其它网络协议的帧间间隙，结合高低优先级数据仲裁方式，有效避免异构网络信号干扰、频率冲突。

Description

一种同频段多协议无线通信技术共存的方法

技术领域

本发明涉及一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线技术Wi-Fi、ZigBee以及BLE等异构网络都工作在2.4G频段，当环境中同时存在以上设备时，不免会因为信道重叠产生数据帧冲突，导致通信失败。由于Wi-Fi发射功率相较于ZigBee、BLE等高出数倍甚至数十倍，Wi-Fi对ZigBee、BLE等设备的干扰尤为明显，且Wi-Fi、BLE通信帧之间存在可观的帧间间隙，能够满足BLE、ZigBee等的一次甚至多次通信。

针对该问题，当前有不受管理的方案，如天线隔离、频率分离、重传机制、带有冲突避免的载波侦听多路访问技术CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)和空闲信道评估技术CCA(Clear Channel Assessment)，这些技术均是在PHY层或MAC层实现的，能够在一定程度上改善通信冲突，但由于缺少主控或协调器等设备控制，存在信道利用率低、吞吐量小的问题。

受管理的解决方案，如包流量仲裁机制PTA(Packet Traffic Arbitration)、同步时间跳频技术TSCH(Time Synchronized Channel Hopping)，PTA技术能够充分利用同一信道，通过分时复用的方法来避免干扰，但是对于多种异构网络共存时，该方法同一时间只能允许一个控制器发起请求，无法使多种协议网络同时工作，即使是两个协议网络运行在不同的频率频段上。TSCH技术通过分时、跳频相结合的方式，同时实现对信道、帧间间隙的充分利用，但也存在不足，比如TSCH技术仅适用于WirelessHART网络内，当使用TSCH技术的网络节点数量较多时，对时间同步的精度和频率要求比较高。

无线技术通信过程中，有些网络通信并非频繁，尤其是考虑低功耗的网络。Wi-Fi在不活跃时通常约有数十毫秒帧间间隙，相对活跃时仍有10ms左右帧间间隙。BLE的间隙更灵活，可在7.5ms-4s之间调整，通常为30ms甚至100ms以上，而一条BLE、ZigBee数据帧的空中持续时间分别为0.5ms、1ms左右，考虑发送、接收、确认包以及延时，可以在2-5ms左右完成一次通信。为此，提出本发明，充分利用通信不频繁网络的帧间间隙，提高信道利用率、吞吐量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，能够实现同频段多协议无线通信技术共存，通过充分利用其它网络协议的帧间间隙，结合高低优先级数据仲裁方式，有效避免异构网络信号干扰、频率冲突，提高信道利用率、吞吐量。

术语解释：

2线制PTA：即REQ请求线+GNT授权线方式。REQ请求线和GNT授权线均使用高电平或低电平表示，比如当ZigBee控制器想要通信时，发起REQ请求信号，如一个持续的高电平。协调器允许其通信时，发起GNT授权信号，如持续的高电平，不授权则为持续的低电平。ZigBee控制器完成通信后解除REQ请求，即将REQ请求信号拉低，同时协调器将GNT授权信号拉低以解除GNT授权。

当3种及以上网络协议共存时，常使用共享2线制PTA连线方式，即所有的REQ信号并联在一起，所有的GNT信号并联在一起。这种方式在多种协议网络共存时，同一时间只能允许一个控制器发起REQ请求。例如Wi-Fi、ZigBee、BLE这3种网络协议技术共存，BLE控制器作为协调器，Wi-Fi控制器发起REQ信号后，由于REQ电平被Wi-Fi控制器占用，ZigBee控制器无法发起REQ请求信号，即使是Wi-Fi、ZigBee控制器工作过在不同的频率上。当然，也可以不采用共享连线方式，Wi-Fi、ZigBee控制器的REQ、GNT线分别连接到协调器，协调器分别读取两个控制器的REQ请求、发起GNT授权控制器通信，能够解决该问题，但占用了较多IO资源。

隐马尔可夫模型HMM(Hidden Markov Model)：隐马尔可夫模型是马尔可夫链的一种，它的状态不能直接观察到，但能通过观测向量序列观察到，每个观测向量都是通过某些概率密度分布表现为各种状态，每一个观测向量是由一个具有相应概率密度分布的状态序列产生。本发明借助HMM模型中的一个经典问题解决：预测问题，也称为解码问题。已知HMM模型参数λ＝(N,M,A,B,π)，观察序列数据O＝{o1,o2,……,oT}，求给定观测序列条件下，最可能出现的对应的状态序列。

比如掷骰子，结合隐马尔可夫模型参数表举例说明：

参数	参数含义	例子中的值
			N	隐含状态的个数	共2个骰子A、B
M	可能的观测值的数目	每个骰子有6个不同的面
			A	隐含状态转移概率矩阵	下一次使用骰子A或B的概率
B	观察值概率分布	骰子A、B每个面出现的概率
			π	隐含状态的初始化向量	选择第一次投掷使用骰子A还是B

有两个骰子，骰子A是一个正常的六面骰子，每个面{1,2,3,4,5,6}出现的概率是1/6，第二个骰子由于人为作弊，骰子B重心偏离原因，骰子B的概率分布{0,0,1/4,1/4,3/8,1/8}分布。而在使用骰子的过程中，按照隐状态转移概率去选择，即若第一次使用骰子A，则第二次使用骰子A、B的概率分别是0.8、0.2；若第一次使用骰子B，则第二次使用骰子A、B的概率分别是0.2、0.8。

图14表示的是HMM模型过程

已知参数：

隐含数据状态集合：S＝{骰子A，骰子B}

观察值集合：V＝{1,2,3,4,5,6}

模型隐含状态初始向量：π＝(1,0)，即第一次投使用骰子A

隐状态转移概率：a1,1＝0.8，a1,2＝0.2，a2,1＝0.2，a2,2＝0.8

观察值生成概率：骰子A＝{1/6,1/6,1/6,1/6,1/6,1/6}，骰子B＝{0,0,1/4,1/4,3/8,1/8}

连续投掷n次后，经过记录统计可以得到状态和观察值时序数据，根据统计结果，就可以通过模型预测最可能出现的对应的状态序列。

(引用文献：赵炯.基于隐马尔可夫模型的时间序列预测研究[D].河南:河南大学,2017.)

基于深度学习的小波变换WT(wavelet transform)+长短期记忆网络LSTM(LongShort-Term Memory)：

小波变换是一种变换分析方法，主要用于分析瞬时时变信号如图15所示，它有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析。由于网络流量具有突发性的明显特征，故其时间序列呈现非线性。传统的线性方法很难准确地进行预测。针对此问题，用小波变换的方法将原始流量分解为一个近似序列和几个细节序列。在此基础上，通过长短时记忆网络来预测流量变化趋势，并以多尺度提取突发信息，以完成对未来流量的预测。

(引用文献：康梦轩,宋俊平,范鹏飞,高博文,周旭,李琢.基于深度学习的网络流量预测研究综述[J].计算机工程与应用,2021,57(10):1-9.)

长短期记忆网络是一种时间循环神经网络RNN(Recurrent Neural Network)，解决一般的RNN存在的长期依赖问题，也就是RNN很容易接受和处理最近的上下文信息。比如“天气预报说明天早上要下大雨，出门一定要记得带____。”像这样的短期信息，由于相关信息“下大雨”和要填的词之间的距离比较短，RNN就可以很容易地学会利用过去的信息，预测出来_____里面应该填“雨伞”。当相关的信息距离需要预测的位置比较远时，再用RNN来预测_____里面的词时就存在一定的困难，依靠最近的信息很难预测出下一个词是什么。LSTM的关键就是怎样控制长期状态。LSTM的思路是使用三个控制开关，如图16所示：第一个开关，负责控制继续保存长期状态C_t-1；第二个开关，负责控制把即时状态C’_t输入到当前长期状态C_t；第三个开关，负责控制是否把当前长期状态C_t作为当前的LSTM的输出h_t。因此LSTM适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟非常长的重要事件。

本发明的技术方案如下：

一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，该方法适用于无线网络系统，该无线网络系统包括若干网络控制器及其对应的终端节点；包括步骤如下：

(1)各网络控制器分别与其对应的终端节点通信，指定其中一个网络控制器兼作协调器，由协调器预测特定网络控制器帧间间隙的大小；

(2)采用共享PTA的方式将REQ、GNT分别并联在各网络控制器和协调器之间；

(3)将重要的数据帧信息编码在REQ请求线和GNT授权线上，用于协调器处理其它网络控制器与各自节点的通信，协调器根据预测出的帧间间隙，对来自各个网络控制器的REQ请求信号处理，通过GNT授权信号，决定是否允许各网络控制器通信。

优选的，步骤(1)中帧间间隙的预测采用隐马尔可夫模型HMM(Hidden MarkovModel)或基于深度学习的小波变换+长短期时记忆网络LSTM(Long Short-Term Memory)。

优选的，步骤(1)中兼做协调器的网络控制器的空闲时间满足处理来自其它控制器请求任务的时间需求，且通信具有周期性，终端节点的个数少于其它网络控制器的终端节点个数。如，当BLE与其它协议网络共存时，鉴于BLE网络通信具有周期性，且周期长达几十毫秒至几百毫秒，如果使用BLE控制器作为协调器，则协调器对于BLE帧间间隙是已知的，而且还明确知道下一个BLE事件到来的剩余时间，便于处理其它网络控制器的通信请求等任务。

优选的，步骤(1)中的特定网络控制器选用通信具有规律性、终端节点数量少于其它网络控制器、空中持续时间短于其它网络控制器的网络控制器。当共存网络中存在Wi-Fi、BLE时，由BLE控制器作协调器预测Wi-Fi帧间间隙的大小，充分利用Wi-Fi、BLE的帧间间隙，完成其它协议网络的通信。当共存网络中没有Wi-Fi、BLE时，可根据各自协议网络通信是否具有规律性、节点数量、空中持续时间等因素来确定，优选利用通信具有规律性、节点数量少、空中持续时间短的网络帧间间隙。

优选的，步骤(2)中各网络控制器的REQ所用IO口定义为双向，可读可写；连接至协调器端的REQ定义为单向，只读取；GNT信号定义为单向，由协调器输出至各网络控制器。通信前，先判断是否有其它网络控制器发起REQ，并获取其设备识别码、优先级、频率、空中持续时间信息，以决定是否发起REQ请求，由协调器做进一步处理。

优选的，步骤(3)中重要的数据帧信息包括设备识别码、优先级、频率和空中持续时间。

优选的，步骤(3)中REQ请求信号包括设备识别码、频率、空中持续时间和优先级；

设备识别码，用于区分REQ请求信号来源，分别执行对应的策略；

频率，即网络控制器工作的频率，用于判断是否与其它网络协议的工作频率存在冲突；

空中持续时间，即网络控制器要发送的数据包在空气介质中持续的时间，根据空中持续时间，可以推断该网络当前的通信进度，主要用于处理两个网络协议不同优先级数据的冲突处理，即若有发起低优先级REQ请求的控制器正在通信，后有高优先级数据的另一控制器要通信，两个控制器在同一频率工作，则后者根据前者的空中持续时间推算其通信进度，后者适时发起REQ请求。

优先级，即网络控制器本次数据包的重要程度，涉及服务质量、丢包率等因素，在信道冲突，有两个相同优先级先后要进行通信时，实行先入先出原则，即谁先请求，谁先通信；

若先有低优先级数据的网络控制器正在通信，后有高优先级数据的另一网络控制器要通信，当两者频率不冲突时，协调器可授权使其同时通信；当两者频率冲突时，高优先级数据的网络控制器根据低优先级数据网络控制器的数据空中持续时间，判断其是否已发送完第1包数据，若已发送完，则高优先级数据的网络控制器不再发起REQ请求，等待低优先级网络控制器完成本次通信后再发起通信；若未发送完，则发起高优先级REQ请求，同时低优先级数据的网络控制器读取到高优先级REQ请求，解除自身REQ请求，停止本次通信，让出信道给高优先级数据的网络控制器通信。

GNT信号包括授权信号、中断信号和中断解除信号；

授权信号，当有网络控制器发起REQ请求信号时，协调器发起GNT授权信号，用于通知网络控制器开始通信，若不发起GNT授权信号，则表示不允许通信；

中断信号，将前导码、频率、结束字编码在GNT信号线上，其中前导码占1个字节，用于同步信号帧；频率，占2个字节，即协调器有高优先级数据需要通信时，指出协调器的工作频率，用于通知频率冲突的其它网络控制器暂停通信；结束字，占1个字节，无实际意义。

中断解除信号，用于通知频率冲突的其它网络控制器，协调器已完成高优先级通信，其它网络控制器可恢复正常通信。

其中，GNT的中断信号和中断解除信号根据不同的情形来选择，具体来说，当共存网络中有BLE等具备跳频功能，跳频序列不易知的协议网络控制器时，不需要中断信号和中断解除信号，因为其工作频率是否与其它网络控制器冲突是不确定的，当共存网络中没有这样的网络控制器时，则需要中断信号和中断解除信号。

进一步优选的，授权信号采用持续时间为t1的高电平脉冲信号，t1设置为100-300μs，中断信号中含有频率，即协调器的射频频率，用于通知频率冲突的其它控制器暂停通信；中断解除信号，用于通知频率冲突的其它控制器，协调器已完成通信，其它控制器可恢复正常通信，中断解除信号采用持续时间为t2、周期T、占空比50％的PWM信号，t2设置为500-1000μs，不宜太短，以免其它控制器处理发射任务时，错过中断信号，周期T设置为20-100μs，其它网络控制器只要检测到连续3个以上的脉冲信号，即可确认为是中断信号，提高响应速度。

优选的，步骤(3)中低优先级和高优先级的判定方式如下：

①网络控制器首先根据服务质量判断数据类型是普通数据，还是重要数据，所述普通数据包括温湿度、电池电压，所述重要数据包括同步时间、心率和血压，如果是重要数据则置为高优先级；

②判断自身网络的丢包率，超过阈值将置为高优先级；

③判断自身网络连续被其它网络中断而推迟的次数，超过阈值同样置为高优先级，该次数在下次通信成功时清0；

若以上3个条件都不满足，则置为低优先级。

进一步优选的，丢包率阈值为0.5％～1％，可根据网络丢包率对系统影响的大小进行调整；推迟次数阈值为3，理论上，连续被高优先级数据中断的情况不多，所以该阈值不宜过大。

优选的，所述网络系统包括BLE网络、Wi-Fi网络和ZigBee网络。

优选的，协调器为BLE控制器时，协调器策略流程为：BLE协议具有自适应跳频技术AFH，虽然也可以获取跳频图谱，用于判断是否与其它控制器存在频率冲突，但跳频速率很快，达到1600次/s，获取跳频图谱会导致系统复杂很多，因此在BLE网络正在通信或将要通信时，优先完成BLE网络通信；

假设所要预测的是控制器i的网络帧间间隙，当协调器预测到控制器i的帧间间隙足够时，如帧间间隙超过10ms，协调器反复检测是否有REQ请求，以及自身网络是否需要通信；

若没有REQ请求，则协调器根据自身网络情况进行通信；

若检测到REQ请求，则判断BLE控制器是否在通信，以及BLE剩余帧间间隙是否足够，如果BLE控制器没有在通信，且BLE控制器剩余帧间间隙足够用于该REQ请求的控制器完成本次通信，则协调器发起GNT授权信号，否则需等待BLE控制器完成通信后，再执行GNT授权；

当协调器预测到控制器i的帧间间隙太小时，如帧间间隙小于5ms，可能不足以允许其它控制器完成本次通信，协调器在空闲时间反复检测是否有REQ请求，此时BLE控制器也暂停通信或者发送空包以维持连接，等待下一个控制器i的帧间间隙。若检测到REQ请求，当请求来自控制器i，或来自其它控制器但工作频率与控制器i不冲突，则协调器发起GNT授权信号允许通信，否则禁止授权；

协调器为非BLE等具备跳频功能的其它网络控制器时，协调器策略流程为：假设所要预测的是控制器i的网络帧间间隙，如果预测帧间间隙足够，协调器在空闲时检测是否有REQ请求，当有REQ请求时，判断协调器是否在通信，并进一步判断两者频率是否冲突。

若协调器在通信且频率冲突，判断优先级，当协调器优先级较高，或者协调器已经发完第1包数据，亦或是协调器虽然未发完第1包数据，但是其空中持续时间小于阈值t，则优先完成协调器通信，然后再对REQ请求授权，其中阈值t设置为500μs，可根据实际情况设置；否则协调器停止本次通信，并记录推迟次数+1，标记为通信中断，用于数据优先级判断条件，并等待重新通信。

若协调器没有在通信，或者在通信但是REQ请求频率与协调器不冲突，则协调器可立即进行GNT授权。

反之，如果预测的帧间间隙不足，协调器工作频率与控制器i不冲突时，协调器可以进行通信；否则等待下一个足够的预测帧间间隙。协调器在空闲时仍然检测是否有REQ请求，当有REQ请求时，判断请求来自哪个控制器。若请求来自控制器i，由于协调器处理策略，不会有其它控制器通信，即使有，也不会存在频率冲突，所以可直接授权其通信；若请求来自其它控制器，则进一步判断是否与控制器i频率冲突，冲突时禁止授权其通信，否则仍需判断协调器的状态，即协调器是否在通信，请求频率是否与协调器冲突，以及优先级状态信息，其具体过程与预测帧间间隙足够时相同。

本发明的有益效果在于：

本发明能够实现同频段多协议无线通信技术共存，通过充分利用其它网络协议的帧间间隙，结合高低优先级数据仲裁方式，有效避免异构网络信号干扰、频率冲突，提高信道利用率、吞吐量。

在异构网络共存环境下，协调器能读取是否有异构网络控制器要占用信道发射数据，通过优化的2线制PTA技术和优先级条件决策何时授权、何种网络优先发送以及何时发送，有效避免异构网络间的信号干扰。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统拓扑图。

图2是本发明实施例1定义的REQ、GNT信号格式。

图3是本发明对数据优先级控制策略流程图。

图4是本发明实施例1协调器策略流程图。

图5是本发明所述控制器发起REQ请求的流程图。

图6是本发明所述控制器被另一控制器高优先级REQ请求中断的流程图。

图7是本发明所述控制器被另一控制器高优先级REQ请求中断的时序图。

图8是本发明所述ZigBee网络环境变化检测流程图。

图9是本发明实施例2的系统拓扑图。

图10是本发明实施例2定义的REQ、GNT信号格式。

图11是本发明实施例2协调器策略流程图。

图12是本发明实施例2控制器处理中断的流程图。

图13是本发明实施例2所述控制器协调器中断的时序图。

图14为HMM模型过程图。

图15为瞬时时变信号图。

图16为LSTM的思路图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-8所示，本实施例提供一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，BLE控制器、Wi-Fi控制器和ZigBee控制器共存，步骤如下：

(1)BLE控制器、Wi-Fi控制器和ZigBee控制器分别与BLE节点、Wi-Fi节点和ZigBee节点通信，指定BLE控制器兼作协调器，由协调器预测Wi-Fi控制器帧间间隙的大小；

所述BLE控制器，一方面完成BLE网络内与BLE节点的数据通信，另一方面作为系统的协调器，读取REQ请求信息，经过一定的策略，发出GNT授权信号，避免不同网络出现信道冲突，造成信号干扰。

所述ZigBee控制器，完成ZigBee网络内与ZigBee节点的数据通信，通过发起REQ请求信号，判断GNT信号是否通信。

所述Wi-Fi控制器，完成Wi-Fi网络内与Wi-Fi节点的数据通信，通过发起REQ请求信号，判断GNT信号决定是否通信。

所述BLE控制器、Wi-Fi控制器和ZigBee控制器内的处理单元，用于处理数据、执行特定策略。

所述BLE控制器、Wi-Fi控制器和ZigBee控制器内的收发器和天线，用于将处理单元的数据调制解调，并在空气介质中完成数据的收发。

所述BLE节点、Wi-Fi节点和ZigBee节点，用于采集网络内所需的数据，并与各自的控制器通信，完成数据交互。

(2)Wi-Fi控制器和ZigBee控制器的REQ请求线并联至协调器，BLE控制器、Wi-Fi控制器和ZigBee控制器均可获取REQ请求线上的信息，但只有Wi-Fi控制器和ZigBee控制器才能发起REQ请求，BLE控制器需要通信时，无需发起REQ请求；

Wi-Fi控制器和ZigBee控制器的GNT授权线并联至协调器，GNT授权线是单向的，即GNT信号由协调器发出，分别至Wi-Fi控制器、ZigBee控制器，当协调器允许通信时，发起GNT授权信号，Wi-Fi控制器或ZigBee控制器读取到信号开始通信。

(3)将重要的数据帧信息编码在REQ请求线和GNT授权线上，用于协调器处理其它网络控制器与各自节点的通信，协调器根据预测出的帧间间隙，对来自各个网络控制器的REQ请求信号处理，通过GNT授权信号，决定是否允许各网络控制器通信。

协调器具体策略流程为：BLE协议具有自适应跳频技术AFH，虽然也可以获取跳频图谱，用于判断是否与其它控制器存在频率冲突，但跳频速率很快，达到1600次/s，获取跳频图谱会导致系统复杂很多，因此本实施例在BLE网络正在通信或将要通信时，优先完成BLE网络通信；

当协调器预测到Wi-Fi帧间间隙足够时，如帧间间隙超过10ms，协调器反复检测是否有REQ请求，以及自身BLE网络是否需要通信；

若没有REQ请求，则BLE控制器根据自身BLE网络情况进行通信；

若检测到REQ请求，则判断BLE控制器是否在通信，以及BLE剩余帧间间隙是否足够，如果BLE控制器没有在通信，且BLE剩余帧间间隙足够用于该REQ请求的控制器完成本次通信，则协调器发起GNT授权信号，否则需等待BLE控制器完成通信后，再执行GNT授权；

当协调器预测到Wi-Fi帧间间隙太小时，如帧间间隙小于5ms，可能不足以允许其它控制器完成本次通信，协调器在空闲时间反复检测是否有REQ请求，此时BLE控制器也暂停通信或者发送空包以维持连接，等待下一个Wi-Fi帧间间隙。若检测到REQ请求，当请求来自Wi-Fi控制器或来自ZigBee控制器，但工作频率与Wi-Fi控制器不冲突，则协调器发起GNT授权信号允许通信，否则禁止授权，策略流程图如图4所示。

Wi-Fi控制器、ZigBee控制器发起REQ请求的流程为：以ZigBee控制器为例说明，当ZigBee控制器想要通信时，先检查当前是否有Wi-Fi控制器发起了REQ请求，如果有，则判断两者频率是否冲突，当频率不冲突时直接发起REQ请求，等待协调器处理；

当频率冲突时，判断优先级，当ZigBee控制器的数据优先级较高时，可以发起REQ请求，但需满足以下条件：Wi-Fi控制器的REQ请求尚未被协调器授权，或者虽然已被授权，但是其空中持续时间大于阈值t且未发完第1包数据，如果Wi-Fi控制器的收发器已发完第1包数据，此时Wi-Fi节点已成功解析Wi-Fi控制器数据包，并正在回传数据，而Wi-Fi节点是不受协调器控制的，所以ZigBee控制器应等待Wi-Fi控制器完成通信后再发起REQ请求。

当ZigBee控制器的数据优先级低时，则需要等待Wi-Fi控制器通信完成后，再发起REQ，如果检查当前没有其它控制器发起REQ请求，ZigBee控制器可直接发起REQ请求,Wi-Fi控制器、ZigBee控制器发起REQ请求的流程图如图5所示。

Wi-Fi控制器、ZigBee控制器处理中断的流程为：中断是指其中一个控制器已发起REQ请求，在该控制器的收发器发完第1包数据之前，又有另一控制器发起REQ请求而产生中断，但这里所说的中断并不一定会停止前者的通信，下面进行详细解释：

以ZigBee控制器为例，若ZigBee控制器发起高优先级REQ请求，根据控制器发起REQ请求的流程，此时不会有频率冲突的其它控制器发起REQ请求，只需等待协调器发起GNT授权信号即可。若协调器授权，ZigBee控制器完成通信后，解除REQ请求。

若ZigBee控制器发起的是低优先级REQ请求，需要不断检测协调器是否发起GNT授权信号、是否有Wi-Fi控制器的高优先级REQ请求，根据控制器发起REQ请求的流程，不必判断低优先级REQ请求，即使有，也不会存在频率冲突现象。当检测到协调器发起了GNT授权时，ZigBee控制器开始发送第1包数据进行通信，在ZigBee控制器的收发器发完第1包数据之前，也检测是否有Wi-Fi控制器的高优先级REQ请求。

如果ZigBee控制器的REQ请求尚未被协调器授权，或者在ZigBee控制器的收发器发完第1包数据之前，有Wi-Fi控制器的高优先级REQ请求插入时，则ZigBee控制器判断与Wi-Fi控制器工作频率是否冲突。若不冲突，则ZigBee控制器继续通信；若频率冲突，则ZigBee控制器立即通知收发器停止发送，并解除REQ请求，标记为通信中断，同时计数器推迟次数+1，并打开计时器，如计时5ms。当检测到Wi-Fi控制器解除REQ请求，说明Wi-Fi完成通信，或计时时间到，关闭计时器，并重新发起REQ请求，中断流程图如图6所示。

下面结合图7以时序角度继续说明，图7是本实施例所述控制器被另一控制器REQ请求中断的时序图，其中ZigBee控制器TX表示ZigBee控制器的收发器向空气介质发射射频信号，类似的，Wi-Fi控制器TX、RX分别表示Wi-Fi控制器中收发器的发射和接收。

在该时序图中，ZigBee控制器在t1时刻发起了低优先级的REQ请求，请求的频率假设为1，协调器收到REQ请求后，在t2时刻发起GNT授权信号，ZigBee控制器检测到授权后，控制收发器在t3时刻开始发送第1包数据。而在ZigBee控制器的收发器发射期间，Wi-Fi控制器在t4时刻发起了高优先级的REQ请求，请求的频率也是1。ZigBee控制器收到该REQ请求后，解析出对方优先级较高且与自己工作频率冲突，则在t5时刻立即控制收发器停止发送，并发起REQ解除信号。紧接着在t6时刻，Wi-Fi控制器检测到有REQ解除信号后，无需协调器发起GNT授权信号即可开始发送数据。并在t7、t8时刻分别接收到Wi-Fi节点传回的数据、回复ACK确认包，之后在t9时刻，Wi-Fi控制器发起REQ解除信号。ZigBee控制器在t10时刻检测到REQ解除信号后，可重新发起REQ请求信号，等待协调器发起GNT授权信号。

原本ZigBee控制器的这包数据空中时间可从t3持续到tn时刻，由于频率冲突、高优先级REQ请求的插入，在t5时刻停止而只发送了一部分。ZigBee节点没有收到完整的数据包，而不会使用该频率向空气介质发送数据，因而不会对Wi-Fi控制器的通信造成干扰。

步骤(1)中帧间间隙的预测采用隐马尔可夫模型HMM(Hidden Markov Model)或基于深度学习的小波变换+长短期时记忆网络LSTM(Long Short-Term Memory)。

步骤(2)中重要的数据帧信息包括设备识别码、优先级、频率和空中持续时间。

步骤(2)中各网络控制器的REQ所用IO口定义为双向，可读可写；连接至协调器端的REQ定义为单向，只读取；GNT信号定义为单向，由协调器输出至各网络控制器。通信前，先判断是否有其它网络控制器发起REQ，并获取其设备识别码、优先级、频率、空中持续时间信息，以决定是否发起REQ请求，由协调器做进一步处理。

步骤(3)中REQ请求信号包括设备识别码、频率、空中持续时间和优先级，REQ信号总长度为8个字节(byte)，在REQ信号中，前导码和结束字作为REQ请求帧的开始和结束标志，长度各1个字节，分别定义为1010、0101；校验位用于判断接收到的REQ请求帧有效数据的正确性，确保传输无误，长度1个字节；

设备识别码，用于区分REQ请求信号来源，分别执行对应的策略，长度为4位(bit)，用于区分REQ请求信号来自ZigBee控制器还是Wi-Fi控制器，分别定义为1100、0011；

频率，即各网络控制器工作的频率，用于判断是否与其它网络协议的工作频率存在冲突，频率长度为2个字节，单位为MHz，指明控制器所用信道的中心频率，用于其它控制器判断是否与其存在频率冲突，如BLE网络信道的中心频率为2416MHz，换算至十六进制为0x0970，则将0x0970编码进去，Wi-Fi控制器、ZigBee控制器能够互相知道对方工作的频率，再经协调器控制，若频率不冲突，可被允许同时发射接收，提高通信效率；

空中持续时间，即网络控制器要发送的数据包在空气介质中持续的时间，根据空中持续时间，可以推断该网络当前的通信进度，主要用于处理两个网络协议不同优先级数据的冲突处理，即若有发起低优先级REQ请求的控制器正在通信，后有高优先级数据的另一控制器要通信，两个控制器在同一频率工作，则后者根据前者的空中持续时间推算其通信进度，后者适时发起REQ请求。

空中持续时间长度为2个字节，单位为μs，指明数据帧在空气介质中的持续时间，用于其它网络判断其通信进度，空中持续时间的计算方法为，已知本次数据帧的帧长L和空中速率v，则本次数据帧的空中持续时间t为：

举例说明，如BLE本次数据帧长度为50bytes，空中速率为1Mbit/s，则其空中持续时间为50×8÷1＝400μs。

若BLE网络的一包数据空中时长为500μs，换算至十六进制为0x01F4，则将0x01F4编码进去。空中时长主要用于处理两个控制器在频率相同、数据优先级不同时的冲突处理，即在两个频率冲突时，若有控制器发起低优先级REQ并正在通信，后又有另一控制器发起高优先级REQ，则根据低优先级控制器的空中持续时间推算通信进度，后者适时发起REQ请求。

REQ解除帧，用于表明发起REQ请求的控制器已完成通信，以一个持续一定时间的高电平脉冲表示，持续时间可设置为10μs。

即网络控制器本次数据包的重要程度，涉及服务质量、丢包率等因素，在信道冲突，有两个相同优先级先后要进行通信时，实行先入先出原则，即谁先请求，谁先通信，优先级长度为4位(bit)，用于指明数据帧的数据重要度，定义高优先级为1111，低优先级为0000；

若先有低优先级数据的网络控制器正在通信，后有高优先级数据的另一网络控制器要通信，当两者频率不冲突时，协调器可授权使其同时通信；当两者频率冲突时，高优先级数据的网络控制器根据低优先级数据网络控制器的数据空中持续时间，判断其是否已发送完第1包数据，若已发送完，则高优先级数据的网络控制器不再发起REQ请求，等待低优先级网络控制器完成本次通信后再发起通信；若未发送完，则发起高优先级REQ请求，同时低优先级数据的网络控制器读取到高优先级REQ请求，解除自身REQ请求，停止本次通信，让出信道给高优先级数据的网络控制器通信。

在本实施例中，使用BLE控制器作为协调器，BLE控制器具备跳频功能，不易于判断是否与其它控制器存在频率冲突，因此GNT信号仅包括授权信号；

授权信号，当有网络控制器发起REQ请求信号时，协调器发起GNT授权信号，用于通知网络控制器开始通信，若不发起GNT授权信号，则表示不允许通信；

其中，GNT的中断信号和中断解除信号根据不同的情形来选择，具体来说，当共存网络中有BLE等跳频序列不可知的协议网络控制器时，不需要中断信号和中断解除信号，因为其工作频率是否与其它网络控制器冲突是不确定的，当共存网络中没有这样的网络控制器时，则需要中断信号和中断解除信号。

授权信号采用持续时间为t1的高电平脉冲信号，t1设置为200μs。

步骤(3)中低优先级和高优先级的判定方式如下：

①网络控制器首先根据服务质量判断数据类型是普通数据，还是重要数据，所述普通数据包括温湿度、电池电压，所述重要数据包括同步时间、心率和血压，如果是重要数据则置为高优先级；

②判断自身网络的丢包率，超过阈值将置为高优先级；

③判断自身网络连续被其它网络中断而推迟的次数，超过阈值同样置为高优先级，该次数在下次通信成功时清0；

若以上3个条件都不满足，则置为低优先级。

丢包率阈值为0.5％～1％，可根据网络丢包率对系统影响的大小进行调整；推迟次数阈值为3，理论上，连续被高优先级数据中断的情况不多，所以该阈值不宜过大。

当网络环境发生变化，如手机、智能穿戴设备进入系统网络射频范围内，增加了系统通信干扰，由ZigBee控制器在其16个信道内重新扫描信道RSSI来判断质量，从而形成一个新的信道序列，并根据新的信道序列动态调整ZigBee网络的工作信道，使其工作在较安静的信道上。

具体流程如图8所示，若ZigBee控制器检测到丢包率没有持续较高，比如忽高忽低，说明使用优先级策略可能起到缓解作用，但还不足以说明网络环境变差。进一步判断最近一段时间内丢包率是否有明显增加，如果没有明显增加，则可以继续在该信道上工作。如果丢包率有明显增加，则可以断定为网络环境发生变化，需要切换信道。

若ZigBee控制器检测到丢包率持续较高，说明即使置为高优先级通信也没有明显效果，可能网络环境发生变化。但是如果一直将ZigBee网络数据置为高优先级，会造成其它两个网络数据发生阻塞。因此ZigBee控制器扫描所有信道的RSSI，根据RSSI值的大小，将16个信道质量从高到低排序。ZigBee控制器可以将新的信道序列通知给其网络内的其它节点，并约定在下一次通信前，集体跳转到新的信道上。

实施例2：

如图9-13所示，本实施例提供一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，控制器1、控制器2、····、控制器N-1、控制器N共存，控制器中无BLE控制器，BLE控制器存在固定的通信周期、自适应跳频AFH技术，不具备普适性；

本实施例与实施例1区别在于，协调器的工作频率是固定的，易于判断与其它控制器之间是否存在频率冲突，因此GNT信号除授权信号外，增加中断信号和中断解除信号；

中断信号，将前导码、频率、结束字编码在GNT信号线上，其中前导码占1个字节，用于同步信号帧；频率，占2个字节，即协调器有高优先级数据需要通信时，指出协调器的工作频率，用于通知频率冲突的网络控制器暂停通信；结束字，占1个字节，无实际意义。

中断解除信号，用于通知频率冲突的其它网络控制器，协调器已完成高优先级通信，其它网络控制器可恢复正常通信。

中断信号中含有频率，即协调器的射频频率，用于通知频率冲突的控制器暂停通信；中断解除信号，用于通知频率冲突的其它控制器，协调器已完成通信，其它控制器可恢复正常通信，中断解除信号采用持续时间为t2、周期T、占空比50％的PWM信号，t2设置为500-1000μs，不宜太短，以免其它控制器处理发射任务时，错过中断信号，周期T设置为20-100μs，其它网络控制器只要检测到连续3个以上的脉冲信号，即可确认为是中断信号，提高响应速度。

协调器策略流程如图11所示：假设所要预测的是控制器i的网络帧间间隙，如果预测帧间间隙足够，协调器在空闲时检测是否有REQ请求，当有REQ请求时，判断协调器是否在通信，并进一步判断两者频率是否冲突。

若协调器在通信且频率冲突，判断优先级，当协调器优先级较高，或者协调器已经发完第1包数据，亦或是协调器虽然未发完第1包数据，但是其空中持续时间小于阈值t，则优先完成协调器通信，然后再对REQ请求授权，其中阈值t设置为500μs，可根据实际情况设置；否则协调器停止本次通信，并记录推迟次数+1，标记为通信中断，用于数据优先级判断条件，并等待重新通信。

若协调器没有在通信，或者在通信但是REQ请求频率与协调器不冲突，则协调器可立即进行GNT授权。

反之，如果预测的帧间间隙不足，协调器工作频率与控制器i不冲突时，协调器可以进行通信；否则等待下一个足够的预测帧间间隙。协调器在空闲时仍然检测是否有REQ请求，当有REQ请求时，判断请求来自哪个控制器。若请求来自控制器i，协调器可直接授权其通信；若请求来自其它控制器，则进一步判断是否与控制器i频率冲突，冲突时禁止授权其通信，否则仍需判断协调器的状态。即协调器是否在通信，请求频率是否与协调器冲突，以及优先级等状态信息，其具体过程与预测帧间间隙足够时相同。

控制器处理中断的流程如图12所示，与实施例1区别为，在判断是否有高优先级REQ的中断后，增加了协调器的中断判断，在实施例1中，由于协调器是BLE，使用自适应跳频AFH，其工作信道是跳变的，也不便于读取，所以协调器与控制器之间没有相互中断的操作。在实施例2中，协调器是一种没有跳变信道的网络控制器，或者说，协调器运行时不会频繁地切换信道，因此可以与其它控制器相互中断。控制器被协调器中断后的操作与实施例1完全相同。

控制器中断的时序图如图13所示，结合该时序图解释协调器中断控制器的过程，与实施例1类似，当控制器1有低优先级数据需要通信时，发起REQ请求，请求频率假设为频率1。在t2时刻，协调器发起了GNT授权信号，控制器1开始发送第1包数据。在t4时刻，协调器有高优先级数据要通信，所在频率也是频率1。由于控制器1在通信，且还没有发射完第1包，则协调器发起GNT中断信号，中断信号中含中断频率信息。在t5时刻控制器1检测到中断信号后，发起了REQ解除信号，停止通信。此时，频率1信道已空闲，所以协调器开始通信，并完成接收数据。在协调器回复完ACK确认包后，发起GNT中断解除信号，该信号是持续足够时间、占空比50％的PWM信号，其它控制器检测到连续的3个及以上脉冲即认为协调器已解除中断，所以控制器1可以在t10时刻提前再次发起REQ请求。

Claims (6)

1.一种同频段多协议无线通信技术共存的方法，该方法适用于无线网络系统，该无线网络系统包括若干网络控制器及其对应的终端节点；其特征在于，包括步骤如下：

（1）各网络控制器分别与其对应的终端节点通信，指定其中一个网络控制器兼作协调器，由协调器预测特定网络控制器帧间间隙的大小；

（2）采用共享PTA的方式将REQ、GNT分别并联在各网络控制器和协调器之间；

（3）将重要的数据帧信息编码在REQ请求线和GNT授权线上，用于协调器处理其它网络控制器与各自节点的通信，协调器根据预测出的帧间间隙，对来自各个网络控制器的REQ请求信号处理，通过GNT授权信号，决定是否允许各网络控制器通信；

步骤（1）中帧间间隙的预测采用隐马尔可夫模型HMM（Hidden Markov Model）或基于深度学习的小波变换+长短期时记忆网络LSTM（Long Short-Term Memory）；

步骤（3）中重要的数据帧信息包括设备识别码、优先级、频率和空中持续时间；

步骤（3）中REQ请求信号包括设备识别码、频率、空中持续时间和优先级；

设备识别码，用于区分REQ请求信号来源，分别执行对应的策略；

频率，即网络控制器工作的频率，用于判断是否与其它网络协议的工作频率存在冲突；

空中持续时间，即网络控制器要发送的数据包在空气介质中持续的时间，根据空中持续时间，可以推断该网络当前的通信进度，主要用于处理两个网络协议不同优先级数据的冲突处理，即若有发起低优先级REQ请求的控制器正在通信，后有高优先级数据的另一控制器要通信，两个控制器在同一频率工作，则后者根据前者的空中持续时间推算其通信进度，后者适时发起REQ请求；

优先级，即网络控制器本次数据包的重要程度，在信道冲突，有两个相同优先级先后要进行通信时，实行先入先出原则，即谁先请求，谁先通信；

若先有低优先级数据的网络控制器正在通信，后有高优先级数据的另一网络控制器要通信，当两者频率不冲突时，协调器授权使其同时通信；当两者频率冲突时，高优先级数据的网络控制器根据低优先级数据网络控制器的数据空中持续时间，判断其是否已发送完第1包数据，若已发送完，则高优先级数据的网络控制器不再发起REQ请求，等待低优先级网络控制器完成本次通信后再发起通信；若未发送完，则发起高优先级REQ请求，同时低优先级数据的网络控制器读取到高优先级REQ请求，解除自身REQ请求，停止本次通信，让出信道给高优先级数据的网络控制器通信；

GNT信号包括授权信号、中断信号和中断解除信号；

授权信号，当有网络控制器发起REQ请求信号时，协调器发起GNT授权信号，用于通知网络控制器开始通信，若不发起GNT授权信号，则表示不允许通信；

中断信号，将前导码、频率、结束字编码在GNT信号线上，其中前导码占1个字节，用于同步信号帧；频率，占2个字节，即协调器有高优先级数据需要通信时，指出协调器的工作频率，用于通知频率冲突的其它网络控制器暂停通信；结束字，占1个字节，无实际意义；

中断解除信号，用于通知频率冲突的其它网络控制器，协调器已完成高优先级通信，其它网络控制器可恢复正常通信；

其中，GNT的中断信号和中断解除信号根据不同的情形来选择，具体来说，当共存网络中有BLE具备跳频功能，跳频序列不易知的协议网络控制器时，不需要中断信号和中断解除信号，当共存网络中没有这样的网络控制器时，则需要中断信号和中断解除信号；

步骤（2）中各网络控制器的REQ所用IO口定义为双向，可读可写；连接至协调器端的REQ定义为单向，只读取； GNT信号定义为单向，由协调器输出至各网络控制器；

授权信号采用持续时间为t1的高电平脉冲信号，t1设置为100-300μs，中断信号中含有频率，即协调器的射频频率，用于通知频率冲突的其它控制器暂停通信；中断解除信号，用于通知频率冲突的其它控制器，协调器已完成通信，其它控制器可恢复正常通信，中断解除信号采用持续时间为t2、周期T、占空比50%的PWM信号，t2设置为500-1000μs，不宜太短，以免其它控制器处理发射任务时，错过中断信号，周期T设置为20-100μs，其它网络控制器只要检测到连续3个以上的脉冲信号，即可确认为是中断信号，提高响应速度；

步骤（3）中低优先级和高优先级的判定方式如下：

①网络控制器首先根据服务质量判断数据类型是普通数据，还是重要数据，所述普通数据包括温湿度、电池电压，所述重要数据包括同步时间、心率和血压，如果是重要数据则置为高优先级；

②判断自身网络的丢包率，超过阈值将置为高优先级；

③判断自身网络连续被其它网络中断而推迟的次数，超过阈值同样置为高优先级，该次数在下次通信成功时清0；

若以上3个条件都不满足，则置为低优先级。

2.如权利要求1所述的同频段多协议无线通信技术共存的方法，其特征在于，步骤（1）中兼做协调器的网络控制器的空闲时间满足处理来自其它控制器请求任务的时间需求，且通信具有周期性，终端节点的个数少于其它网络控制器的终端节点个数。

3.如权利要求2所述的同频段多协议无线通信技术共存的方法，其特征在于，步骤（1）中的特定网络控制器选用通信具有规律性、终端节点数量少于其它网络控制器、空中持续时间短于其它网络控制器的网络控制器。

4.如权利要求3所述的同频段多协议无线通信技术共存的方法，其特征在于，丢包率阈值为0.5% ~ 1%，推迟次数阈值为3。

5.如权利要求4所述的同频段多协议无线通信技术共存的方法，其特征在于，所述网络系统包括BLE网络、Wi-Fi网络和ZigBee网络。

6.如权利要求5所述的同频段多协议无线通信技术共存的方法，其特征在于，协调器为BLE控制器时，协调器策略流程为：BLE协议具有自适应跳频技术AFH，虽然也可以获取跳频图谱，用于判断是否与其它控制器存在频率冲突，但跳频速率很快，达到1600次/s，获取跳频图谱会导致系统复杂很多，因此在BLE网络正在通信或将要通信时，优先完成BLE网络通信；

假设所要预测的是控制器i的网络帧间间隙，当协调器预测到控制器i的帧间间隙足够时，协调器反复检测是否有REQ请求，以及自身网络是否需要通信；

若没有REQ请求，则协调器根据自身网络情况进行通信；

若检测到REQ请求，则判断BLE控制器是否在通信，以及BLE剩余帧间间隙是否足够，如果BLE控制器没有在通信，且BLE控制器剩余帧间间隙足够用于该REQ请求的控制器完成本次通信，则协调器发起GNT授权信号，否则需等待BLE控制器完成通信后，再执行GNT授权；

当协调器预测到控制器i的帧间间隙太小时，可能不足以允许其它控制器完成本次通信，协调器在空闲时间反复检测是否有REQ请求，此时BLE控制器也暂停通信或者发送空包以维持连接，等待下一个控制器i的帧间间隙，若检测到REQ请求，当请求来自控制器i，或来自其它控制器但工作频率与控制器i不冲突，则协调器发起GNT授权信号允许通信，否则禁止授权；

协调器为非BLE具备跳频功能的其它网络控制器时，协调器策略流程为：假设所要预测的是控制器i的网络帧间间隙，如果预测帧间间隙足够，协调器在空闲时检测是否有REQ请求，当有REQ请求时，判断协调器是否在通信，并进一步判断两者频率是否冲突；

若协调器在通信且频率冲突，判断优先级，当协调器优先级较高，或者协调器已经发完第1包数据，亦或是协调器虽然未发完第1包数据，但是其空中持续时间小于阈值t，则优先完成协调器通信，然后再对REQ请求授权，其中阈值t设置为500μs，可根据实际情况设置；否则协调器停止本次通信，并记录推迟次数+1，标记为通信中断，用于数据优先级判断条件，并等待重新通信；

若协调器没有在通信，或者在通信但是REQ请求频率与协调器不冲突，则协调器可立即进行GNT授权；

反之，如果预测的帧间间隙不足，协调器工作频率与控制器i不冲突时，协调器可以进行通信；否则等待下一个足够的预测帧间间隙，协调器在空闲时仍然检测是否有REQ请求，当有REQ请求时，判断请求来自哪个控制器，若请求来自控制器i，由于协调器处理策略，不会有其它控制器通信，即使有，也不会存在频率冲突，所以可直接授权其通信；若请求来自其它控制器，则进一步判断是否与控制器i频率冲突，冲突时禁止授权其通信，否则仍需判断协调器的状态，即协调器是否在通信，请求频率是否与协调器冲突，以及优先级状态信息，其具体过程与预测帧间间隙足够时相同。

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