CN113747379A - 一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法 - Google Patents

一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引；基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息；判断是否生成第二上行接入短消息，并获取下行发送需求；基于所述下行发送需求向所述终端发送下行接入短消息，并通过所述上行时隙索引向所述基站发送所述ACK反馈信息，克服了多终端数据传输冲突的问题。

Description

一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法。
背景技术
物联网希望通过通信技术将人与物，物与物进行连接。在智能家居、工业数据采集等局域网通信场景一般采用短距离通信技术，但对于广范围、远距离的连接则需要远距离通信技术。LPWAN(低功耗广域网)技术正是为满足物联网需求应运而生的远距离无线通信技术。
广域物联网的核心是大覆盖、低功耗、大量的连接、低成本。现有广域无线物联网通信技术中，对于终端的数据传输，如果是非同步技术，例如LoRa、SigFox等通信协议，随机接入时存在大量的冲突，退避重传导致传输效率低，以降低性能为代价，部分程度上达到了低成本、低功耗的目的，如果是同步技术，例如NB-IoT等通信协议，则存在同步流程复杂，终端接入比较随机且不可控，有效负载比较小，基站传输接收数据量不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，克服了多终端数据传输冲突的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，包括以下步骤：
对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引；
基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息；
判断是否生成第二上行接入短消息，并获取下行发送需求；
基于所述下行发送需求向所述终端发送下行接入短消息，并通过所述上行时隙索引向所述基站发送所述ACK反馈信息。
对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引，包括：
将与基站连接的所有终端与所述基站建立同步，并获取所述终端的同步帧结构，其中，所述同步帧结构包括一个同步时隙、多个下行时隙、多个上行时隙和一个间隔时隙；
基于所述终端的用户ID，计算出所述同步帧对应的上行时隙索引和下行时隙索引。
基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息，包括：
获取同步后的所述终端产生的第一上行接入短消息，并通过所述上行时隙索引将所述第一上行接入短消息发送至所述基站；
利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息。
利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息，包括：
利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并对所述第一上行接入短消息中的扰码进行盲检；
利用所述扰码进行加扰生成ACK反馈信息，并通过所述下行时隙索引向所述终端发送所述ACK反馈信息。
基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息之后，所述方法还包括：
利用所述扰码对下一帧的所述上行时隙索引处的所述第二上行接入短消息或者所述ACK反馈信息进行解码。
本发明的一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引；基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息；判断是否生成第二上行接入短消息，并获取下行发送需求；基于所述下行发送需求向所述终端发送下行接入短消息，并通过所述上行时隙索引向所述基站发送所述ACK反馈信息，克服了多终端数据传输冲突的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的一种同步帧结构示意图。
图3是本发明提供的另一种同步帧结构示意图。
图4是本发明提供的短消息传输流程图。
图5是本发明提供的异步系统非确认模式。
图6是本发明提供的异步系统确认模式。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，包括以下步骤：
S101、对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引。
具体的，将与基站连接的所有终端与所述基站建立同步，并获取所述终端的同步帧结构，其中，同步是根据同步时隙中的特征序列的对齐来建立，所述特征序列是所有终端都知晓的系统配置，用于终端检测同步时隙的基准，终端基于此能够对齐基站的帧结构，意味着同步成功。所述同步帧结构包括一个同步时隙、多个下行时隙、多个上行时隙和一个间隔时隙，基于所述终端的用户ID，计算出所述同步帧对应的上行时隙索引和下行时隙索引；上下行时隙的数量为系统配置，并不唯一，终端在一帧中各有一个上行时隙索引和一个下行时隙索引，该固定时隙与其终端ID存在对应关系，其中，计算索引的原理为：采用类似取模或者序列转换等数学运算，将用户ID转换成一个N个比特长度的数值(scrambled ID)，再取其中某些bit位，作为位置索引，分别代表上行发送的子帧位置、下行反馈的子帧位置和控制信道位置。
S102、基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息。
具体的，获取同步后的所述终端产生的第一上行接入短消息，并通过所述上行时隙索引将所述第一上行接入短消息发送至所述基站；利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并对所述第一上行接入短消息中的扰码进行盲检；利用所述扰码进行加扰生成ACK反馈信息，并通过所述下行时隙索引向所述终端发送所述ACK反馈信息；其中，短消息分为接入短消息，上行接入短消息，下行接入短消息几种，依次顺序执行，一次完整终端、基站的调度过程中，有且仅有一个接入短消息(不包括重传)，0-N个上行接入短消息，0-M个下行接入短消息，具体数量根据上层数据量和信道质量决定。
第一上行接入短消息的发送，根据上行时隙索引，通过该上行时隙时刻在射频上发送信息，持续时间即为时隙长度；ACK反馈信息的发送类似，只在于发送持续时间和具体位置有不同，ACK信息长度为1/8的时隙长度，位置也是该时隙的某一个8等分之一的位置，同样由上述位置索引决定。
终端同步之后，先在上行时隙索引发送第一上行接入短消息息，由于此时基站不知道谁在接入，只能盲检，所以第一上行接入短消息的扰码与位置有关，而跟终端ID无关，即，盲检是在每个时隙位置上都检测数据，每个位置均有对应使用的扰码，使用该扰码去尝试解调收到的该时隙的数据，看是否能正确解出，数据的最后都会有校验码，如果校验码正确，则为正确解出。关于位置的问题，在帧结构确定的情况下，每个时隙都有唯一位置标示，最简单的扰码选择方案，有N个位置，就设置N个扰码，一一对应即可，该扰码SC(scramblingcode)从接入扰码集合SCS(scrambling code set)中选择，第一上行接入短消息内容中会包含终端ID。
盲检的意思是在每个上行子时隙都使用该位置上的特定扰码来检测是否有接入消息，检测之前并不知道终端的ID等信息。
第一步，针对上行时隙0，从扰码集合中选择该时隙的特定扰码；
第二步，使用特定扰码尝试解出收到的该时隙的数据；
第三步，如果能够解出正确数据，则可获取数据中的终端ID；
基站收到第一上行接入短消息后，需要在之后该终端的下行时隙索引发送ACK反馈信息(ACK使用该终端的扰码进行加扰，用来区分不同的终端，终端扰码使用终端ID生成)，通知终端接入成功，并且在之后的该终端的上行时隙索引，使用该终端的扰码来尝试解码后续可能的上行接入短消息或上行ACK反馈信息，其中，扰码加扰过程为射频过程，即使用扰码通过取模或者序列转换等数学运算，打乱原有数据，使得接收端只能使用对应的扰码和解扰方式恢复原有数据，这样就能区分不同的终端。。
S103、判断是否生成第二上行接入短消息，并获取下行发送需求。
具体的，当所述终端接收到所述ACK反馈信息后，判断是否生成第二上行接入短消息，若需要生成所述第二上行接入短消息，则将生成的所述第二上行接入短消息通过所述上行时隙索引发送至所述基站，并接收通过所述下行时隙传输过来的所述ACK反馈信息，然后，再次判断是否生成下一个所述第二上行接入短消息，直至判断不需要生成所述第二上行短消息，则利用所述基站获取下行发送需求，详细的流程为：终端收到接入短消息的ACK反馈后，如有需要，则继续在上行时隙索引(固定位置)发送第二上行短消息，其扰码与该终端ID有关，基站收到第二上行短消息后，在之后该终端的下行时隙索引发送ACK反馈，如果没有接收到第二上行短消息，或者在之前的接入短消息中明确知晓已无第二上行短消息，则利用所述基站获取下行发送需求。其中，所述第二上行接入短消息和所述第一上行接入短消息相同。
S104、基于所述下行发送需求向所述终端发送下行接入短消息，并通过所述上行时隙索引向所述基站发送所述ACK反馈信息。
具体的，基于所述下行发送需求，通过所述下行时隙索引向所述终端发送下行接入短消息，并当所述终端接收到所述下行接入短消息后，通过下一帧的所述上行时隙索引向所述基站发送上行ACK反馈信息，以通知所述基站确认收到所述下行接入短消息。
本实施例是对基于WIoTa(Wide-range Intetnet Of Things communicAtionprotocol)协议的物联网通信中基本帧结构的描述，该同步帧是包含了本发明所述的短消息控制流程。当然这些描述可以适用于其他的无线通信系统。
如图2和图3所示，其中，图2所示的同步帧结构中有8个上行时隙和8个下行时隙；图3所示的同步帧结构中有8个上行时隙和16个下行时隙；图2和图3中出现的各参数说明含义，：
S：同步时隙
D：下行时隙
U：上行时隙
G：gap时隙
ACK：反馈数据包，长度为短消息的1/8
如图2所示，采用最简单的帧结构，上下行时隙索引(index)范围为0～15，根据终端A的用户ID计算出其所在的下行时隙index为5，上行时隙index为13，控制信道时隙index为3，上下行位置对应，再根据图4所示流程，终端在第一帧的上行时隙13发送接入短消息，基站在第二帧的下行时隙5发送ACK，终端在第二帧上行时隙13继续发送短消息，在第三帧下行时隙5接收ACK，在第四帧下行时隙5接收短消息，在第四帧上行时隙13发送ACK。
本申请的短消息数据传输方法不止在同步系统下可以实施，还可以在异步系统下进行传输，具体的传输步骤为：
步骤一：异步系统下，终端不需要同步基站，但是在发送短消息之前需要发送同步子帧头，然后间隔固定A个时隙后直接发送短消息，其中，这里的同步子帧头，跟同步系统的同步时隙一样，均是用来对齐时间的，但是异步系统的帧结构与同步系统的帧结构不一样，异步系统的同步子帧之后的上行时隙个数跟数据量有关，即跟短消息个数一致。是一种更灵活的帧结构，而且可以不需要基站参与。短消息的主要思想是随时发送，同步和异步只是不同的实现形式。两个异步的帧结构形式如图5和图6所示。
步骤二：基站或者其他终端持续检测同步子帧，如果检测到即可对齐同步帧头，然后在同步子帧之后间隔固定A个时隙后开始接收短消息。
步骤三：如果是确认模式，接收方则在收完短消息之后间隔固定B个时隙后发送ACK反馈消息，如果是非确认模式，接收方则收完短消息即停，接收流程结束后，接收方继续检测其他同步子帧头重复接收过程，或者自身需要发起短消息发送流程，则原接收方变成发送方。
本发明的有益效果是：
由于采用同步帧结构并明确了每个终端的位置信息，可以减少多个终端之间的数据传输冲突，由于对于单个终端来说，上下行时隙位置固定，终端能够提前休眠和唤醒，可以减小终端的能耗，可以快速实现终端的基站之间的数据交互，减少多终端之间的数据传输冲突，提高有效负载。
本发明的一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引；基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息；判断是否生成第二上行接入短消息，并获取下行发送需求；基于所述下行发送需求向所述终端发送下行接入短消息，并通过所述上行时隙索引向所述基站发送所述ACK反馈信息，克服了多终端数据传输冲突的问题。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引；
基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息；
判断是否生成第二上行接入短消息，并获取下行发送需求；
基于所述下行发送需求向所述终端发送下行接入短消息，并通过所述上行时隙索引向所述基站发送所述ACK反馈信息。
2.如权利要求1所述的广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，其特征在于，对接入的终端和基站进行同步，并基于所述终端的同步帧结构，计算出对应的上行时隙索引和下行时隙索引，包括：
将与基站连接的所有终端与所述基站建立同步，并获取所述终端的同步帧结构，其中，所述同步帧结构包括一个同步时隙、多个下行时隙、多个上行时隙和一个间隔时隙；
基于所述终端的用户ID，计算出所述同步帧对应的上行时隙索引和下行时隙索引。
3.如权利要求1所述的广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，其特征在于，基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息，包括：
获取同步后的所述终端产生的第一上行接入短消息，并通过所述上行时隙索引将所述第一上行接入短消息发送至所述基站；
利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息。
4.如权利要求3所述的广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，其特征在于，利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息，包括：
利用所述基站接收所述第一上行接入短消息，并对所述第一上行接入短消息中的扰码进行盲检；
利用所述扰码进行加扰生成ACK反馈信息，并通过所述下行时隙索引向所述终端发送所述ACK反馈信息。
5.如权利要求4所述的广域无线物联网通信的短消息数据传输方法，其特征在于，基于所述上行时隙索引向所述基站发送对应的第一上行接入短消息，并基于所述下行时隙索引向所述终端发送ACK反馈信息之后，所述方法还包括：
利用所述扰码对下一帧的所述上行时隙索引处的所述第二上行接入短消息或者所述ACK反馈信息进行解码。
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