CN117295143B - 一种终端低功耗数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种终端低功耗数据传输方法，涉及无线通信网络技术领域，终端完成入网之后，休眠无线射频模块；当达到终端的发送时隙号时，唤醒无线射频模块进行数据发送。数据发送完毕后，开启预设时间段的接收窗口，在此段时间窗口内等待网关答复；若收到网关答复，则更新网关的同步时间以及当前节点总数，重新计算下一次接收开窗时间，之后休眠无线射频模块；若未收到网关答复，则立即休眠无线射频模块。本发明中在空闲时间休眠射频通信功能，同时确保数据可靠传输降低重发率，采用终端动态分时发送算法，降低随机上行数据碰撞概率；同时能够在下行信道资源有限的情况下，避免答复多终端下行数据阻塞延时而未接收到，导致的重发数据的情况。

Description

一种终端低功耗数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种终端低功耗数据传输方法。

背景技术

目前在工业环境中无线设备终端为保证运行灵活性采用电池供电，更加强调小型化、低成本、低功耗、长寿命等特性。用于车间手持用品更加需要轻便小体积，要求终端持续工作时长更长。其中通信功耗难以随着集成电路的工艺进步而降低，且在终端功耗中总体功耗占比最高。

在工业组网运行过程中，终端用户需要不定时地向网关传输数据，并且网关需要随时响应，在无线终端的工作过程中，发送和接收中的数据传输过程消耗大部分能量。为了减少无线终端消耗的能量，有必要尽可能减少数据重传、数据接收和监听这些过程的时间和次数。

如何在保证通信可靠的基础上进一步降低运行中的通信功耗是该类型工业终端亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于工业无线系统的终端低功耗数据传输方法，解决现有工业组网通信中终端存在的数据丢失和通信能耗过高的问题。

为此，本发明提供了以下技术方案：

本发明公开了一种终端低功耗数据传输方法，所述终端包括：电源驱动模块、数据采集模块、主控制器以及无线射频模块；所述数据采集模块根据用户操作进行数据采集并传输到主控制器，所述主控制器发给所述无线射频模块，所述无线射频模块再发送给外部无线接入点，之后网关接收信号完成数据传输；所述主控制器能够控制所述无线射频模块休眠或唤醒；

所述方法包括：

所述终端完成入网之后，休眠所述无线射频模块；

当接收到所述数据采集模块的数据后，根据可靠发送最小时间间隔、最大允许发送延时时间、终端的入网节点序号和当前连接网关的终端分组数计算所述终端对应的发送时隙号；

根据网关的同步时间判断是否达到所述终端对应的发送时隙号；

当达到所述终端的发送时隙号时，唤醒所述无线射频模块进行数据发送。

进一步地，所述方法还包括：

数据发送完毕后，开启预设时间段的接收窗口，在此段时间窗口内等待网关答复；

若收到网关答复，则更新网关的同步时间以及当前连接网关的终端总数，重新计算下一次接收开窗时间，之后休眠所述无线射频模块；

若未收到网关答复，则立即休眠所述无线射频模块，等待下一周期抵达所述终端的发送时隙号时唤醒所述无线射频模块进行数据发送。

进一步地，所述终端完成入网，包括：

所述终端上电启动，向网关发送入网请求；

直到收到网关答复，同时获取当前网关的同步时间，以及所述终端的入网节点序号，完成入网。

进一步地，终端对应的发送时隙号为m=n%k，%表示取余操作，k为当前连接网关的终端的分组数，k=floor(td/tc)，floor表示向下取整；tc为可靠发送最小时间间隔；td为最大允许发送延时时间；n为终端的入网节点序号。

进一步地，重新计算下一次接收开窗时间T_RX包括：

根据所述终端的入网节点序号和当前连接网关的终端总数计算当前时隙下的最大终端数；

根据所述最大终端数调整下一次接收开窗时间的大小。

进一步地，根据所述最大终端数调整下一次接收开窗时间的大小，包括：

当x=1的情况下，使用初始窗口值作为下一次接收开窗时间；

当x＞1的情况下，在初始窗口值的基础上加入窗口变化量作为下一次接收开窗时间，窗口变化量为Δtrx，Δtrx=Trecv·x，其中Trecv为时间常量，x为当前时隙下的最大终端数。

进一步地，所述终端为工业环境中的无线设备终端。

本发明的优点和积极效果：

本发明中，在空闲时间休眠射频通信功能，同时确保数据可靠传输降低重发率，采用终端动态分时发送算法，降低随机上行数据碰撞概率；同时能够在下行信道资源有限的情况下，避免答复多终端下行数据阻塞延时而未接收到，导致的重发数据的情况。

采用本发明中的终端低功耗数据传输方法，能够降低终端能耗，进而可减少电池尺寸和整体尺寸轻便易用。能够降低接收数据丢包率，可以进一步提高通信可靠性，并提高传输效率。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中单个无线终端节点及系统结构框图；

图2为本发明实施例中无线终端节点控制流程图；

图3为本发明实施例中多节点时隙分配流程示意图；

图4为本发明实施例中分时通信流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明基于工业无线系统的终端节点产品，如图1所示，终端由电源驱动模块、数据采集模块、主控制器以及无线射频模块组成。其中数据采集模块根据用户操作进行相应数据采集并传输到主控制器，由主控制器控制发给无线射频模块，无线射频模块再发送给外部无线接入点，之后网关接收信号完成数据传输，主控制器可控制无线射频模块的数据传输状态，即控制其休眠和唤醒。

如图2所示，具体的单个终端控制方法包括：

S1、终端上电启动，向网关自动发送入网请求。

S2、获取网关答复，同时获取当前网关的同步时间T，以及终端的入网节点序号n，完成入网。

S3、休眠无线模块，关闭无线数据收发功能。

S4、当接收到数据采集模块数据后，计算终端对应的发送时隙号m，并等待。

S5、根据网关的同步时间T，判断是否达到终端对应的发送时隙号m。

S6、达到终端对应的发送时隙号m后，唤醒无线射频模块进行数据发送；未达到终端对应的发送时隙号m，则返回S5；

在网关连接多个终端的情况下，每个终端按照对应的发送时隙号发送数据，实现了随机上行数据发送的动态分时发送。

S7、数据发送完毕后，开启数据接收，开启时间为T_RX的接收窗口，在此段时间窗口内等待网关答复。

S8、若收到网关答复，则更新网关的同步时间T以及当前入网的终端总数N，重新计算下一次接收开窗时间T_RX，之后休眠无线模块，关闭数据收发功能。

S9、若未收到网关答复，则立即休眠无线射频模块关闭数据收发功能，等待下一周期抵达终端对应的发送时隙号m，唤醒发送。

其中参数计算方法具体如下：如图3所示，根据工业无线系统环境，存在一个可靠发送最小时间间隔tc，若小于该值则在期间过多节点发送的数据可能丢包。在应用需求下存在一个最大允许发送延时时间td，在该时间内延时发送数据不会影响用户正常使用终端。由此可将当前网关连接的所有终端进行分组，分组数为k=floor(td/tc)（向下取整）。终端对应的发送时隙号m=n%k（以k为一组，超出重新取余编号），n为终端的入网节点序号。

当入网终端总数N大于分组数k时，可能存在多个终端占用相同时隙号m的情况，当时隙号m满足因碰撞检测机制限额内多点发送时，并不影响上行数据发送。但为避免答复多终端下行数据阻塞延时而未接收到，导致的重发数据的情况，本发明中设计了终端开启接收的动态T_RX窗口。根据终端的入网节点序号n和入网的终端总数N计算当前时隙号m下的最大终端数x，来调整下一次T_RX窗口的大小，当在x=1的情况下，使用初始T_RX窗口值；当x＞1的情况下，将T_RX重新计算为T_RX=T_RX+Δt_rx，加入窗口变化量Δt_rx=T_recv·x（其中T_recv为时间常量，与系统通讯速率有关），使接收时长增加，通过损失一部分时延来降低重发的概率，进而降低功耗。为了便于理解，下面以具体示例进行说明，如图4所示，终端4和终端10两个终端与网关进行数据收发，都占用时隙4，G1、G2、G3、G4分别是终端向网关发送的数据，ACK为网关收到消息后的应答信息，ACK MISS指终端错过应答信息，T_RX为接收窗口，Δt_rx为接收窗口变化量。在接收窗口T_RX内，终端4向网关发送数据G1，终端4接收网关返回的应答信息ACK，终端4数据发送成功；终端10错过应答信息（ACK MISS），终端10判定数据发送失败；终端10再次向网关发送数据G2，网关向终端10返回应答信息ACK，终端10数据发送成功。即固定接收窗口的情况下，存在数据重发的情况。为避免重发数据的情况，将T_RX重新计算为T_RX=T_RX+Δt_rx，加入窗口变化量Δt_rx，在延长后的接收窗口内，终端10向网关发送数据G3，终端4向网关发送数据G4，终端4能够接收到网关的应答消息，终端10也能接收到网关的应答消息，无需重发数据，即通过损失一部分时延来降低重发的概率，进而降低功耗。

相比常规的固定时间简单周期性休眠唤醒模式，上述实施例中，基于随机上传模式，根据实际节点上传需求情况进行唤醒和休眠，主要采用了动态分时发送的方法，实现了多节点终端情况下随机上行数据动态分时发送。终端接收下行数据时进入休眠前采用接收开窗时间算法，在工业系统中终端个数较多的情况下，避免同时上传造成数据碰撞，降低数据重传和丢包概率，即在休眠基础上进一步避免随机上行数据碰撞造成的额外功耗损失。

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：其依然可以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；而这些修改或者替换，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 (6)

1.一种终端低功耗数据传输方法，其特征在于，终端包括：电源驱动模块、数据采集模块、主控制器以及无线射频模块；所述数据采集模块根据用户操作进行数据采集并传输到主控制器，所述主控制器发给所述无线射频模块，所述无线射频模块再发送给外部无线接入点，之后网关接收信号完成数据传输；所述主控制器能够控制所述无线射频模块休眠或唤醒；

所述方法包括：

所述终端完成入网之后，休眠所述无线射频模块；

当接收到所述数据采集模块的数据后，根据可靠发送最小时间间隔、最大允许发送延时时间、终端的入网节点序号和当前连接网关的终端分组数计算所述终端对应的发送时隙号；终端对应的发送时隙号为m=n%k，%表示取余操作，k为当前连接网关的终端的分组数，k=floor(td/tc)，floor表示向下取整；tc为可靠发送最小时间间隔；td为最大允许发送延时时间；n为终端的入网节点序号；

根据网关的同步时间判断是否达到所述终端对应的发送时隙号；

当达到所述终端的发送时隙号时，唤醒所述无线射频模块进行数据发送。

2.根据权利要求1所述的终端低功耗数据传输方法，其特征在于，所述方法还包括：

数据发送完毕后，开启预设时间段的接收窗口，在此段时间窗口内等待网关答复；

若收到网关答复，则更新网关的同步时间以及当前连接网关的终端总数，重新计算下一次接收开窗时间，之后休眠所述无线射频模块；

若未收到网关答复，则立即休眠所述无线射频模块，等待下一周期抵达所述终端的发送时隙号时唤醒所述无线射频模块进行数据发送。

3.根据权利要求1所述的终端低功耗数据传输方法，其特征在于，所述终端完成入网，包括：

所述终端上电启动，向网关发送入网请求；

直到收到网关答复，同时获取当前网关的同步时间，以及所述终端的入网节点序号，完成入网。

4.根据权利要求2所述的终端低功耗数据传输方法，其特征在于，重新计算下一次接收开窗时间包括：

根据所述终端的入网节点序号和当前连接网关的终端总数计算当前时隙下的最大终端数；

根据所述最大终端数调整下一次接收开窗时间的大小。

5.根据权利要求4所述的终端低功耗数据传输方法，其特征在于，根据所述最大终端数调整下一次接收开窗时间的大小，包括：

当x=1的情况下，使用初始窗口值作为下一次接收开窗时间；

当x＞1的情况下，在初始窗口值的基础上加入窗口变化量作为下一次接收开窗时间，窗口变化量为Δtrx，Δtrx=Trecv·x，其中Trecv为时间常量，x为当前时隙下的最大终端数。

6.根据权利要求1~5任一项所述的终端低功耗数据传输方法，其特征在于，所述终端为工业环境中的无线设备终端。