CN117793898A - 一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于时间信令的Sub‑1Ghz低功耗组网通信方法，包括：外围节点根据构建的随机数发生器种子启动延时定时器，后向中心发送加网数据；中心回复携带时间信令数据帧的Join Response Packet，并将当前节点加入到时隙监听列表；节点接收中心下发的Join Response Packet，启动周期上报定时器；结束后，中心从时隙监听列表调取对应节点的接收频点，同时打开接收时隙；节点按照Join Response Packet中携带的频点编号，使用对应的发送频点，将数据发送出去。本发明不仅从时域范围上避免相同频点通信带来的数据碰撞，同时在频域范围也避免了碰撞。
Description
技术领域
本发明涉及组网通信技术领域，具体为一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法。
背景技术
Sub-1GHz是指小于1GHz的无线电频率，在Sub-1GHz频段中有很多频段是免授权使用的，如国际电联（ITU）分配的ISM（Industrial、Scientific、Medical）频段（如6.780MHz，13.560MHz、27.120MHz、40.68MHz、433.92MHz、915MHz等）；基于Sub-1GHz的各种无线技术业已广泛应用于各行各业，如RFID、NFC、无线M-BUS等；无线电技术的发展促进了物联网应用的发展，Sub-1GHz无线技术在物联网应用中使用有一定的优势。
与有线技术相比，无线连接技术安装方便、使用便捷；而相比于2.4GHz频段，Sub-1GHz传输距离远、障碍物穿透能力强等特点。下表（1）是一个Sub-1GHz和2.4GH简单的比较：
表（1）Sub-1GHz和2.4GH的对比
| Sub-1Ghz | 2.4Ghz | |
| 距离 | 传输距离远，可达几公里甚至几十公里 | 传输距离近 |
| 兼容性 | 专有标准多 | 2.4Ghz标准多 |
| 天线尺寸 | 尺寸大 | 尺寸小 |
| 干扰 | 干扰少 | 干扰多 |
| 穿透力 | 障碍物穿透力强 | 障碍物穿透力弱 |
Sub-1Gh并没有一个标准化的网络协议栈，厂商可以根据自己的需要自主进行定制；但是传统的Sub-1Ghz在“点对点”通信方面上应用较多；同时面临一个共性问题，接收接口要不断激活监听网络中通信；接收器不知道消息何时到来；因此不得不保持监听以便不丢失任何数据，因此即使没有消息，接收器也不能完全关闭能耗；这种情形将限制节点的电池自主权，需要对电池定期更换或充电。
当前类似的技术方案应该是smetech的LoRaWAN方案；LoRaWAN也算是Sub-1Ghz的范畴，只是应该出现的时间比较早；具有自己的专有协议；其组网实现是通过一个具有上行8通道和下行1通道的中心，与理论上至多65535个节点进行组网通信。
现有的技术方案，虽然是中心具有8个通道，但是节点加网时使用的随机时隙和随机频点；虽然，中心有8个接收通道，但是这8个通道使用的是8个连续的相邻的频点，同时节点在时域和频域随机有着不确定性，当组网范围内超过8个节点的时候，节点数据上报给中心的时候，就有大概率会随机到相同的时隙或者相同的频点，进而导致数据碰撞；数据碰撞就意味着，上报数据的丢失，节点需要重新尝试发送数据，而无线通信类设备，在射频发送时功耗最高，多次发送就意味着节点功耗的增加；另外中心需要一个8上行通道和1下行通道的特殊射频收发器；本身造价就比较昂贵，且前一点提到了采用随机的模式其实并不能完全避免上行数据的碰撞；所以，8通道能做的仅仅是降低数据碰撞的概率，但是无法避免。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，可以解决现有8通道易出现的数据碰撞，数据碰撞就意味着，上报数据的丢失，节点需要重新尝试发送数据，而无线通信类设备，在射频发送时功耗最高，多次发送就意味着节点功耗的增加的问题。
为了实现上述目的，本发明是技术方案如下：
本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，包括以下步骤：
步骤一：中心初始化，初始化后启动中心；
步骤二：外围节点初始化，并根据构建的随机数发生器种子启动延时定时器，延时定时器结束后向中心发送加网数据；
步骤三：判断是否加网成功，若是，则中心回复携带时间信令数据帧的JoinResponse Packet，并将当前节点加入到时隙监听列表，且根据下发的上报周期启动与节点对应的监听频点时隙定时器；其中，所述时间信令数据帧，包括：中心对节点设备回复时的UTC时间、节点在当前网络中的设备地址、上报周期、收发频点和下次上报时的接收频点编号；
步骤四：节点接收中心下发的所述Join Response Packet，同步本地的UTC时间，并按照中心下发的Join Response Packet中携带的上报周期，启动周期上报定时器；
步骤五：所述上报定时器结束后，中心从所述时隙监听列表调取对应节点的接收频点，同时打开接收时隙；节点按照所述Join Response Packet中携带的频点编号，使用对应的发送频点，将数据发送出去。
进一步的，所述中心初始化，初始化后启动中心，包括：
对中心上电；
启动中心自身收发器；
启动RTC或者Timer，并以UTC时间不断记录中心当前时间；
分别启动一个与节点收发数据相同的上行的接收通道和一个下行的发送通道。
进一步的，所述上行的接收通道和下行的发送通道的接收和发送采用单一的Sub-1Ghz芯片或者两块Sub-1Ghz芯片来完成。
进一步的，所述外围节点初始化，包括：
对节点上电；
初始化RTC或者Timer；
启动外围节点本地的UTC时间计时。
进一步的，所述步骤三中，判断是否加网成功，若否，则判定加网失败，此时重新构建新的随机数发生器的种子，随节点根据新的所述随机数发生器的种子启动延时定时器，待延时定时器计时结束后，重新启动节点加网。
进一步的，所述构建随机数发生器种子，包括：通过“节点设备ID号码”+“当前UTC时间”构建随机数发生器的种子，并将随机延时时间限定在预定的区间范围内。
进一步的，所述同步本地的UTC时间，包括：
通过校准Sub-1Ghz的射频芯片上与RSSI相关的寄存器，来获取精确的当前接收数据包的信号强度；
在发射功率唯一时，RSSI的值能够等效于通讯距离；
根据RSSI的值，计算出等效距离，并通过等效距离解算出当前RSSI值下，节点收到时间信令前数据包空中传输的时间损耗；
得出适用于节点自身的本地UTC时间。
进一步的，所述频点包括1Ghz以下可用的所有频点，每个频点间的宽度最低为2.5kHz；不同的节点，可以分配到不同的频点用于数据收发通信。
进一步的，所述接收时隙关闭时，即中心在非接收时隙的时间范围内，仍然以默认的接收频点不断扫描环境中节点上报的入网请求包。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明可以将中心通道优化成为单通道模式，极致成本下可以考虑只用一块收发芯片来做；
本发明通过时间信令的加入，将对应节点，放入到对应的交互时隙中去，这样除非设备本地时钟发生较大的偏移，不然基本上不会发生随机碰撞；
本发明的时间信令带来了交互时隙，交互时隙可以使用针对节点专用的通信频点，这样不仅从时域范围上避免相同频点通信带来的数据碰撞，同时在频域范围也避免了碰撞；时间信令是嵌入在数据上下行的交互过程中的，每次交互都会进行一次时间同步，最大限度地保证组网中时间的一致性；同时，不使用额外的交互数据，降低了节点设备的触发接收和发送数据的频率，进一步将节点设备的功耗降至最低。
附图说明
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。其中：
图1为本发明一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法的整体流程示意图。
具体实施方式
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
LoRaWAN组网中“中心上行8通道和下行1通道”费用贵又无法完全避免碰撞，因而将“中心上行8通道和下行1通道”，修改为“中心上行1通道和下行1通道”；为了减小一个通道碰撞概率，所以在基于Sub-1Ghz的组网设计中，将引入时间信令的方案；
对于中心节点类的星型组网通讯系统，单一通道在同一时刻下可以接收到的数据是一定的；同一通道同一时刻，一旦有一条数据占用，那必然其他的数据是无法再使用此通道的；原本方案的“中心上行8通道和下行1通道”，随机时序上报，本质上依靠的是多个通道和随机上报来降低概率，但是随着网络中节点数量的增加，随机碰撞的概率几何级增加；同时，这种网络结构，中心是具有对接互联网能力的，不然一个组网中的数据无法发出将变得毫无意义；为此本发明提供一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其中时间信令组网方法的基础是使用中心主控或者外置的RTC或者Timer来实现，同时节点也需具备RTC（实时时钟）或者Timer（定时器），这都是当前微控制器具备的基础功能。
本发明提供的基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤一：中心初始化，初始化后启动中心；
具体的，作为组网系统的核心，中心最先上电进行初始化；当中心初始化完成后，中心启动自身收发器的功能后，启动RTC（实时时钟）或者Timer（定时器）；因此不管中心是否接入互联网，都会以UTC（协调世界时）时间的形式不断记录当前的时间；中心的UTC时间即为时间信令的基础；
另外当中心完成初始化后，会分别启动一个与节点收发数据相同的上行的接收通道和一个下行的发送通道；其中的接收和发送均通过Sub-1Ghz芯片来实现；优选的，所述启动一个与节点收发数据相同的上行的接收通道和一个下行的发送通道中的接收和发送采用两块Sub-1Ghz芯片来实现，为了节约成本也可以使用单一的Sub-1Ghz芯片来实现，但是采用单一的Sub-1Ghz芯片收发数据的效率会降低。
步骤二：外围节点初始化，并根据构建的随机数发生器种子启动延时定时器，延时定时器结束后向中心发送加网数据；
具体的，中心完成启动后，这时对外围节点进行上电操作；当外围节点上电后，不能立即开始发送加网数据；因为中心的接收通道只有一个，且此时中心的接收通道是唯一的；这时如果节点设备一上电就发送，尤其是同时上电的场景，中心的接收通道必然会发生拥堵和撞包。
所以，节点上电后优先初始化RTC或者Timer，启动本地的UTC时间计时；而后构建随机数发生器的种子，具体的，通过“节点设备ID号码”+“当前UTC时间”构建随机数发生器的种子，并将随机延时时间限定在预定区间范围内，示例性的，随机延时时间的预定区间范围为[0，5]（min），需要说明的是随机数发生器的种子使用的是定时器的时间；因为时间随着推移，种子会一直变化；但是还有一种情况，假如外围节点设备都很巧合的在同一个时刻上电，那么所有节点的内部的时间基数都是一样的；也就意味着所有的随机数发生器的种子都是一样的，那么时间时隙的错位效果就丢失了；进而，要在随机数的基础上，再引入设备的ID作为一个新的差异量；因为每个设备的ID是一定不会相同的；最后，随机数发生器结合随机种子生成的数字可能是一个很大的数字，进而要限定在[0，5]（min）的范围，要不然随机出一个延时几天的时间，就没有了意义，同时随机延时时间的预定区间范围要结合实际组网中的节点总量和上报周期来配置，并不唯一；网络中节点的数量越大，相对应的这个预定区间范围必然会进一步拉长。示例性的，随机延时时间的预定区间范围为：[t1，t2](min)，则随机延时时间 = Random(UTC±设备ID) % (2 * t2) + t1。节点根据随机数发生器种子启动延时定时器，在延时定时器计时结束后，启动默认的发送频点，向中心发送加网数据，此阶段被称为加网阶段。
步骤三：判断是否加网成功，若是，则中心回复携带时间信令数据帧的JoinResponse Packet（加网响应包），并将当前节点加入到时隙监听列表，且根据下发的上报周期启动与节点对应的监听频点时隙定时器；其中，所述时间信令数据帧，包括：中心对节点设备回复时的UTC时间、节点在当前网络中的设备地址、上报周期、收发频点和下次上报时的接收频点编号；
具体的，加网阶段中，由于中心的接收窗口唯一，同时节点的发送时间也为随机，即存在碰撞可能；进而，如果节点在加网阶段如果收到了来自中心的JoinResponsePacket，则判定为加网成功；若没有收到Join Response Packet，则判定加网失败，此时重新利用“节点设备ID号码”+“当前UTC时间”重新构建新的随机延时时间种子，随机延时时间的预定区间范围为[5，10]（min）；节点根据新的随机数发生器的种子并启动延时定时器，待延时定时器计时结束后，重新启动节点加网；
加网成功状态下，中心收到节点上报的加网数据后，中心会打开对应节点的频点接收通道，通过节点时隙频点对节点设备进行回复Join Response Packet；中心对节点设备回复的Join ResponsePacket内需要携带上时间信令数据帧，时间信令数据帧即为JoinResponse Packet回复时的UTC时间，同时将节点在当前网络中的设备地址、上报周期、收发频点和下次上报时的接收频点编号，通过默认的发送频点一并携带发送给节点；此时，中心将当前节点加入到时隙监听列表，且根据下发的上报周期启动与节点相关的监听频点时隙定时器；
若节点没有接收到Join Response Packet，则重新构建随机数发生器种子启动延时定时器，重新向中心发送加网数据。
步骤四：节点接收中心下发的所述Join Response Packet，同步本地的UTC时间，并按照中心下发的Join Response Packet中携带的上报周期，启动周期上报定时器；此时，节点进入数据交互阶段；
本发明由于采用的无线通讯的方案，Sub-1Ghz的射频芯片上，携带有与接收灵敏度RSSI相关的硬件电路；进而可以通过校准RSSI相关的寄存器，来获取精确的当前接收数据包的信号强度；且在发射功率唯一时，RSSI的值能够在一定程度上等效于通讯距离；根据RSSI的值，计算出等效距离，并通过距离大概解算出当前RSSI值下，节点收到时间信令前数据包空中传输的时间损耗，进而可以得出适用于节点自身的较为准确的本地UTC时间。
步骤五：所述上报定时器结束后，中心从所述时隙监听列表调取对应节点的接收频点，同时打开接收时隙；节点按照所述Join Response Packet中携带的频点编号，使用对应的发送频点，将数据发送出去；
具体的，中心和节点在上报周期定时器计时结束后，中心从所述时隙监听列表调取对应节点的接收频点，同时打开接收时隙；节点则按照之前Join Response Packet中携带的频点编号，使用对应的发送频点，将数据发送出去，将这个过程称之为收发时隙；另外中心在非接收时隙的时间范围内，仍然以默认的接收频点不断扫描环境中节点上报的入网请求包，这里的入网请求包即JoinRequest Packet。
组网过程中节点对中心发起的请求称之为Join Request Packet；中心对节点回复且携带有必要数据（时间信令数据帧）的包称之为Join Response Packet；一旦中心和节点组网成功后，这两个包将不存在，进而变成节点上报的数据包updata packet以及中心收到数据后回复携带有必要数据（时间信令数据帧）的ack包，ack包中也携带时间信令数据帧，使得中心和节点在实际的交互过程中即已经完成了时间同步，本质上更为精细的时间计算，当然可有将节点上报数据也携带时间信令，只是没有必要，最省事的办法就是，只在中心对节点回复的数据包中携带时间信令；只要有数据交互，就同步一次网络中的时间；节点正常收到ack包后，此次数据才算发送成功；不然需要启动重传。
可变频点的实现是因为Sub-1Ghz可以使用1Ghz以下、规范下可用的所有频点，每个频点间的宽度最低为2.5kHz；进而不同的节点，基本上可以分配到不同的频点用于数据收发通信。
本发明中节点加网和节点数据上报，是完全两类数据包；中心可以根据接收到的数据包，判定节点是否已经加入到组网之中，由于中心一般是直流供电所以不需要考虑重发带来的能耗问题。
因而现有的按照LoRaWAN的设计组网，中心使用单通道实现数据接收基本不可能；本发明可以将中心通道优化成为单通道模式，极致成本下可以考虑只用一块收发芯片来做；
现有的LoRaWAN组网只是降低了在一定外围节点数量上，降低了会发生碰撞的概率，本质上无法根本杜绝碰撞，而且节点越多碰撞概率越大；本发明通过时间信令的加入，将对应节点，放入到对应的交互时隙中去，这样除非设备本地时钟发生较大的偏移，不然基本上不会发生随机碰撞；
同时，本发明中时间信令带来了交互时隙，交互时隙可以使用针对节点专用的通信频点，这样不仅从时域范围上避免相同频点通信带来的数据碰撞，同时在频域范围也避免了碰撞；时间信令是嵌入在数据上下行的交互过程中的，每次交互都会进行一次时间同步，最大限度地保证组网中时间的一致性；同时，不使用额外的交互数据，降低了节点设备的触发接收和发送数据的频率，进一步将节点设备的功耗降至最低。
本方案设计使用的是比较常见的星型组网结构，但是像mesh组网也可以应用相关的技术点；因为，mesh组网中的中继就相当于一个中心，mesh组网就是一个多中心的网络，实际上还是由一个个星型组网结构组成的。
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：中心初始化，初始化后启动中心；
步骤二：外围节点初始化，并根据构建的随机数发生器种子启动延时定时器，延时定时器结束后向中心发送加网数据；
步骤三：判断是否加网成功，若是，则中心回复携带时间信令数据帧的Join ResponsePacket，并将当前节点加入到时隙监听列表，且根据下发的上报周期启动与节点对应的监听频点时隙定时器；其中，所述时间信令数据帧，包括：中心对节点设备回复时的UTC时间、节点在当前网络中的设备地址、上报周期、收发频点和下次上报时的接收频点编号；
步骤四：节点接收中心下发的所述Join Response Packet，同步本地的UTC时间，并按照中心下发的Join Response Packet中携带的上报周期，启动周期上报定时器；
步骤五：所述上报定时器结束后，中心从所述时隙监听列表调取对应节点的接收频点，同时打开接收时隙；节点按照所述Join Response Packet中携带的频点编号，使用对应的发送频点，将数据发送出去。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述中心初始化，初始化后启动中心，包括：
对中心上电；
启动中心自身收发器；
启动RTC或者Timer，并以UTC时间不断记录中心当前时间；
分别启动一个与节点收发数据相同的上行的接收通道和一个下行的发送通道。
3.根据权利要求2所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述上行的接收通道和下行的发送通道的接收和发送采用单一的Sub-1Ghz芯片或者两块Sub-1Ghz芯片来完成。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述外围节点初始化，包括：
对节点上电；
初始化RTC或者Timer；
启动外围节点本地的UTC时间计时。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述步骤三中，判断是否加网成功，若否，则判定加网失败，此时重新构建新的随机数发生器的种子，随节点根据新的所述随机数发生器的种子启动延时定时器，待延时定时器计时结束后，重新启动节点加网。
6.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述构建随机数发生器种子，包括：通过“节点设备ID号码”+“当前UTC时间”构建随机数发生器的种子，并将随机延时时间限定在预定的区间范围内。
7.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述同步本地的UTC时间，包括：
通过校准Sub-1Ghz的射频芯片上与RSSI相关的寄存器，来获取精确的当前接收数据包的信号强度；
在发射功率唯一时，RSSI的值能够等效于通讯距离；
根据RSSI的值，计算出等效距离，并通过等效距离解算出当前RSSI值下，节点收到时间信令前数据包空中传输的时间损耗；
得出适用于节点自身的本地UTC时间。
8.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述频点包括1Ghz以下可用的所有频点，每个频点间的宽度最低为2.5kHz；不同的节点，可以分配到不同的频点用于数据收发通信。
9.根据权利要求1所述的一种基于时间信令的Sub-1Ghz低功耗组网通信方法，其特征在于：所述接收时隙关闭时，即中心在非接收时隙的时间范围内，仍然以默认的接收频点不断扫描环境中节点上报的入网请求包。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张平;曹翔;施东伟;李莉;常先利;: "一种基于Sub-1 GHz的多信道光伏子阵无线组网技术", 电力信息与通信技术, no. 11, 15 November 2017 (2017-11-15) * |
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