一种城域蜂窝物联网无线节点的信道竞争控制方法与系统与流程

本申请涉及窄带通信网络，尤其涉及一种城域蜂窝物联网无线节点的信道竞争控制方法与系统。

背景技术：

物联网是一种窄带通信网络，其通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，如何远距离、低延迟、低功耗地实现实时采集、连接、监控、互动是物联网领域的当前关键难题之一。

物联网规模越来越大，节点的移动性需求也越来越凸显，建立城域范围的网联网势在必行。蜂窝组网技术是城域物联网的比较理性，也切实可行的组网方法。

城域物联网基站通过无线信号与蜂窝内的节点进行通信。每一个基站配备了多个基站收发模块，可以同时与多个节点并行通信。每一个基站收发模块分配一个上行信道和下行信道，节点选择指定的信道与基站模块进行通信。

基站收发模块在同一时刻只能与一个无线节点通信。城域物联网的节点数量庞大，远大于基站收发模块，信道竞争几乎不可避免。

传统蜂窝网络利用复杂的信令来执行信道的申请、分配和释放，而物联网本身基于窄带宽的通信方法，并且物联网节点的通信特点往往是少数据量、长周期的非连接性通信需求。物联网的特征决定了节点与网络基站的通信是基于低功耗、低带宽通信。无法像宽带蜂窝网络一样通过复杂的网络信令来通过分配来解决信道竞争。因此城域物联网采用的蜂窝网络不能直接借用传统蜂窝网络的协议来实现信道的分配，而是采用节点自主选择信道与基站进行通信。由于城域物联网的节点数量一般比较大，信道竞争几乎是不可避免的，而在发生了信道竞争的情况下，如何有效的防止再次冲突目前还没有完善的方案。

技术实现要素：

本申请提供了一种城域蜂窝物联网无线节点的信道竞争控制方法与系统。根据一个方面，本申请提供的城域蜂窝物联网无线节点的信道竞争控制方法，包括：无线节点根据预定原则进行信道选择；当信道选择首次发生信道竞争时，发生信道竞争的多个所述无线节点各自退避固定时长，每一所述无线节点的所述固定时长与该无线节点的竞争优先级负相关；退避完成后无线节点再次进行信道连接；当信道连接再次发生信道竞争时，再次发生信道竞争的多个所述无线节点在各自的预设时间段内退避随机时长；退避完成后无线节点再次进行信道连接。

在一种实施例中，无线节点根据预定原则进行信道选择包括：无线节点根据信道的忙闲状态、占空比、以及通信质量进行信道选择。

在一种实施例中，所述无线节点通过收听来自基站广播模块的广播信息而获知所述信道的忙闲状态、占空比、以及通信质量。

在一种实施例中，信道竞争设置有最大次数，当所述无线节点在竞争所述最大次数后仍不能完成信道连接，则重新进行信道选择。

在一种实施例中，所述预设时间段与所述无线节点的信道竞争次数相关。

在一种实施例中，所述预设时间段与所述无线节点的优先级相关。

根据第二方面，本申请提供的城域蜂窝物联网无线节点的信道竞争控制系统，包括：信道选择单元：用于根据预定原则为无线节点进行信道选择；信道竞争控制单元：用于当信道选择首次发生信道竞争时，控制发生信道竞争的多个所述无线节点各自退避固定时长，每一所述无线节点的所述固定时长与该无线节点的竞争优先级负相关；退避完成后控制无线节点再次进行信道连接；以及当信道连接再次发生信道竞争时，控制再次发生信道竞争的多个所述无线节点在各自的预设时间段内退避随机时长；退避完成后控制无线节点再次进行信道连接。

在一种实施例中，所述预设时间段与所述无线节点的信道竞争次数或优先级相关。

根据第三方面，本申请提供的城域蜂窝物联网的具有信道竞争控制功能的无线节点，包括：信道选择单元：用于根据预定原则进行信道选择；信道竞争控制单元：用于当信道选择首次发生信道竞争时，控制所述无线节点退避固定时长，所述固定时长与该无线节点的竞争优先级负相关；退避完成后控制无线节点再次进行信道连接；以及当信道连接再次发生信道竞争时，控制无线节点在预设时间段内退避随机时长；退避完成后控制无线节点再次进行信道连接。

根据第四方面，本申请提供了一种具有信道竞争控制功能的窄带通信系统，包括基站控制器、基站广播模块、多个基站收发模块和多个无线节点；所述基站广播模块用于广播基站收发模块对应的信道状态；所述多个无线节点用于收听基站广播模块的广播信息，根据广播信息中得知的信道状态，选择一基站收发模块对应的信道向基站控制器进行网络请求；所述基站控制器用于根据一无线节点的所述网络请求，从该无线节点选择的所述信道向该无线节点进行回应；其中当信道选择首次发生信道竞争时，发生信道竞争的多个所述无线节点各自退避固定时长，每一所述无线节点的所述固定时长与该无线节点的竞争优先级负相关；退避完成后无线节点再次进行信道连接；当信道连接再次发生信道竞争时，再次发生信道竞争的多个所述无线节点在各自的预设时间段内退避随机时长；退避完成后无线节点再次进行信道连接。

本申请的有益效果在于：能有效避免无线节点过多次的竞争同一信道，提高基站与无线节点之间的通讯效率。

附图说明

图1为本申请一种实施例的窄带通信系统的网络结构图；

图2为本申请一种实施例的无线节点的信道竞争控制方法的总体流程图；

图3示出了本申请一种实施例的具有信道竞争控制功能的无线节点的内部结构及其网络连接；

图4为本申请一种实施例的无线节点的信道竞争控制方法的具体流程图。

具体实施例

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本申请一种实施例的窄带通信系统，其网络结构包括三个部分：基站控制器(服务器)100、基站模组200，其包括广播模块201和收发模块202，以及无线节点300。每一个网络通常由一台基站控制器100、数个基站收发模块(1～n)202和若干无线节点(1～N)300组成。其中，n和N分别代表基站收发模块和无线节点的数量，通常n<<N。

一台基站控制器100可以同时管理多个基站。因此，基站模组200可以是一个逻辑分组，并不代表实际的物理分组。图1仅示意性地表示从逻辑上，基站模组200一般可以由一个广播模块201和n个收发模块202组成。每一个基站收发模块202负责接收/发送信道信号，但通常只能接收/发送特定信道中的信号。一般的，每一个基站收发模块对应一个信道。广播模块201运行于单一发送模式，不断(或周期性)地发送各个基站收发模块202的信道状态，例如，每一基站收发模块202对应的信道处于忙碌状态还是空闲状态。

一个无线节点300只能连接一个网络，其默认可以接收该网络的基站广播模块201发送的广播信息。而后，无线节点300根据广播信息中各个收发模块202的忙闲状态，选择其通信的基站收发模块202进行配对。选中配对的收发模块202后，无线节点300即可以采用该收发模块202对应的信道向其发送网络请求。服务器100在收到从基站收发模块202转发来的无线节点300的网络请求后，通过同一个基站收发模块202进行回应。

尽管无线节点300可以通过收听基站广播模块201的广播信息而得知各个基站收发模块202的忙闲状态、占空比、以及通信质量等参数，由此进行信道选择。但是由于物联网中无线节点300的数量庞大，其数量将远大于基站收发模块202的数量，即使有很优秀的信道选择算法也会出现多个无线节点300选择同一个基站收发模块202，导致信息交换失败。

参照图2，本申请一实施例提供的窄带通信网络，例如城域蜂窝物联网的无线节点的信道竞争控制方法，包括：

步骤S1：无线节点根据预定原则进行信道选择；

步骤S2：当信道选择首次发生信道竞争时，发生信道竞争的多个无线节点各自退避固定时长，每一无线节点的固定时长与该无线节点的竞争优先级负相关；

步骤S3：退避完成后无线节点再次进行信道连接；

步骤S4：当信道连接再次发生信道竞争时，再次发生信道竞争的多个无线节点在各自的预设时间段内退避随机时长；

步骤S5：退避完成后无线节点再次进行信道连接。

无线节点300根据自身传送信号的紧急情况、实时性、重要性等因素将会被分为m个竞争优先级(m<<N)。在一个实施例中，代表优先级的数越低，表示优先级越高；如：1、2、3…m中，数值1代表的优先级最高，数值m代表的优先级最低。但本申请并不限制于此，可以理解的是，不同的设置方式，例如大数值代表高优先级，小数值代表低优先级，同样也是可行的。

不同优先级的无线节点竞争(第一次发生竞争，即首次竞争)同一信道时，竞争的无线节点将进行退避重新连接，退避时间由无线节点自身的优先级来决定，优先级为1、2、3…m的无线节点第一次发生信道竞争时，退避的时间分别为k、2k、3k…k*m，单位为毫秒，k为一固定时间值。可以看到，每一无线节点都退避一固定时长k*m，但各个无线节点对应的固定时长与其自身的优先级负相关，即，优先级越高，则退避的固定时长越短。例如，优先级1的无线节点退避的固定时长为k毫秒，而优先级3的无线节点退避的固定时长为3k毫秒。

相同优先级的无线节点竞争(第二次发生竞争，即再次竞争)同一个信道时，退避时间将在特定时间段内随机，即在预设时间段内退避随机时长。退避的随机时间范围可以由优先级决定，即与优先级相关。例如，优先级为1、2、3…m的无线节点，其对应的退避随机时间段为：(0,k)、(k,2k)、(2k,3k)…(k*m-k,k*m)。单位为毫秒。各个优先级的无线节点在其预设的时间段内退避随机时长，例如，优先级1的无线节点，其预设的特定时间段为(0,k)，其随机时长为l毫秒(0<l<k)。

同理，相同优先级的无线节点竞争(第三次发生竞争，即再次竞争)同一个信道时，退避时间将在特定时间段内随机。退避机制和第二次发生竞争时的机制一样。

当发生第Max次(信道竞争设置的最大次数)竞争时，无线节点将会选择重新收听基站广播模块的广播信息，重新根据各个基站收发模块的忙闲状态、占空比、以及通信质量等参数进行信道选择。

本申请一种实施例的具有信道竞争控制功能的无线节点的内部结构如图3所示，其中仅以无线节点N为例示出了无线节点的内部结构。可以看到，无线节点300可以包括信道选择单元301和信道竞争控制单元302。其中信道选择单元301用于根据预定原则进行信道选择；信道竞争控制单元302用于当信道选择首次发生信道竞争时，控制所述无线节点退避固定时长，所述固定时长与该无线节点的竞争优先级负相关；退避完成后控制无线节点再次进行信道连接；以及当信道连接再次发生信道竞争时，控制无线节点在预设时间段内退避随机时长；退避完成后控制无线节点再次进行信道连接。图3的示例为将无线节点本身配置为具有信道竞争控制功能，可以理解的是，可以独立地设置一包括信道选择单元和信道竞争控制单元的信道竞争控制装置或系统，对无线节点进行信道竞争控制，这样可以无需对无线节点本身进行改造，而仅需将该信道竞争控制装置或系统附加于无线节点上即可，可以理解的是，信道竞争控制装置或系统依实际需要，甚至可以无需附加在无线节点上，而至于其他物理位置。

参加图4，本申请一种实施例的无线节点的信道竞争控制方法的具体流程包括：

步骤S101：基站广播模块向各个无线节点发送各个基站收发模块的信息。

步骤S102：无线节点根据获得的广播信息得知各个基站收发模块的忙闲状态、占空比、以及通信质量等参数进行信道选择。

步骤S103：判断是否发生信道竞争，无线节点向基站收发模块发送信息，没有得到响应即可断定为发生了信道竞争。

步骤S104：确定无线节点的优先级m，以及该节点在该信道发生过的竞争次数。

步骤S105：判断无线节点的竞争次数是否超过了预先设定的最大值Max，如果没有超过则判断是第几次竞争，然后进行对应的退避机制；否则重新收听广播，重新选择信道。

步骤S106：当发生第一次竞争时，各个无线节点退避m*k秒。

步骤S107：当发生第二次竞争时，各个无线节点在时间段(k～2k)秒内随机退避。

步骤S108：当发生第Max-1次竞争时，各个无线节点在时间段(k*(Max-2)～k*(Max-1))秒内随机退避。

步骤S109：选择信道之后没有发生竞争，或者在多次退避之后没有发生竞争，则表明通信成功，无线节点向基站收发模块发送信号。

可以看到的是，在图4的示例中，无线节点再次发生信道竞争时的预设时间段与信道竞争次数相关。

在本发明的一种实施例中，当相同优先级时，第二次和第三次的信道竞争机制是一样的，各个无线节点依其优先级在(k*m-k，k*m)范围内退避，但在图4的示例中，从步骤S107和S108中可以看到，退避时间是与竞争次数相关的，即前一实施例与优先级相关，而该例与竞争次数相关。

进一步的，图4的示例指无线节点的优先级为1时的实施例，即，如果考虑优先级，则预设时间段为k*m*(Max-1)～k*m*Max。或者，考虑到第一次竞争已经通过优先级退避后，再次竞争时的冲突节点通常是相同优先级的情况，因而在再次竞争时也可以不再考虑优先级的因素。

总之，关于再次竞争的退避，可以设置为：

1、在第一次之后的每次竞争中，都固定依照优先级实施退避；

2、在第一次之后的每次竞争中，依照竞争次数实施退避；

3、在第一次之后的每次竞争中，同时依照优先级和竞争次数实施退避。

物联网中，每一个网络由一台服务器、数个基站无线收发模块和若干无线节点组成。随着物联网覆盖的范围扩大，可以容纳的无线节点数量增加，使得无线节点数远远大于基站收发模块数量。即使很优秀的信道选择算法也会发生信道竞争。本申请提供的上述信道竞争控制机制，可以很好地应用于物联网中，防止物联网中的无线节点的再次信道竞争，能有效避免无线节点过多次的竞争同一信道问题，提高物联网基站与无线节点之间的通讯效率。其实现方式简便有效，兼具成本优势和功耗优势。

本领域技术人员可以理解，上述实施例可以通过硬件，如专用集成电路，FPGA(现场可编程逻辑阵列)等来实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于此，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现，该软件产品是可以指令相关硬件完成上述实施例中各种方法的全部或部分步骤的软件程序。该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。