一种应用于扩频通信的信道管理方法与流程

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是涉及一种可降低网内设备通讯冲突的概率，提高通讯成功率，提高开放频段产品长期通讯的稳定性，提升网络容量的应用于扩频通信的信道管理方法。

背景技术：

物联网技术实现了物物相联，将网络的使用范围延伸到了物品之间，与此同时，网内的通讯成为保障物联网服务稳定的重要基础。随着物联网技术的发展及其应用范围的扩展，单个组网内接入的设备量将呈现明显上升趋势，优化通信方法，提高网内容量，是必将进行的改革，也是当前已经实现的物联网设备应该预见的考验。

扩频通信是一种已经较为成熟的通信技术，针对低速率低功耗的通讯环境，将扩频通信技术应用到物联网系统中终端设备与网关设备的通讯中是切实可行的，同时在终端设备布点较为密集的情况下，如何应对较为极限的情况，如所有设备同时发送数据，另外面对物联网应用范围不断扩大的发展趋势，怎样保证非管制频段内已经布设的设备能够满足未来的服务需求，都是留待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的物联网非管制频段的使用缺乏对信道通信质量进行实时、长期地监控，缺乏针对信道冲突现象的解决方法；终端节点发送数据前，不对信道质量进行评估和对冲突进行规避，导致发送冲突高，终端功耗高的问题，提供了一种可降低网内设备通讯冲突的概率，提高通讯成功率，提高开放频段产品长期通讯的稳定性，提升网络容量的应用于扩频通信的信道管理方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用于扩频通信的信道管理方法，包括一个或多个终端设备，若干个用来转发数据的网关设备，以及一个用来处理数据及命令的网络服务器；对通信频段进行信道划分，终端设备根据网络服务器公布的信道质量等级评估表，从所有信道中选择信道并发送数据；其信道管理方法和流程包括如下步骤：

(1-1)将整个通信频段划分为若干个信道；

(1-2)终端设备根据网络服务器公布的信道质量等级评估表，从所有信道中选择信道并发送数据；

网络服务器统计各信道通讯情况，并广播所有信道的通讯状态，即公布信道质量等级评估表，根据信道的通讯状态，设定终端设备被选中的概率；

(1-3)对信道质量等级评估表中的信道定时进行活跃度检测；

(1-4)根据信道质量等级评估表中的信道数量，网络服务器开辟新的信道。

本发明包括一个网络管理器，若干个网关设备以及一个或多个终端设备，网关接收所有终端发送的数据包，同时也接收使用相同(近)信道的未知设备发送的数据包。网关接收的所有数据包都上传至网络管理器，由网络管理器根据信道质量等级评估表对预先设置的所有信道的通信状况进行统计分析，维持通信质量较高的信道，暂时关闭通信质量较低的信道，并根据当前可用信道数量决定是否开辟新的信道。对暂时关闭的信道，网络管理器定时查看，根据恢复程度评估方法判断关闭信道是否可重新利用。终端设备需要与网关设备进行通讯时，从当前可用信道中随机选取一个信道，然后检测该信道活跃度，判断发送数据的时机。

针对扩频通信技术的弊端，利用隔离带分隔第一子带和第二子带，保证工作在这两个子带上的信道互不干扰。

本方法可改善基于扩频通信的非管制频段的大型蜂窝网络中终端设备过多导致的信道冲突，数据错误和接收错误等状况。

因此，本发明具有可降低网内设备通讯冲突的概率，提高通讯成功率，提高开放频段产品长期通讯的稳定性，提升网络容量的特点。

作为优选，所述网络服务器接收组网内所有信道上由终端设备发送来的请求及数据，并做出处理及响应。

作为优选，所述网络服务器并不参与信道竞争，只对已接收到的数据进行处理。

作为优选，所述步骤(1-1)包括如下步骤：

将整个通信频段分为三个子带，包括第一子带、第二子带和隔离带；所述第一子带和第二子带均划分为若干个信道；所述隔离带用于间隔第一子带和第二子带。

作为优选，所述步骤(1-2)包括如下步骤：

(4-1)所述网络服务器根据各个信道的数据接收情况进行信道质量评估：

所述网络服务器在接收通讯数据后，对每个信道的数据接收量进行统计，计算总数据量平均每个信道应贡献的数据量其中，C_i为每个信道实际上行的数据量，N为信道数量；

当单个信道的实际数据贡献量时，其信道质量等级设为2；

当单个信道的实际数据贡献量时，信道质量等级设为1；

当单个信道的实际数据贡献量时，信道质量等级设为0，即关闭该信道；

其中a₁，a₂为可调系数；110％≤a₁≤130％，30％≤a₂≤50％；

(4-2)得到信道质量等级评估表后，网络服务器通过所有信道向组网内所有终端设备进行广播，终端设备接收并更改本地保存的信道质量等级评估表。

作为优选，所述网关设备能接受自身信道频点±1.1MHz内的数据，其中，包含网内设备发送的数据，称为合法数据，以及公共频段内其他设备的数据，称之为非法数据；所述网络服务器统计网关设备单个信道上行数据中非法数据量与合法数据量比值L，当L≤b₁时，网络服务器判断该信道通讯状况可忍受，保持信道质量等级评价表中该信道的等级；当b₁＜L≤b₂时，网络服务器判断该信道通讯状况为拥挤，并修改信道质量等级评价表中该信道的等级为1；当L＞b₂时，网络服务器判断该信道通讯状况为堵塞，并修改信道质量等级评价表中该信道的等级为0，即关闭该信道；其中b₁，b₂为可调系数；2≤b₁≤4，5≤b₂≤7。

作为优选，所述终端设备需要进行通讯时，根据新的信道等级评估表调整各信道随机选中的概率P；当前质量评估等级为1的信道数为N₁，质量评估等级为2的信道数为N₂，则质量评估等级为1的信道被选中的概率调整为P₁：质量评估等级为2的信道被选中的概率调整为P₂：其中，k为可调系数，1≤k≤3。

作为优选，所述步骤(1-2)包括如下步骤：

(7-1)所述终端设备选中信道后生成等待时间；

(7-2)所述终端设备在发送数据前对选中信道进行活跃度检测；

所述终端设备通过信道活跃度检测来判断信道是否繁忙，若信道繁忙则等待；信道不繁忙时，发送数据；

间隔一段时间后再次判断信道是否繁忙，当等待次数超过设定阈值时，直接发送该数据。

终端设备随机选中信道后，为了避免同一信道上同时出现大量数据，每个终端设备随机生成等待时间，等待时间以4s为单位，最长不超过64秒，等待结束后开始发送数据。

作为优选，所述步骤(1-3)包括如下步骤：

对于已经关闭的信道，网络服务器命令网关设备定时检测信道活跃度：

(8-1)若网关设备仍检测到该信道活跃，则干扰未消除；

(8-2)若网关设备在连续一段时间的检测中未检测到数据，表明该信道的干扰已消除，可恢复通信；将检测结果上报给网络服务器，网络服务器将该信道的质量评估等级置为1，同时向所有终端设备广播新的信道质量等级评估表。

作为优选，所述网关设备采用随机取样的方式对已关闭的信道进行检测，在72小时内，利用平均分布函数取144个随机取样点，网关设备在每个取样点时间到达时切换信道开始接收5分钟，结束后将信道切换回当前工作信道并将检测数据转发到网络服务器。

作为优选，所述步骤(1-4)包括如下步骤：

当关闭的信道数超过总信道数的f％时，其中，f为可调系数，25≤f≤35，网络服务器开始开辟新信道：

(10-1)网络服务器将下发命令给网关设备，由网关设备检测待开放的新信道的通讯繁忙程度，若新信道在未启用前的每天平均通讯数据量大于等于每个信道应贡献的数据量，则放弃启用该信道，尝试向其他频段迁移；

(10-2)新信道可由网络服务器管理员指定，管理员有权限在关闭的信道数未超过总信道数的f％时开辟新信道，此时网络服务器仍会命令网关设备进行信道检测，但结果只供管理员参考，管理员有权限在未启用信道通讯量过大的情况下仍旧启用该信道。

因此，本发明具有如下有益效果：

1.针对物联网非管制频段的扩频通信技术提出一套完整的信道管理方法；通过网络服务器和网关对通信状况进行实时、长期的监控，通过网络服务器计算和更新信道质量等级评估表，提供了终端设备选择信道的判断方法；利用该信道管理办法，可以大幅降低网内设备通讯冲突的概率，提高通讯成功率，提升网络容量；

2.提出信道黑名单概念以及被列入黑名单的信道实现动态恢复的方法，提出开辟新信道的判断方法；通过信道黑名单和开辟新信道，提高了开放频段产品长期通讯的稳定性，避免后期由于开放频段通讯设备过多导致的通讯冲突，提高了网络的可维护性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的一种信道划分示意图；

图3是本发明的一种终端设备收到数据的流程图；

图4是本发明的一种信道质量等级评估表生成的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2、图3、图4所示的实施例是一种应用于扩频通信的信道管理方法，包括一个或多个终端设备，若干个用来转发数据的网关设备，以及一个用来处理数据及命令的网络服务器；对通信频段进行信道划分，终端设备根据网络服务器公布的信道质量等级评估表，从所有信道中选择信道并发送数据；其信道管理方法和流程包括如下步骤：

步骤100：将整个通信频段分为三个子带，包括第一子带、第二子带和隔离带；所述第一子带和第二子带均划分为若干个信道；所述隔离带用于间隔第一子带和第二子带；

步骤200：终端设备根据网络服务器公布的信道质量等级评估表，从所有信道中随机选择信道并发送数据；

网络服务器统计各信道通讯情况，并广播所有信道的通讯状态，即公布信道质量等级评估表，根据信道的通讯状态，设定终端设备被选中的概率；

步骤210：所述网络服务器每个月根据各个信道的数据接收情况进行信道质量评估：

所述网络服务器在接收通讯数据后，对每个信道的数据接收量进行统计，计算总数据量平均每个信道应贡献的数据量其中，C_i为每个信道实际上行的数据量，N为信道数量；

当单个信道的实际数据贡献量时，其信道质量等级设为2；

当单个信道的实际数据贡献量时，信道质量等级设为1；

当单个信道的实际数据贡献量时，信道质量等级设为0，即关闭该信道；

步骤220：得到信道质量等级评估表后，网络服务器通过所有信道向组网内所有终端设备进行广播，终端设备接收并更改本地保存的信道质量等级评估表；

步骤230：所述网关设备能接受自身信道频点±1.1MHz内的数据，其中，包含网内设备发送的数据，称为合法数据，以及公共频段内其他设备的数据，称之为非法数据；所述网络服务器每个月统计网关设备单个信道上行数据中非法数据量与合法数据量比值L，当L≤3时，网络服务器判断该信道通讯状况可忍受，保持信道质量等级评价表中该信道的等级；当3＜L≤6时，网络服务器判断该信道通讯状况为拥挤，并修改信道质量等级评价表中该信道的等级为1；当L＞6时，网络服务器判断该信道通讯状况为堵塞，并修改信道质量等级评价表中该信道的等级为0，即关闭该信道；

步骤240：所述终端设备需要进行通讯时，根据新的信道等级评估表调整各信道随机选中的概率P；当前质量评估等级为1的信道数为N₁，质量评估等级为2的信道数为N₂，则质量评估等级为1的信道被选中的概率调整为P₁：质量评估等级为2的信道被选中的概率调整为P₂：

步骤250：所述终端设备选中信道后随机生成等待时间；

步骤260：所述终端设备在发送数据前对选中信道进行活跃度检测；

所述终端设备通过信道活跃度检测来判断信道是否繁忙，若信道繁忙则等待；信道不繁忙时，发送数据；

每隔4s判断信道是否繁忙，64s后，直接发送该数据；

步骤300：对信道质量等级评估表中的信道定时进行活跃度检测；

对于已经关闭的信道，网络服务器命令网关设备定时检测信道活跃度：

步骤310：所述网关设备采用随机取样的方式对已关闭的信道进行检测，在72小时内，利用平均分布函数取144个随机取样点，网关设备在每个取样点时间到达时切换信道开始接收5分钟，结束后将信道切换回当前工作信道并将检测数据转发到网络服务器；

步骤320：若网关设备仍检测到该信道活跃，则干扰未消除；

步骤330：若网关设备在连续三天的检测中未检测到数据，表明该信道的干扰已消除，可恢复通信；将检测结果上报给网络服务器，网络服务器将该信道的质量评估等级置为1，同时向所有终端设备广播新的信道质量等级评估表；

步骤400：根据信道质量等级评估表中的信道数量，网络服务器开辟新的信道；

当关闭的信道数超过总信道数的30％时，网络服务器开始开辟新信道：

步骤410：网络服务器将下发命令给网关设备，由网关设备检测待开放的新信道的通讯繁忙程度，若新信道在未启用前的每天平均通讯数据量大于等于每个信道应贡献的数据量，则放弃启用该信道，尝试向其他频段迁移；

步骤420：新信道可由网络服务器管理员指定，管理员有权限在关闭的信道数未超过总信道数的30％时开辟新信道，此时网络服务器仍会命令网关设备进行信道检测，但结果只供管理员参考，管理员有权限在未启用信道通讯量过大的情况下仍旧启用该信道。

所述网络服务器接收组网内所有信道上由终端设备发送来的请求及数据，并做出处理及响应；所述网络服务器并不参与信道竞争，只对已接收到的数据进行处理。

本发明应用于在开放频段利用扩频通讯技术的蜂窝型网络中，无线燃气表或物联网表的远程通信信道的管理与应用。蜂窝型网络包括一个或多个射频终端，若干个用来转发数据的网关设备，以及一个用来处理数据及命令的网络服务器，其中终端可以有多种应用，如水表、电表、燃气表的抄表，垃圾检测，宠物跟踪等。

本发明针对非管制频段的扩频通信首次提出一种信道管理方法；并率先提出适用于非管制频段扩频通信的信道黑名单和开辟信道概念，提高了开放频段产品长期通讯的稳定性；同时，根据低功耗的要求，提出了适用于低功耗、物联网应用的信道管理方法，将数据采集、统计最大限度地放在网关和网络服务器完成，减少终端工作，降低终端功耗。

因此，本发明通过网络服务器和网关对通信状况进行实时、长期的监控，提出适用于非管制频段扩频通信的信道黑名单和开辟信道概念，提高了开放频段产品长期通讯的稳定性，避免后期由于开放频段通讯设备过多导致的通讯冲突，具有可降低网内设备通讯冲突的概率，提高通讯成功率，提高开放频段产品长期通讯的稳定性，提升网络容量的特点。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。