基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统及方法与流程

本发明涉及一种物联网数据采集系统及方法，尤其是一种基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统及方法，属于数据通信技术领域。

背景技术：

近几年物联网相关技术已经渗透到社会经济民生的各个领域，在人类社会中的应用也多种多样。爱立信最新版《移动市场报告》显示，到2021年，互连物联网终端总数预计达到280亿台，其中包括近160亿台物联网物联网终端。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

物联网应用中物联网终端采集设备众多，所处位置不同，有时移动物联网物联网终端处于无地面网络覆盖区域，无法满足用户了解物联网信息的需要，对于数据传输提出了新的要求。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

技术方案一：

一种基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统，包括1个以上物联网终端，接入网网元，1台以上数据服务器和1台以上应用服务器；所述各物联网终端与接入网网元经过卫星数据链路连接；接入网网元分别连接各数据服务器，各数据服务器经互联网连接各应用服务器；所述数据服务器的协议栈由应用层app、传输层tip、网络层ip和物理层physical组成；接入网网元的数据服务器侧协议栈由传输层tip、网络层ip和物理层physical组成，其物联网终端侧协议栈由无线资管控制层rrc、无线链路控制层rlc、媒质接入控制层mac和卫星物理层ttphysical组成；物联网终端终端的协议栈由无线资管控制层rrc、无线链路控制层rlc、媒质接入控制层mac和卫星物理层ttphysical组成；接入网网元的数据服务器侧协议栈与数据服务器侧协议栈经iu-t协议接口连接，其物联网终端侧协议栈经uu空中接口与物联网终端终端的协议栈连接；

所述数据服务器向接入网网元转发来自各应用服务器的“d-bcch建立请求”、“d-bcch更新请求”、“d-bcch释放指示”信息；向相应应用服务器转发来自接入网网元的“d-bcch建立请求响应”、“d-bcch更新请求响应”、“d-bcch释放指响应示”信息；对数据校验后，向相应应用服务器转发来自接入网网元的“数据上报指示”消息；向接入网网元发送“数据确认”消息；“d-bcch建立请求”信息包括点波束id和专用随机接入信道d-rach数；专用随机接入信道d-rach数为1或2；

接入网网元在“d-bcch建立请求”消息指示的点波束id中的业务信道中配置专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道；在卫星移动通信系统的公用广播信道上广播“接收专用系统信息”的消息，在专用广播控制信道d-bcch上广播“专用系统信息”，在专用接入允许信道d-agch发送“确认响应信息”，在专用随机接入信道d-rach信道发送“数据传输请求信息”；所述“接收专用系统信息”由“专用系统信息”的保留字段加载专用广播控制信道d-bcch的信息构成；

所述各物联网终端接收到“接收专用系统信息”的消息后，在专用广播控制信道d-bcch上接收“专用系统信息”，在专用接入允许信道d-agch接收“确认响应信息”，在专用随机接入信道d-rach信道发送“数据传输请求信息”所述“数据传输请求信息”包括国际物联网终端序列imsi、随机数s-rti和应用服务号server-id和采集的数据。

所述基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统还包括计费服务器；所述数据服务器连接计费服务器；所述计费服务器根据“数据上报”消息数目计费或按使用时间计费。

所述专用广播控制信道d-bcch和专用接入允许信道d-agch信道复用在同一个下行传输信道d-pc10d上，专用广播控制信道d-bcch和专用接入允许信道d-agch信道以64帧为循环周期，每8帧为一组。

技术方案二：

用于技术方案一所述物联网数据采集系统的数据采集方法，包括以下具体步骤：

步骤1：建立专用广播信道：当数据服务器接收到应用服务器发送的“d-bcch建立请求”消息时，将其转发至接入网网元；接入网网元在“d-bcch建立请求”消息指示的点波束id中的业务信道中配置专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道；在卫星移动通信系统的公用广播信道上广播“接收专用系统信息”的消息，指示各物联网终端在相应时隙接收广播控制信道d-bcch的专用系统信息；

步骤2：建立数据信道：接入网网元在专用广播控制信道d-bcch中广播“专用系统信息”，指示专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道的时隙；

步骤3：上传数据：物联网终端在专用随机接入信道d-rach向接入网网元发送“数据传输请求”信息；接入网网元向数据服务器发送“数据上报指示”消息；“数据上报指示”消息中包括“数据传输请求信息”中的国际物联网终端序列imsi、随机数s-rti和应用服务号server-id和采集的数据；

步骤4：数据确认：数据服务器对数据校验后，向相应应用服务器转发来自接入网网元的“数据上报指示”消息；向接入网网元发送“数据确认”消息。

步骤4中数据服务器通过不连续两帧对所述物联网终端发送“数据确认”消息，如果物联网终端收到“数据确认”则结束本次数据传输；如果在64帧中没有收到“数据确认”信息，物联网终端重发采集数据。

步骤3中对于大于40字节的数据，物联网终端在专用随机接入信道d-rach上分两次发送。

所述物联网数据采集系统的数据采集方法还包括更新资源配置和释放资源的步骤；

所述更新资源配置步骤中数据服务器向接入网网元转发来自各应用服务器的“d-bcch更新请求”信息；接入网网元根据“d-bcch更新请求”信息中的点波束id和d-rach数重新分配专用广播控制信道d-bcch和/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道后向数据服务器发送“d-bcch更新响应”信息；

所述释放资源配置步骤中所述数据服务器向接入网网元转发来自各应用服务器的“d-bcch释放指示”信息；接入网网元根据“d-bcch释放指示”信息中的点波束id释放专用广播控制信道d-bcch和/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道后向数据服务器发送“d-bcch释放指示释放指示响应”信息。

所述物联网数据采集系统的数据采集方法还包括“复位”步骤，所述接入网网元与数据服务器接重启建立物理层连接后，所述接入网网元与数据服务器互发“复位指示”信息。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1.本发明实现地面网和卫星网的融合，无论在地面网覆盖区域还是无覆盖区域，均能实时实时采集物联网物联网终端数据；

2.本发明保留完整的二层协议栈，是考虑设备的兼容性，使设备具有更好的可维护性。

3.本发明网络空闲时，增加配置专用随机接入信道d-rach冗余信道，保证有足够的空口资源，使数据能够传输到应用服务，而不会累积在物联网终端上。

4.本发明在数据采集过程，由应用层确定是否配置专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach公共信道，使得接入网受控于应用层，节省无线资源，增加设备待机时间。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统结构图；

图2是本发明实施例1的协议栈结构图；

图3是本发明实施例2的流程图；

图4是本发明实施例2步骤1的信息流图；

图5是本发明实施例2发送数据量小于等于40字节的信息流图；

图6是本发明实施例2发送数据量大于40字节的信息流图；

图7是本发明实施例2更新资源配置步骤的信息流图；

图8是本发明实施例2资源释放步骤的信息流图；

图9是本发明实施例2复位的信息流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

一种基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统，包括1个以上物联网终端，接入网网元，1台以上数据服务器和1台以上应用服务器；所述各物联网终端与接入网网元经过卫星数据链路连接；接入网网元分别连接各数据服务器，各数据服务器经互联网连接各应用服务器；所述数据服务器的协议栈由应用层app、传输层tip、网络层ip和物理层physical组成；接入网网元的数据服务器侧协议栈由传输层tip、网络层ip和物理层physical组成，其物联网终端侧协议栈由无线资管控制层rrc、无线链路控制层rlc、媒质接入控制层mac和卫星物理层ttphysical组成；物联网终端终端的协议栈由无线资管控制层rrc、无线链路控制层rlc、媒质接入控制层mac和卫星物理层ttphysical组成；接入网网元的数据服务器侧协议栈与数据服务器侧协议栈经iu-t协议接口连接，其物联网终端侧协议栈经uu空中接口与物联网终端终端的协议栈连接；

所述数据服务器向接入网网元转发来自各应用服务器的“d-bcch建立请求”、“d-bcch更新请求”、“d-bcch释放指示”信息；向相应应用服务器转发来自接入网网元的“d-bcch建立请求响应”、“d-bcch更新请求响应”、“d-bcch释放指响应示”信息；对数据校验后，向相应应用服务器转发来自接入网网元的“数据上报指示”消息；向接入网网元发送“数据确认”消息；“d-bcch建立请求”信息包括点波束id和专用随机接入信道d-rach数；专用随机接入信道d-rach数为1或2；

接入网网元在“d-bcch建立请求”消息指示的点波束id中的业务信道中配置专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道；在卫星移动通信系统的公用广播信道上广播“接收专用系统信息”的消息，在专用广播控制信道d-bcch上广播“专用系统信息”，在专用接入允许信道d-agch发送“确认响应信息”，在专用随机接入信道d-rach信道发送“数据传输请求信息”；所述“接收专用系统信息”由“专用系统信息”的保留字段加载专用广播控制信道d-bcch的信息构成；

所述各物联网终端接收到“接收专用系统信息”的消息后，在专用广播控制信道d-bcch上接收“专用系统信息”，在专用接入允许信道d-agch接收“确认响应信息”，在专用随机接入信道d-rach信道发送“数据传输请求信息”所述“数据传输请求信息”包括国际物联网终端序列imsi、随机数s-rti和应用服务号server-id和采集的数据。

所述基于卫星移动通信系统的物联网数据采集系统还包括计费服务器；所述数据服务器连接计费服务器；所述计费服务器根据“数据上报”消息数目计费或按使用时间计费。

所述专用广播控制信道d-bcch和专用接入允许信道d-agch信道复用在同一个下行传输信道d-pc10d上，专用广播控制信道d-bcch和专用接入允许信道d-agch信道以64帧为循环周期，每8帧为一组。

实施例2：

用于实施例1所述物联网数据采集系统的数据采集方法，包括以下具体步骤：

步骤1：建立专用广播信道：当数据服务器接收到应用服务器发送的“d-bcch建立请求”消息时，将其转发至接入网网元；接入网网元在“d-bcch建立请求”消息指示的点波束id中的业务信道中配置专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道；在卫星移动通信系统的公用广播信道上广播“接收专用系统信息”的消息，指示各物联网终端在相应时隙接收广播控制信道d-bcch的专用系统信息；

步骤2：建立数据信道：接入网网元在专用广播控制信道d-bcch中广播“专用系统信息”，指示专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道的时隙；

步骤3：上传数据：物联网终端在专用随机接入信道d-rach向接入网网元发送“数据传输请求”信息；接入网网元向数据服务器发送“数据上报指示”消息；“数据上报指示”消息中包括“数据传输请求信息”中的国际物联网终端序列imsi、随机数s-rti和应用服务号server-id和采集的数据；

步骤4：数据确认：数据服务器对数据校验后，向相应应用服务器转发来自接入网网元的“数据上报指示”消息；向接入网网元发送“数据确认”消息。

步骤4中数据服务器通过不连续两帧对所述物联网终端发送“数据确认”消息，如果物联网终端收到“数据确认”则结束本次数据传输；如果在64帧中没有收到“数据确认”信息，物联网终端重发采集数据。

步骤3中对于大于40字节的数据，物联网终端在专用随机接入信道d-rach上分两次发送。

所述物联网数据采集系统的数据采集方法还包括更新资源配置和释放资源的步骤；

所述更新资源配置步骤中数据服务器向接入网网元转发来自各应用服务器的“d-bcch更新请求”信息；接入网网元根据“d-bcch更新请求”信息中的点波束id和d-rach数重新分配专用广播控制信道d-bcch和/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道后向数据服务器发送“d-bcch更新响应”信息；

所述释放资源配置步骤中所述数据服务器向接入网网元转发来自各应用服务器的“d-bcch释放指示”信息；接入网网元根据“d-bcch释放指示”信息中的点波束id释放专用广播控制信道d-bcch和/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道后向数据服务器发送“d-bcch释放指示释放指示响应”信息。

所述物联网数据采集系统的数据采集方法还包括“复位”步骤，所述接入网网元与数据服务器接重启建立物理层连接后，所述接入网网元与数据服务器互发“复位指示”信息。

本发明增加了数据采集的专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach公共信道，为了减少物联网终端读取系统信息的时间，在系统信息1a段中广播增加的信道信息，物联网终端在新增加的信道中发送采集数据和接收确认信息。

接入网在业务信道中，选择合适的资源配置为专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach。

专用随机接入信道d-rach用于物联网终端上报数据，物联网终端在上报数据时携带国际物联网终端序列imsi、随机数s-rti和应用服务号server-id，d-bcch/d-agch用于广播d-rach信息和发送对物联网终端的确认消息。

当需要数据采集服务时，数据服务通知接入网建立专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用随机接入信道d-rach信道，接入网选择无线资源，在1a段中指示物联网终端接收专用广播信息，并在专用广播控制信道d-bcch广播专用系统信息。

物联网终端通过1a段信息获得专用随机接入信道d-bcch信息，通过接收专用随机接入信道d-bcch信息获得专用随机接入信道d-rach信息和专用接入允许信道d-agch信息。

发送的数据量小于40字节，物联网终端在专用接入允许信道d-rach上发送采集数据，接入网收到后转发给数据服务，数据服务对数据校验后，对接收的数据进行确认。

接入网收到数据服务的确认消息后，在通过不连续两帧，间隔4帧或8帧对同一物联网终端发送确认消息。物联网终端收到确认消息后，结束本次数据传输；如果在64帧中没有收到确认信息，物联网终端需要重发数据。

对于大于40字节的数据，可以将数据分两次发送，不建议大于80字节的数据采用该方案，数据服务可以发送两次确认消息，也可发送一次确认消息，由应用层确定。

对于该方案，在空口方面，数据传输占用业务信道资源。不考虑资源的限制，计算每个点波束最大容量。

上行：

在空口至少配置1条专用接入允许信道d-rach，即每帧1部物联网终端可以发送数据。

每秒按16帧计算，每秒支持16*1＝16物联网终端

考虑专用接入允许信道d-rach碰撞，存在专用接入允许信道d-rach重传的情况，专用接入允许信道d-rach信道利用率按0.5计算，每秒可支持的物联网终端数：16×0.5＝8

每小时支持：3600×8＝28800

下行：

按照下行每条消息包含一部物联网终端的确认消息计算：

每32帧(1.92s)有1帧发送确认信息，可以对8部物联网终端进行确认，即1.92s可以确认8部物联网终端，每秒按确认4部物联网终端计算：

每小时支持：3600×4＝14400

结论：

可以看出，主要是下行能力受限，综合上下行容量，建议：

一般应用，配置一条专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和一条专用接入允许信道d-rach，每小时可支持14400部物联网终端。

对于数据采集类物联网终端，长期处于无人值守的情况，主要采用电池供电，因此，减少功耗是关键点之一。

物联网终端消耗的能量与传输的数据量或速率有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。为了节省物联网终端的功耗，延长电池的使用时间，本发明考虑以下措施：

(1)通过减少不必要的信令来达到省电目的；

(2)物联网终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的，减少接收单元不必要的启动；

(3)减少协议栈处理流程，减小物联网终端处理的开销；

(4)减少不必要的系统信息sib接收，物联网终端与系统同步后，用最短的时间可以接收到需要的信息，减少物联网终端在线时间；

(5)减少不必要的信息交换过程，减小物联网终端处理的开销[此处关于减少物联网终端功耗的方式。

由于专用广播控制信道d-bcch与广播控制信道bcch的频点相同，要求广播控制信道bcch载波必须有20个时隙可用，可以配置为两条pc10d，一条承载广播控制信道bcch，一条承载专用广播控制信道d-bcch。

为了保证必须周期上报数据和应急上报数据物联网终端的需求，在网络忙时仅配置一条专用接入允许信道d-rach和d-bcch/d-agch。

在网络空闲时，增加配置一条专用接入允许信道d-rach，提高信道的冗余，保证有足够的空口资源，使数据能够传输到应用服务，而不会累积在物联网终端上。

由于信道资源有限，为了保证系统的话音容量，建议在分组域载波中选择专用接入允许信道d-rach信道资源。

实际应用中，最多配置两条专用接入允许信道d-rach即可满足需求。

物联网终端部署时，可以预置一种或多种数据采集方式，应用层根据实际使用场景，可以设置物联网终端使用的数据采集方式。同一点波束内的物联网终端，尽可能的分时段上报数据，避免信道冲突，减少物联网终端在线时间，延长物联网终端待机时间。

在dedicatedsysteminformation定义了广播信息，可以广播物联网终端通用的设置信息，用于对物联网终端的公共参数进行设置。

在接入网发送给物联网终端的信息中，除了物联网终端的确认信息外，有些情况需要向物联网终端发送数据，有些情况不需要给物联网终端发送数据，为了减少物联网终端与网络之间的交互次数，在informationtransferresponse中定义了两种结构，接入网可以根据是否向物联网终端发送数据，来确定采用哪种消息结构。

考虑每个行业有各自的应用特点，针对不同的行业可以有不同的应用服务，应用服务分行业进行管理。因此，考虑数据服务和应用服务分开部署。

建议：数据服务位于中心机房，应用服务可灵活放置。

接入网收到的数据统一发送给数据服务，作为原始数据由数据服务统一管理。数据服务按照数据的使用对象分发给各个应用服务。初期应用较少，可以合并部署，随着应用增加，需要分开部署。

如果需要经过计费系统，可以在各服务之间增加与计费系统的接口。

该方案在核心网内不存在物联网终端信息，没有类似hss设备，建议物联网终端信息在应用层进行维护。应用层对物联网终端合法性进行确认，并且接入网能够通过物联网终端标识imsi区分不同的应用，方便接入网转发数据。

应用层的控制中心通过专用接入允许信道d-agch对单个物联网终端进行指令下发，可以控制物联网终端启停数据的上报，以及计费管理。

对于接入网公共信道方案，计费方式建议：

(1)统一计费：数据在数据服务和应用服务之间通过运营商的计费系统进行传输，数据按“条”计费。

(2)分行业计费：由各个行业与运营商协商，采用“包月”的方式，数据不经过运营商的计费系统。

接入网与应用层之间通过tcp/ip连接，接入网仅连接一台数据服务设备(支持主备)，数据服务设备可以连接多台应用服务设备。接入网为客户端，数据服务设备为服务端。

对于数据采集过程，接入网受控于应用层，由应用层确定是否配置专用广播控制信道d-bcch/专用接入允许信道d-agch和专用接入允许信道d-rach公共信道。

接入网收到物联网终端的数据后，向应用层发送“数据上报指示”消息，其中包含“点波束id、s-rti、imsi、数据”信息，应用层接收后，对数据进行校验，向接入网返回确认消息，可以仅包含s-rnti，也可以包含s-rnti和发送给用户的信息(20bit)。

应用层可以向物联网终端发送公共信息，可以配置物联网终端的公共参数，应用层向接入网发送“公共信息指示”消息，接入网发送给物联网终端，向应用层返回结果。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明描述的方法。

需要注意的是，上述附图中所示的框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本申请实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动物联网终端、或者网络设备等)执行根据本申请实施方式的方法。

通过这种方式，在需要采集数据时，通过建立的d-bcch或d-agch来下发通知，并且物联网终端通过d-rach上报数据，实现了小数据量采集。

参考物联网的应用场景，考虑的业务类型如下：

(1)自主周期报告业务类型：如智能公用事业(煤气/水/电)测量报告、智能农业、智能环境等，上行较小数据量需求，周期多以天、小时为单位，数据量为百字节量级；

(2)自主异常报告业务类型：如烟雾报警探测器、智能电表停电的通知等，上行数据极小数据量需求，周期多以年、月为单位，数据量为十字节量级；

(3)网络指令业务类型：如开启/关闭、设备触发发送上行报告、请求抄表，下行极小数据量需求，周期多以天、小时为单位，数据量为十字节量级；

(4)软件更新业务类型：如软件补丁/更新，上行下行较大数据量需求，周期多以月、季度为单位，数据量为千字节量级；

(5)视频监控业务类型：上行数据量大、需要连续传输，下行数据量小。

依据业务类型，对网络数据传输数据量的需求可以分为以下几类：

(1)上行百字节量级、下行十百字节量级，非连续传输

(2)上行十字节量级、下行十字节量级，非连续传输

(3)上行百字节量级、下行千字节量级、非连续传输

(4)上行大数据量、下行小数据量，连续传输

物联网终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据。主要完成数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。

通常物联网物联网终端设备可分为三类：

①无需移动性，大数据量(上行)，需较宽频段，比如城市监控摄像头。

②移动性强，需执行频繁切换，小数据量，比如车队追踪管理。

③无需移动性，小数据量，对时延不敏感，比如智能抄表。

对于采用天通一号卫星移动通信作为数据采集传输网络，由于卫星单点波束覆盖的范围达到数万平方公里，可以不考虑移动性的需求。因此，在此系统中主要考虑对物联网终端类型为一类和三类应用场景提供数据传输支持。

而对于第三类应用，往往是采用电池供电，通常要求物联网终端具有低功耗的特点。

目前主流运营商对于物联网的商业模式依然延续流量收费模式。

但是，对于跟踪类、抄表类应用只有在需要跟踪或读数上报的时候才会产生流量，数据流量很小，以流量收费是不合适的。然而其提供的联接服务是高价值的，根据连接的设备数量，按消息计费可以更好地保护双方的利益。

物联网物联网终端由接入网特殊处理，接入专用的应用服务，接入网对空口过程进行简化，应用数据由接入网传输到指定的服务。该方案适用于以下场景：

√小数据量的采集过程

√非连续上报且每天发送次数有限。