一种低功耗窄带无线网络信道资源划分方法与流程

本发明涉及无线通信、低功耗窄带无线通信网络、物联网及其在智能家居、安防、智能停车、无线追踪器等行业应用领域；更具体地涉及一种低功耗窄带无线网络信道资源划分方法。

背景技术：

近年来，以nb-iot和lora技术为代表的低功耗广域网技术发展迅速。nb-iot技术是以授权频谱为基础，信道资源有规划和保障。lora技术面向用户私有环境、可独立组网，应用于各个行业传感器数据采集、控制及低速率通信场景，应用更为灵活。

无论是nb-iot或是lora技术都属于一种低功耗窄带无线技术。相比较于现有的3g、4g网络、wifi等技术,物联网低功耗窄带无线网络技术典型的特征就是设备工作功耗低、带宽窄，因此也更适合于传感器和低速率应用。

nb-iot网络是工作于授权频谱，终端的入网信道不会受到干扰，信道频谱资源有较好的保障。基于lora技术的物联网窄带无线网络工作于非授权频段，终端入网信道容易受到干扰，从而降低了入网效率和成功率。

在lora技术的应用过程中，各个lora应用系统共享频谱资源，尽管是低功耗系统，每一个系统对频谱资源的使用相互独立，难免会产生交叉干扰。在每个系统内部，频谱资源的使用也可能因为业务的变化、外部干扰的变化而需要动态调整。而传统的无线网络系统中信道资源的划分和配置往往是固定，更难以应对变化的频谱资源环境和业务变化。

为了提高频谱资源利用率，需要设计动态可调的信道资源划分策略。中国专利申请cn201710153202.3提出保护一种方法，主要特征在于为新增的lora终端配置频率，形成频率有序集合；所述频率有序集合中频率的间隔为两倍信号带宽；所述lora终端依次根据所述频率有序集合中的频率搜索lora网关，直到获取lora网关的无线信号；所述终端的频率配置可以使用nfc接口。

技术实现要素：
中提到有益效果在于新增的lora终端根据预先配置的频率可自动搜索当前可用的lora网关，从而自动加入到已有的无线通信系统中，提高了无线通信系统扩充容量的便捷性。

这种方法提出在预定的频率集合进行接入是无线通信领域常用的方法。然而lora系统的带宽随着扩频因子变化非常大，从7.8khz到500khz，固定的带宽分配显然无法满足业务带宽变化的需求。同时，对于出现信道环境、网络终端数量、网关覆盖等多种因素出现变化时，上述发明专利申请所述方法不能有效解决系统信道资源的稳定可用和最大化使用效率。

中国专利申请cn201710123829.4提出了一种lorawan物联网应用的接入方法，主要包括在基于lorawan协议的系统中终端中运行的应用如何在后台服务器进行注册的过程和方法。这种方法并未涉及到窄带无线网络的信道资源划分和规划。

中国专利申请cn201510445516.1)提供了一种包括分时的方式解决多个终端的信道竞争方法，未涉及信道如何定义和划分。

中国专利申请cn201710207828.8)提供了一种定义lora网络拓扑结构的方法及系统，并未涉及信道的定义和资源划分。

中国专利申请cn201610390216.2提供了一种基于时间分配的动态的信道竞争方法。该方法中提出对信道从时间上进行划分，但是未涉及到频率、带宽等参数，因此，在应用中仍然不够灵活。

中国专利申请cn201610783275.6提供了一种基于区域划分使用不同扩频码的信道访问控制方法，并未涉及频谱资源、信道的划分和动态调整。

中国专利申请cn201610783347.7提供了一种信道接入控制方法，其特征在于利用定位技术将lora终端按照距离划分区域，在不同的区域分配不同的信道，但并未涉及频谱资源、信道的划分和动态调整的具体方法。

综上分析，现有技术手段以及已经申请发明专利中对于解决频谱环境变化、信道变化和业务变化等复杂情况下，未授权频谱资源的动态利用问题，并未提供好的解决方法。

发明内容

本发明正是针对上述这种复杂环境下，提出有效无线网络信道资源划分和动态调整策略，以解决好频谱资源、信道环境、业务的良好适配，提高信道资源使用效率、系统容量和信道可靠性。

本发明提出一种低功耗窄带无线网络信道资源划分方法。所涉及低功耗窄带网络至少包括服务器、网关和终端。本发明提出的信道资源划分方法主要步骤及其特征在于：

a)服务器定义最小无线信道单元；

b)服务器根据当前网络环境将可用无线信道资源切片为最小信道单元；

c)服务器向网关发送网关可用无线信道资源列表；

d)服务器通过网关向所属区域终端广播终端可用信道资源列表；

e)服务器根据信道监测、信道使用和业务需求更新无线信道资源划分策略。

进一步地，所述的无线网络信道资源划分方法步骤a)的特征还在于服务器通过无线信道的频点、带宽、时间定义最小可用信道单元。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤b)的特征还在服务器以最小可用信道单元为基本单元，将当前网络可用信道资源进行切片。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤c)的特征还在于服务器向网关发送用于网关使用的可用信道资源列表，包括网关到终端的下行信道资源和终端到网关的上行信道资源；若存在网关之间的通信，还包括网关与网关之间的信道资源。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤d)的特征还在于服务器通过网关向所属区域终端广播可用的信道资源列表，包括终端到网关的上行信道资源列表和网关到终端的下行信道资源列表。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤e)的特征还在于服务器对当前网络信道环境进行监测、统计信道使用效率、信道质量，结合当前网络、网关所属区域所承载的业务特点对无线信道资源重新划分。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤b)中进行切片其特征还在于，将信道资源切片后，用一组编码数据表征一个信道切片，形成信道资源列表信息矩阵。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤c)和步骤d)中所述网关和终端之间的上行、下行信道资源划分，其特征还在于网关与终端之间的无线信道划分在用途上至少包括用于信令信道和业务信道。信令信道负责建立终端与网关、服务器之间的初始连接、维护网络运行。

进一步地，所述无线网络信道资源划分方法步骤c)和步骤d)中所述网关和终端之间的上行、下行信道资源划分，其特征还在于网关下行链路的信道资源至少考虑最大化维护网络连接，终端至网关上行链路的信道资源至少考虑业务需求和终端功耗等因素。

实施本发明所述窄带无线网络信道资源划分方法具有以下有益效果：通过对可用的信道资源进行以最小信道单元的定义和切片，使得信道资源的划分更加灵活，为网关、终端提供不同的信道资源策略，结合频谱资源环境变化、信道变化和业务变化，引入动态调整和更新机制，提高了信道资源使用效率、系统容量和信道可靠性。

附图说明

图1是本发明所述信道资源划分方法基本工作流程示意图；

图2是本发明所述方法实施例中信道资源的频谱划分；

图3是本发明所述方法实施例中信道资源的时间划分。

具体实施方式

为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本发明，下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

本发明提供的低功耗窄带无线网络信道资源划分方法的基本工作流程示意如图1所示。

步骤s100，服务器定义最小无线信道单元；服务器通过无线信道的频点、带宽、时间定义最小可用信道单元。

步骤s101，服务器以最小信道单元对信道资源进行切片；其特征还在于服务器以最小可用信道单元为基本单元，将当前网络可用信道资源进行切片。

步骤s102，服务器向网关发送网关可用信道资源列表；其特征还在于服务器向网关发送用于网关使用的可用信道资源列表，包括网关到终端的下行信道资源和终端到网关的上行信道资源；若存在网关之间的通信，还包括网关与网关之间的信道资源。

步骤s103，服务器通过网关向终端发送可用信道资源列表；其特征还在于服务器通过网关向所属区域终端广播可用的信道资源列表，包括终端到网关的上行信道资源列表和网关到终端的下行信道资源列表。

步骤s104，服务器更新无线信道资源划分策略；其特征还在于服务器对当前网络信道环境进行监测、统计信道使用效率、信道质量，结合当前网络、网关所属区域所承载的业务特点对无线信道资源重新划分。

实施例1

根据本发明提供的无线信道资源划分方法，结合lora无线网络，对信道进行划分的一个具体实施例如图2所示。

假设网关1工作于470mhz-510mhz频段，两侧各有100khz的保护间隔，信道划分如下：

(1)服务器将信道资源以100khz作为最小信道单元进行切片；

(2)服务器为网关1先分配一组下行信道组为f1，f2；

(3)服务器通过网关1向所属终端分配2个上行信道f8和f10；

(4)服务器为网关2分配了由4个最小信道单元组成的一组信道，包括f15，f16，f17，f18；

在该具体划分中，网关1和网关2获得不同的信道资源，这个是由于网关1所属终端距离较远，需要以较低的信息速率通信；而网关2所属的终端距离较近，信道环境较好，可以提供较高的信息速率，因此，分配更多的信道资源。

在该实施例中，网关1所属区域信道环境发生变化，f1，f2和受到干扰，通信质量下降；服务器评估附件信道后，为网关1分配了新的下行信道f5，f6，及时更新了信道划分策略。

在信道带宽划分中，当使用较低的lora调制带宽时，例如，7.8、10.4、15.6、20.8、31.2、41.7khz带宽，建议使用最小信道单元100khz。

当使用62.5khz，125khz调制带宽时，信道宽度为200khz，也就是2个最小信道单元。

当使用250khz调制带宽时，信道宽度为400khz，也就是4个最小信道单元。

当使用500khz调制带宽时，信道宽度为800khz，也就是8个最小信道单元。

当前中心频率：

fc＝f0+n*δf

δf为最小信道单元，f0为起始频率，n为最小信道单元的倍数。

在上述具体实施例中，信道资源是以频率和带宽作为主要参数进行划分的，也就是不同的信道占用不同的频段和带宽。

实施例2

根据本发明提供的方法，通过频率信道在时间上的划分，以满足不同的业务需求，具体划分如图3所示。

图3所示的信道划分策略中，网关与终端使用相同的频率信道，包括相同的频点和带宽。为了区分不同的业务信道，通过在频率和时间两个维度上区分。

信道1工作于频率f1，带宽为2个最小信道单元，也就是200khz。信道2工作于频率f2，带宽为4个最小信道单元，也就是400khz。信道1是用作信令信道，信道2是用作业务信道。

信令信道负责维护网络拓扑、网络同步、终端设备入网与接入、业务信道配置、低延迟接入业务。信令信道分为beacon域、join/access域、fastaccess域和lowdelayaccess(lda)域。不同的域占用信令信道不同的时间资源，起始于beacon域。

信道2被用于随机业务信道，实现接入基于事件驱动业务数据，随机业务信道在时间上被划分为时隙，终端以随机接入的方式在时隙中竞争接入网关。因此，如图3所示，信道2也是一种竞争接入信道(ca信道)。

在本发的实施例中，信道1和信道2所占用的频率及带宽、时间可以结合业务需求动态调整。实施本发明所述窄带无线网络信道资源划分方法明显提高了信道资源划分和分配的灵活度，根据业务需求动态调整，提高了信道资源使用效率。

本发明所述方法作为一种无线网络的信道划分方法，不限于在低功耗窄带无线网络中使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。