一种基于时间敏感算法的窄带无线通信系统构建方法与流程

本发明涉及无线通信技术、物联网领域，特别是涉及一种基于时间敏感算法的窄带无线通信系统构建方法。

背景技术：

目前国内大多数企业在做物联网通信时都使用具有标准协议栈的通信方式，比如zigbee，wi-fi，lorawan等技术，这样的好处是研发投入少，产品上市快，弊端是过于标准化的东西在物联网碎片化，复杂多样性面前缺少灵活性，不能很好的解决行业的痛点。

lora是lpwan通信技术中的一种，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，其优点是远距离，低成本，标准化，低功耗。但是其劣势也非常明显，有效负载小造成网络容量偏小，设备间信道竞争及互相干扰，技术集中灵活性差。

在所有的无线应用中，有几个至关重要的因素是不能忽视的，第一个因素就是无线通讯的距离，在绝大多数情况下这个是由硬件芯片所决定的。第二个因素就是可靠性，但是这个因素往往比第一个因素更具有不确定性，因为通讯距离本身很容易测出来，只需要一收一发两个节点，几分钟之内就可以测试出来该系统的通讯能力了，但是可靠性的测试则要复杂得多，经常出现下面的情况：

(1)三五个节点做成的测试系统非常可靠，批量组网的几十个，数百个节点就不稳定了；

(2)几十个节点在通讯量不大的时候稳定，但是通讯频繁收发的时候就不稳定了；

(3)网络短时间运行稳定，长时间运行就会崩溃而无法恢复，形成僵尸网络。

所以可靠传输是无线通信技术的最基本的出发点。

技术实现要素：

本发明采用了lora模块构建网关设备和终端节点设备，利用其优点，同时为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于时间敏感算法的窄带无线通信系统构建方法，以解决窄带无线通信中自组网难，网络容量小，设备间信道竞争及互相干扰，实时性差，功耗高，灵活性差的问题。

本发明所涉及时间敏感算法的窄带无线通信系统由无线通信网关、无线通信终端节点，无线通信网络和无线通信协议组成，所采用的技术方案是：

无线终端节点ni和网关采用复用星型网络拓扑结构连接，所述复用星型拓扑结构为设置两个无线网关，分别为g1主无线网关和g2副无线网关，g1与无线终端节点组成主星型网络拓扑结构，g2与无线终端节点组成副星型网络拓扑结构，g1所在无线网络采用被动时间片方式进行通信，g2所在无线网络采用主动轮询方式进行通信，g1所在网络的通信方式实时性高，数据量小，而数据量过大时就会自动接入到g2所在网络，以保证数据传输的可靠性。

无线网关构造选用lora收发器，并对其外围电路做了优化，运用静态时延信道分配算法，其中一个信道为专用控制信道，用于发送下行数据，以保证控制命令的低延时传输，并分配多个信道用于接收无线终端节点的上行数据。

无线终端节点构造选用lora收发器，对其外围电路优化，运用单射频接口多信道动态时间分配算法，默认在设定时间内控制信道等待网关控制命令，上行信道在入网后由网关根据当前网络延时情况控制数据传输。

无线网关和无线终端节点采用双路全双工技术保证窄带无线网络的实时性，使终端节点设备的运行功耗降低。

无线通信协议在lora收发协议的基础上利用马尔科夫链对无线网络终端节点进行竞争窗口值优化，根据具体应用场景设置射频参数，结合数据合并周期上报机制来优化网络传输时延。

系统使用白名单授权接入机制，由无线网关设备管理网络内无线终端节点的自发现与自组网，本地设置网络的通信方式，接收发送频段，对无线网络终端节点白名单进行管理，添加或删除无线终端节点，本地管理更改无线网络和无线终端节点参数。

所述时间敏感算法，其特征如下：

g1所在无线网络采用优化的csma/ca算法、时分复用等竞争机制，在每个无线终端节点发送数据前设置一个时隙，以保护相同或相近距离的无线终端节点由于同时侦听到信道空闲而发生信道占用的冲突；对侦听操作进行同步，只有在保护时隙段内无线终端节点才对信道状态进行侦听；先侦听到信道空闲的无线终端节点立即占用信道，但在保护时隙内只占用信道，不发送数据，以保证其他后到达的侦听信号能够及时得到信道已被占用的信息；结合动态时隙aloha法，提供更多的时隙，直到有唯一终端节点为止；

g2所在无线网络使用贪心算法和穷举搜索思想结合，找到满足约束条件的最优分组，获得最大的网络容量，实现更高的复用增益评估算法在网络容量方面的有效性，保证每个时隙内至少有一个天线用于能量收集，确保每个时隙内有数据传输。

根据无线终端节点的不同分类和不同的应用场景，基于时间敏感算法的窄带无线通信协议可设置参数，分别支持周期上报型、不定期采集型、事件驱动型等类型的网络应用环境。

与现有技术相比，本发明的有益效果是采用基于时间敏感算法的窄带无线通信系统构建方法，可以提高系统可用性，增加网络容量，有效保证网络的整体安全性，提高吞吐率，最优避免信道冲突，并且将设备功耗保持在10微安级水平。

附图说明

图1为复用星型网络拓扑结构；

图2为无线网关与无线终端节点通信方式示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

初次架构基于时间敏感算法的窄带无线通信系统时，系统内无线终端节点的设备sn码存入到两个无线网关中，进行白名单入网管理，无线网关g1设置为被动时间片模式，无线网关g2设置为主动轮询模式。

g1定时同步网络中所有无线终端节点的时间，无线终端节点主动地向g1发送网络接入信息，某个终端节点想要发数据只能在自己的时间片内，不能大于系统分配的时间长度，要保证任务在需要执行的时候能够进入该执行的任务中。

无线终端节点在初次上电时默认通过控制信道发起连接请求，在成功连接网络后，g1会根据当前各个可用信道上节点分布情况和流量，优先选择一个负载最轻的信道，通过连接请求回复数据的形式告知终端节点。之后，该终端节点将使用该信道作为数据上报信道。

无线终端节点在每次数据上报前都会切换为数据信道，在完成数据上报后重新切换为控制信道。同时在各个信道上负载发生变化时，网关g1会对各个终端节点信道进行重新分配，来避免某个信道负载远远高于其他信道的情况出现。当数据超过设置的负载量时，不进行数据上报，等待g2网关的询问。

g2根据无线终端节点的sn号依次询问终端节点是否有数据需要发送，若某个终端节点有数据发送到g2，则g2开始处理接收到的数据。根据时间敏感算法，在同一响应周期内，无线终端节点不会同时对两个网关进行数据上报，这就保证了数据的可靠性。

根据本发明的一方面图2所示无线网关与无线终端节点通信方式，每个无线终端节点和无线网关通信都采用双路全双工传输，网关端设置双路射频模块，终端节点端一路射频模块通过信道切换进行双路通信，由无线网关来均衡数据发送的链路，即使一路出现意外掉线，另一路也能正常通信，保证了数据传输的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。