一种基于双频共用天线的物联网设备的通信控制方法

本发明属于物联网通信，涉及一种基于双频共用天线(窄带物联网(nb-iot)和低功耗蓝牙(ble))的物联网设备的通信控制方法。

背景技术：

1、把物联网监测设备应用于野外环境下时，需要克服通信网络难以全面覆盖和设备难以维护的困难，另外对于下发控制类这种对通信响应实时性具有一定要求的应用场景，还将在续航方面给大多数使用电池进行供电的野外监测设备带来不小的挑战，因此如何在降低功耗的同时提高野外物联网设备的通信响应实时性也成为了一个难题。

2、随着物联网技术的发展，低功耗蓝牙(ble)和窄带物联网(nb-iot)技术也得到更加广泛地应用，前者适用于传输数据量大、通信时延短和通信距离近的场景，后者适用于时延低敏感、传输速率要求相对较低和信号覆盖高需求的场景，两者都具有低功耗的特性。结合两种通信技术的优势，使用nb-iot进行野外监测数据的远距离传输和使用ble进行监测设备的维护，这种双模通信方式可以很好的满足野外监测的无线通信需求。另一方面，目前大多数的双模通信设备需要安装两根天线实现通信，这会增加野外监测设备的安装和维护成本，而双频共用天线则在此方面具有优势，但需通过合适的通信控制方法来保障双模通信的有序进行。

3、综上，亟需一种针对野外使用时能够在低功耗下提高通信响应实时性的基于nb-iot和ble的物联网设备双频共用天线的通信控制方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双频共用天线(窄带物联网(nb-iot)和低功耗蓝牙(ble))的物联网设备的通信控制方法，在满足野外监测的无线通信需求的同时，达到在低功耗下提高通信响应实时性的目的。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于双频共用天线的物联网设备的通信控制方法，具体包括以下步骤：

4、s1：物联网设备以周期t进行数据上报，每当周期t到达时，设备检测当前ble连接状态，若处于已连接状态，则对nb-iot待上传数据进行本地缓存并跳转到步骤s4；若处于未连接状态，则请求接入nb-iot并跳转到步骤s2；

5、s2：设备根据当前通信请求情况进行通信切换控制，接入nb-iot时跳转到步骤s3，接入ble时跳转到步骤s4；

6、s3：此时nb-iot占用信道，设备确定此次nb-iot上行传输的持续时长t1i，在此时段内设备维持nb-iot连接状态和进行数据传输，超出该时段后则跳转到步骤s5，其中t1i归属到上行传输时段t1中；

7、s4：此时ble占用信道，周期t中的所有时段都被占用，ble断连后将在一段时间内等待重连，在重连等待时间超时之前，设备维持ble广播的打开状态，超时以后检查本地是否有缓存的nb-iot待上传数据，若有则跳转到步骤s3，没有则跳转到步骤s5；

8、s5：此时处于通信空闲阶段，设备进入低功耗模式；根据ble响应最大时延t21max、nb-iot下行命令最大响应时延t22max及nb-iot和ble的连接最短有效时间t21min和t22min，再引入时间裕量δt∈(0,min{t21max-t21min,t22max-t22min})，计算得到nb-iot监听时长t21和ble广播时长t22并组成周期t2进行双模通信切换，在此期间若有通信请求则跳转到步骤s2，周期t到达时则跳转到步骤s1。

9、进一步，步骤s1中，设备需要本地维护一个时长为t的计时器，当计时值到达t后，代表nb-iot数据上报周期到来，同时重置计时值为0。

10、进一步，步骤s2中，所述通信请求情况包括需要进行nb-iot上行传输和需要进行ble连接。

11、进一步，步骤s3中，t1i为当前周期t中第i次进行nb-iot上行传输所持续的时长，确定t1i的方法为：根据nb-iot待上传数据量大小和单包最大传输字节数计算得到传输次数n确定t1i的取值；

12、其中，n的计算式如下：

13、

14、其中，m为nb-iot待上传数据量大小，l为单包最大传输字节数；

15、t1i的计算式如下：

16、t1i＝n×(ta+tb)+tc

17、其中，ta为传输单个数据包所允许消耗的最大时间，tb为相邻数据包的传输间隔时间，tc为nb-iot传输结束前的空闲等待时间，若此次nb-iot上行传输过程中待上传数据量发生变化，则需要重新计算t1i。

18、进一步，步骤s4中，所述一段时间是根据用户的需求进行自定义，但需高于ble的连接最短有效时间t22min。

19、进一步，步骤s5中，nb-iot监听时长t21和ble广播时长t22的计算步骤包括：

20、s51：对获取的参考信号接收功率s、信噪比η和设备剩余电量c进行归一化；归一化计算式如下：

21、

22、其中，x′为归一化后数据，x为实际采集数据，xmax为该参数最大值，xmin为该参数最小值。

23、s52：将归一化后的各个参数与相应权值进行加权处理，得到调整系数a；a的计算式如下：

24、a＝(w1s′+w2η′+w3c′)

25、其中，s′为归一化的参考信号接收功率，η′为归一化的信噪比，c′为归一化的设备剩余电量，w1、w2和w3为权值且满足(w1+w2+w3)＝1；

26、s53：根据调整系数a和t21、t22的最小上下限差值得到时间裕量δt；δt的计算式如下：

27、δt＝a×min{t21max-t21min,t22max-t22min}

28、s54：确定t21和t22的取值，t21和t22的计算式如下：

29、t21＝(t21min+t21max+δt)/2

30、t22＝(t22min+t22max-δt)/2。

31、本发明的有益效果在于：本发明所应用的物联网设备只需一根双频共用天线即可实现nb-iot和ble的通信，满足野外无线通信需求的同时降低了设备的安装和维护成本；同时通过合理地设置通信空闲状态下的双模通信占用时长，能够在低功耗下提高通信响应的实时性。

32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于双频共用天线的物联网设备的通信控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的物联网设备的通信控制方法，其特征在于，步骤s1中，设备需要本地维护一个时长为t的计时器，当计时值到达t后，代表nb-iot数据上报周期到来，同时重置计时值为0。

3.根据权利要求1所述的物联网设备的通信控制方法，其特征在于，步骤s2中，所述通信请求情况包括需要进行nb-iot上行传输和需要进行ble连接。

4.根据权利要求1所述的物联网设备的通信控制方法，其特征在于，步骤s3中，t1i为当前周期t中第i次进行nb-iot上行传输所持续的时长，确定t1i的方法为：根据nb-iot待上传数据量大小和单包最大传输字节数计算得到传输次数n确定t1i的取值；

5.根据权利要求1所述的物联网设备的通信控制方法，其特征在于，步骤s4中，所述一段时间是根据用户的需求进行自定义，但需高于ble的连接最短有效时间t22min。

6.根据权利要求1所述的物联网设备的通信控制方法，其特征在于，步骤s5中，nb-iot监听时长t21和ble广播时长t22的计算步骤包括：

技术总结
本发明涉及一种基于双频共用天线的物联网设备的通信控制方法，属于物联网通信技术领域。该方法将数据上报周期T划分为NB‑IoT上行传输时段T<subgt;1</subgt;和若干双模通信切换周期T<subgt;2</subgt;，其中T<subgt;2</subgt;由NB‑IoT监听时段T<subgt;21</subgt;和BLE广播时段T<subgt;22</subgt;组成；根据BLE响应最大时延T<subgt;21max</subgt;、NB‑IoT下行命令最大响应时延T<subgt;22max</subgt;及NB‑IoT和BLE的连接最短有效时间T<subgt;21min</subgt;和T<subgt;22min</subgt;，再引入时间裕量Δt，得到T<subgt;21</subgt;和T<subgt;22</subgt;，进而实施切换控制；当设备接收到NB‑IoT下行命令时立即响应，其所需时间T<subgt;1i</subgt;归属到T<subgt;1</subgt;中；当BLE连接时T被完全占用，设备将在BLE断连后对NB‑IoT待上传数据进行补传，其所需时间T<subgt;1i</subgt;归属到T<subgt;1</subgt;中。本发明针对野外使用的双频共用天线的物联网设备能够在低功耗下增强通信响应的实时性。

技术研发人员：向敏,周星旺,张昌剑,韩永,秦玲玲,王承泽,柏燚,任禹鹏
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15