一種混合接入模式多跳網絡的組網方法及無線通信設備與流程

2023-06-14 21:09:16

本發明涉及一種混合接入模式的多跳蜂窩物聯網的組網方法，特別涉及一種由網關節點、中繼節點和終端節點三種邏輯節點形成的，含有多跳網絡的物聯網蜂窩的組網方法。

背景技術：

網狀網(Mesh Networks)是最常見的物聯網，或者稱為多跳自組網絡。網狀網中每一個節點都可以作為報文轉發節點，每一個報文轉發節點稱為」一跳」。網狀網的覆蓋範圍通過節點或「跳數」的增加，理論上可以無限延伸，因為新增加的節點都可以通過相臨的」一跳」節點轉發數據，從而實現和網絡中額任意一個節點通信。在傳統的網狀網或者多跳網絡中，相鄰節點之間，或者下遊節點與上遊節點之間都統一採用單一的接入方式。比如支持mesh的WiFi，Zigbee網絡採用的是競爭/隨機接入模式，WirelessHart採用的是TSMP/基於時隙的多路復用，LTE-Advanced採用的是OFDMA/時頻多路復用。但在全網採用單一的接入方式在實際應用中很許多局限性。特別的，對於覆蓋面廣，承載應用多種多樣的物聯網絡，全網統一的單一接入模式不夠靈活：

一方面，如果全網採用衝突概率可控的時分或者頻分多點接入模式，相鄰節點之間，或者下遊節點和上遊節點之間，需要定期做信令交互或者交換鏈路維護報文。對於一個節點數量多，網絡節點密度大的物聯網，支撐時分或者頻分多點接入模式所需的常規維護報文流量可能會超過實際的數據流量本身報文數量。對於數據發送頻率低，對接入衝突容忍度高的物聯網應用來說，為控制本來已經很低的衝突概率所消耗的常規維護報文或者信令開銷完全沒有必要。

另一方面，如果全網採用衝突概率比較高的競爭性或者隨機接入模式，讓多個下遊節點可以在任意的時刻或者頻點向上遊節點發送報文，不可避免的來自不同節點的信號在上遊節點的接收端會互相衝突，並且衝突概率隨著網絡容量的增長而惡化。在實際應用中限制了網絡的容量，並且導致頻繁的通信衝突使得上下遊節點的信號發送，接收或等待的電量消耗迅速提升，可能會導致部分節點的電量快速耗盡，使得整個網絡的變得很不穩定。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術之不足，針對傳統的多跳網絡和mesh(網狀網)網絡在全網採用單一的接入方式在實際應用中的局限性，特別的，對於覆蓋面廣，承載應用多種多樣的物聯網絡，全網統一的單一接入模式不夠靈活的問題，提供一種混合接入模式的多跳蜂窩物聯網的組網方法及一種支持所述樹狀多跳網絡中中繼節點的無線通信設備，允許一個多跳網絡中的每一跳的上下遊節點之間採取完全不同的接入模式，使得降低接入開銷和接入衝突概率這兩類目標可以在一個網絡的不同區域，或者不同應用中實現。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種混合接入模式多跳網絡的組網方法，網絡中包括：網關節點、中繼節點和終端節點三種邏輯節點；所述網關節點、其關聯的一個或多個中繼節點和終端節點組成一個蜂窩；網絡中包含多個蜂窩。

所述終端節點和所述網關節點通過建立直接連接或者間接連接進行通信，且通過直接連接接入網關節點的接入方式與通過間接連接接入網關節點的接入方式不同；所述間接連接包括在所述終端節點和所述網關節點之間連接有一個所述中繼節點，或者連接有由多個所述中繼節點組成的多跳網絡，所述終端節點接入中繼節點和中繼節點接入網關節點採用的接入方式不同；所述接入方式包括時分復用接入、頻分復用接入、空分復用接入或隨機接入。

優選的，所述網關節點接入一個或者多個中繼節點；接入多個中繼節點時不同中繼節點按照時分復用的接入方式在不同時隙和網關節點通信。

優選的，所述網關節點接入一個或者多個中繼節點；接入多個中繼節點時不同中繼節點按照頻分復用的接入方式使用不同的信號頻率和網關節點通信。

優選的，所述網關節點接入一個或者多個中繼節點；接入多個中繼節點時不同中繼節點按照空分復用的接入方式和網關節點通信，所述網關節點根據各中繼節點不同空間位置對應的信號傳播特性來區分各中繼節點的通信信號。

優選的，所述網關節點接入一個或者多個中繼節點；接入多個中繼節點時不同中繼節點按照隨機接入的方式，在同一個時隙或者頻點上競爭來和網關節點通信。

優選的，所述終端節點通過若干個中繼節點組成的多跳網絡間接和網關節點通信，每個上級中繼節點接入一個或多個下一級中繼節點並負責下一級中繼節點的通信轉發；不同級別的中繼節點採用不同的接入方式與上一級中繼節點通信。

優選的，所述終端節點通過由兩個中繼節點組成的多跳網絡間接和網關節點通信，所述終端節點接入下級中繼節點、下級中繼節點接入上級中繼節點、上級中繼節點接入網關節點採用的接入方式互不相同。

優選的，網絡中各蜂窩的中繼節點接入網關節點的接入方式、下級中繼節點接入上級中繼節點的接入方式、終端接入中繼節點或者終端節點直接接入網關的接入方式不同。

一種無線通信設備，支持一種混合接入模式多跳網絡的組網方法中的中繼節點，包括：一個或一個以上獨立的無線模塊；

每個獨立的無線模塊均包括無線收發器、中心處理器、存儲模塊和電池模塊；

所述中心處理器用於實現樹狀多跳網絡的組網方法和上級中繼節點的接入方式，並根據所採用的接入方式控制自身及無線收發器的喚醒或休眠時間；

所述無線收發器與所述中心處理器相互連接用於將接收到的無線信號送到所述中心處理器進行處理並將處理後的信號進行發送；

所述存儲模塊與所述中心處理器相互連接用於保存下一級中繼節點的連接信息；

所述電池模塊分別與所述無線收發器、中心處理器和存儲模塊連接用於為所述無線收發器、中心處理器、存儲模塊提供電源；

包括一個以上獨立的無線模塊時，所述無線模塊通過各自的中心處理器相互連接。

優選的，所述的獨立的無線模塊按照一種接入方式與網關節點或者上級中繼節點通信，並按照另外一種接入方式處理終端節點或者下級中繼節點的接入。

優選的，所述無線模塊運行在不同的無線通信標準或頻段上。

優選的，每一個無線模塊以單模單頻段或單模多頻段的形態獨立工作。

優選的，所述無線模塊之間通過有線數據接口或控制信號接口進行交互。

優選的，所述無線模塊之間通過時鐘信號接口或控制信號接口進行時鐘同步；所述時鐘同步包括時鐘頻率同步和時鐘相位同步。

優選的，每一個無線模塊可以獨立休眠或喚醒，每一個無線模塊還可以使用外部控制信號通過控制信號接口來喚醒其他無線通信設備。

本發明提供的技術方案帶來的有益效果是：

1、提供一種混合接入模式的多跳蜂窩物聯網的組網方法，允許一個多跳網絡中的每一跳的上下遊節點之間採取完全不同的接入模式，使得降低接入開銷和接入衝突概率這兩類目標可以在一個網絡的不同區域，或者不同應用中實現。

2、允許一個多跳網絡的每一跳根據需要採用不同的接入方式，而不是像的傳統的網狀網一樣採用傳統的單一接入或連接方式，實現了基於多跳網絡的廣域網絡覆蓋和大量連接的接入，避免了不必要的頻譜資源和電池能耗開銷。

3、一種無線通信設備的中心處理器用於實現樹狀多跳網絡的組網方法和上級中繼節點的接入方式，並根據所採用的接入方式控制自身及無線收發器的喚醒或休眠時間，從而降低了整個網絡的電池能耗。

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的一種混合接入模式多跳網絡的組網方法及無線通信設備不局限於實施例。

附圖說明

圖1為本發明的一種混合接入模式多跳網絡的組網示意圖；

圖2為本發明的一種無線通信設備的結構圖。

具體實施方式

參見圖1，一種混合接入模式多跳網絡的組網方法，網絡中包括：網關節點10、中繼節點20和終端節點30三種邏輯節點；

所述終端節點30和所述網關節點10通過建立直接連接或者間接連接進行通信，且通過直接連接接入網關節點10的接入方式與通過間接連接接入網關節點10的接入方式不同；所述間接連接包括在所述終端節點30和所述網關節點10之間連接有一個所述中繼節點20，或者連接有由多個所述中繼節20點組成的多跳網絡，所述終端節點30接入中繼節點20和中繼節點20接入網關節點10採用的接入方式不同。具體的，所述中繼節點可包括與網關節點10直接連接的一級中繼節點、與一級中繼節點連接的二級中繼節點…,與n-1級中繼節點連接的n級中繼節點，所述終端節點30可以直接和所述網關節點10連接，也可以根據需要和一級中繼節點或其他任一級中繼節點連接。

進一步的，所述接入方式包括時分復用接入、頻分復用接入、空分復用接入或隨機接入，t1,t2,t3,…,tn示時分復用接入，f1,f2,…,fn表示頻分復用接入,f1』,f2』,…,fn』表示空分復用接入，tw表示時間窗口tw內的隨機接入。圖1中，直接連接接入網關節點的終端節點30採用隨機接入方式，通過中繼節點間20接連接接入網關節點10的其他終端節點30採用頻分復用接入方式；所述終端節點30通過間接連接接入網關節點10時，所述終端節點30接入中繼節點20和中繼節點20接入網關節點10採用的接入方式不同。

一實施例之中，一個網關節點10接入一個或者多個中繼節點20；同一網關節點10接入多個中繼節點20時，不同中繼節點20按照時分復用的接入方式在不同時隙和網關節點10通信。

一實施例之中，一個網關節點10接入一個或者多個中繼節點20；同一網關節點10接入多個中繼節點20時，不同中繼節點20按照頻分復用的接入方式使用不同的信號頻率和網關節點通信。

一實施例之中，一個網關節點10接入一個或者多個中繼節點20；同一網關節點10接入多個中繼節點20時，不同中繼節點20按照空分復用的接入方式和網關節點通信，所述網關節點根據各中繼節點不同空間位置對應的信號傳播特性來區分各中繼節點的通信信號。

一實施例之中，一個網關節點10接入一個或者多個中繼節點20；同一網關節點10接入多個中繼節點20時，不同中繼節點20按照隨機接入的方式，在同一個時隙或者頻點上競爭來和網關節點通信。

進一步的，當終端節點30通過由兩個中繼節點20(如圖1中的A1、C1)組成的多跳網絡間接和網關節點10通信時，所述終端節點30接入下級中繼節點C1、下級中繼節點C1接入上級中繼節點A1、上級中繼節點A1接入網關節點GW採用的接入方式互不相同。

進一步的，當述終端節點30通過由兩個以上中繼節20(如圖1中的A1、A2、A3)組成的多跳網絡間接和網關節點10通信，每個上級中繼節點接入一個或多個下一級中繼節點並負責下一級中繼節點的通信轉發；不同級別的中繼節點採用不同的接入方式與上一級中繼節點通信。所述不同級別的中繼節點採用不同的接入方式與上一級中繼節點通信可以理解為，所有中繼節點間接入其他中繼節點的接入方式都不一樣,圖1中，中繼節點A3接入中繼節點A2、中繼節點A2接入中繼節點A1、中繼節點A1接入網關節點GW採用的接入方式互不相同。當然，所述不同級別的中繼節點採用不同的接入方式與上一級中繼節點通信還可以理解為，不同級別的中繼節點接入上一級別中繼節點的接入方式與其相鄰的中繼節點接入上一級別的中繼節點的接入方式不同，但與其不相鄰的中繼節點接入上一級別的中繼節點的接入方式可以相同，圖1中，中繼節點B4接入中繼節點B3採用的接入方式與中繼節點B3接入中繼節點B2採用的接入方式不相同,但中繼節點B4接入中繼節點B3採用的接入方式與中繼節點B2接入中繼節點A1採用的接入方式可以相同，都為時分復用的接入方式。

進一步的，一個中繼節點20可以接入一個或者多個終端節點30，一個中繼節點20接入多個終端節點30時，不同終端節點30按照時分復用的接入方式在不同時隙和中繼節點20通信；或者，不同終端節點30按照頻分復用的接入方式使用不同的信號頻率和中繼節點20通信；或者，根據各終端節點30不同空間位置對應的信號傳播特性來區分各終端節點30的通信信號；或者，不同終端節點30按照隨機接入的方式，在同一個時隙或者頻點上競爭來和中繼節點通信。

進一步的，所述網關節點10、其關聯的一個或多個中繼節點20和終端節點30組成一個蜂窩，網絡中包含多個蜂窩。相鄰蜂窩(網關及關聯的中繼節點)發送廣播信號的時隙叉開，在不同的固定時隙進行，並按照一定的規律進行頻率分配和復用，從而確保一個蜂窩(網關及其下的所有中繼節點)進行廣播的時隙和直接相鄰的蜂窩下的網關或中繼節點的廣播時隙不重疊，但有可能和不直接相鄰的蜂窩下的網關或中繼節點的廣播時隙重疊。具體的，把物聯網的服務區分為一個個正六邊形的小子區，每個小子區設一個網關節點，這樣形成了形狀酷似「蜂窩」的結構，因而把由一個網關節點、其關聯的一個或多個中繼子樹和終端節點組成網絡成為蜂窩，相鄰小子區組成的網絡稱為相鄰蜂窩。每一個蜂窩使用一組頻道，如果兩個蜂窩相隔足夠遠，可以使用同一組頻道，從而使得有限的頻率資源可以在一定的範圍內被重複利用。此外，當容量不夠的時候，可以減少蜂窩的範圍，劃分出更多的蜂窩，進一步提高頻率的利用效率。

網絡中各蜂窩內的中繼節點接入網關節點的接入方式、下級中繼節點接入上級中繼節點的接入方式、終端接入中繼節點或者終端節點直接接入網關的接入方式不同。具體的，可理解為，網絡中蜂窩A內的中繼節點接入網關節點的接入方式與網絡中蜂窩B內對應的中繼節點接入網關節點的接入方式不同；網絡中蜂窩A內的下級中繼節點接入上級中繼節點的接入方式與網絡中蜂窩B內對應的下級中繼節點接入上級中繼節點的接入方式；網絡中蜂窩A內的終端接入中繼節點的接入方式與網絡中蜂窩B內對應的終端接入中繼節點的接入方式不同，或者，網絡中蜂窩A內的終端節點直接接入網關的接入方式與網絡中蜂窩B內對應的終端節點直接接入網關的接入方式不同。

參見圖2，一種無線通信設備，支持一種混合接入模式多跳網絡的組網方法中的中繼節點，包括：一個或一個以上獨立的無線模塊40；

每個獨立的無線模塊均包括無線收發器401、中心處理器402、存儲模塊403和電池模塊404；

所述中心處理器402用於實現樹狀多跳網絡的組網方法和上級中繼節點的接入方式，並根據所採用的接入方式控制自身及無線收發器的喚醒或休眠時間；

所述無線收發器401與所述中心處理器402相互連接用於將接收到的無線信號送到所述中心處理器402進行處理並將處理後的信號進行發送；

所述存儲模塊403與所述中心處理器402相互連接用於保存下一級中繼節點的連接信息；

所述電池模塊404分別與所述無線收發器401、中心處理器402和存儲模塊403連接用於為所述無線收發器401、中心處理器402、存儲模塊403提供電源；

包括一個以上獨立的無線模塊40時，所述無線模塊40通過各自的中心處理器402相互連接。

優選的，所述無線模塊40同時承擔與網關節點10、其他中繼節點和終端節點30的通信，包括發送和接收數據。

優選的，所述的獨立的無線模塊按照一種接入方式與網關節點或者上級中繼節點通信，並按照另外一種接入方式處理終端節點或者下級中繼節點的接入。

優選的，所述無線模塊40運行在不同的無線通信標準或頻段上。

優選的，每一個無線模塊40以單模單頻段或單模多頻段的形態獨立工作。

優選的，所述無線模塊40之間通過有線數據接口或控制信號接口進行交互。

優選的，所述無線模塊40之間通過時鐘信號接口或控制信號接口進行時鐘同步；所述時鐘同步包括時鐘頻率同步和時鐘相位同步。

優選的，每一個無線模塊40可以獨立休眠或喚醒，每一個無線模塊40還可以使用外部控制信號通過控制信號接口來喚醒其他無線通信設備。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。