低功耗通信设备的唤醒策略和时隙寻优算法制造技术

低功耗通信设备的唤醒策略和时隙寻优算法，涉及通信领域，尤其涉及通过均匀唤醒低功耗通信设备以及优化工作时长以延长电池使用时间的方法，通过唤醒次数等参数确定唤醒时间表，使用低功耗通信设备的身份地址，在唤醒时间分别唤醒设备，提高数据发送成功率，减少功耗，进一步地，使用时隙寻优算法，优化每个设备唤醒后的工作时间，进一步减少功耗。

A wake-up strategy and a time slot optimization algorithm for low power communication devices

Low power communication equipment and time slot wake up strategy optimization algorithm, relates to the field of communication, in particular to the uniform wake low power communication equipment and optimize working hours to prolong the life time of the battery, the wakeup times of the parameters such as the wake-up schedule, using low power communication equipment identity address, in the wake of time awake, to improve the success rate of data transmission, reduce power consumption, further, using time slot optimization algorithm, optimization of each device to wake up after work time, to further reduce the power consumption.

【技术实现步骤摘要】
低功耗通信设备的唤醒策略和时隙寻优算法
本专利技术涉及通信领域，尤其涉及通过均匀唤醒低功耗通信设备以及优化工作时长以降低功耗、延长电池使用时间的方法。
技术介绍
随着社会和经济的进步，以及智慧城市建设步伐的推进，现代住宅建设日益集中式、高层化、智能化，用户使用的表具种类也日渐增多，包括电表、冷热水表、气表、热力表等。以往的抄表方式多采用人工上门进行采集，抄读周期长、效率低，且越来越不方便，已经不适应现代社会的发展需要，需要建设自动抄表系统。电力公司用电信息采集系统经过多年建设，技术成熟，并且由于电力表本身安装在电力线上，无论是供电还是传输，都可以比较方便地解决。其他种类的表具，要实现自动抄表，供电和传输网络都需要特殊考虑。目前的抄表系统，传输都使用无线网络，如公网或自建的专用网，表具终端使用电池供电，完成数据的上报。无论使用哪种传输网络，表具终端都使用低功耗器件，以达到延长电池使用时间的目的。数据上报不经常发生，一天上报一次就可以满足要求。为了保证成功率，一般控制表具终端一天上报2-3次。为进一步达到节电目的，表具终端在不上传数据时处于睡眠模式，功耗很低，需要上传数据时唤醒，上传完成后再进入睡眠模式。表具数据上传分为两种模式，被动召测和主动上报。被动召测模式下，表具终端的上位机，如基站或集中器，定时唤醒表具，进行数据召测。由于采用无线通信方式，为了避免上报数据在信道上发生碰撞，提高上报成功率，上位机每次只唤醒一个或一批表具终端进行上报，在一天或固定的时间段内（如一天报3次，固定的时间段为24/3=8小时），均匀唤醒所有表具终端，完成数据上报。唤醒指令广播发送，所有表具终端都需要接收并判断唤醒指令是否针对自己。由于上位机不断地发送唤醒指令，表具终端会为此产生大量功耗。该模式只适用于表具终端很少的情况。主动上报模式下，表具自动唤醒，唤醒后主动上报数据。唤醒的时间由表具根据表地址进行计算确定。表地址是唯一的（类似于网卡的物理地址），并且，基本上在一个抄表网络中使用的表具，其地址是连续的。这个是计算的基础。但如何使抄表网络中的表具终端在不同的时间点自动唤醒，以保证无线信道不发生冲突，且唤醒时间比较均匀地分布在一天或固定的时间段内，一直没有理想的解决方案。另外，表具终端主动唤醒后，发送数据，接收网络基站的确认信息，然后再次进入睡眠。如果可以及时收到确认，表具终端可以主动进入睡眠。但如果收不到确认信息，表具终端会一直等待，处于工作状态。由于表具终端有一天内发送几次以保证成功的机制，因此没有必要花费很长时间等待确认以降低功耗。为此，每次唤醒后表具终端都需设定一个工作时间间隙，在此间隙中完成发送和接收工作，过了这个时间间隙，进入睡眠。由于传输距离、中间遮挡等因素，不同表具终端完成传输工作的时间是不同的，为保证所有终端都能在工作时间间隙完成工作，目前的解决方案是取一个最大值（如1分钟），所有表具终端唤醒后，在此期间都是工作状态。但大多数表具终端，在远小于最大值的时间内可以完成工作，这就造成了多数表具终端在唤醒期间，有一段时间是处于无效工作状态，造成了电池的无谓消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种唤醒策略，能够在不同时间唤醒表具终端，并且在一个时间段内比较均匀的排布以避免信道冲突；另外，优化表具终端唤醒后的工作时间间隙，进一步降低终端能耗。为此，本专利技术采用的技术方案是：一种低功耗通信设备的唤醒策略，所述低功耗通信设备定时自动唤醒，唤醒后，在工作时间间隙内向网络基站上报数据，完成后进入睡眠，每个低功耗通信设备具有唯一的身份地址，低功耗通信设备的自动唤醒采用以下策略：低功耗通信设备每天上报n次，两个低功耗通信设备的上报时间间隔为t，将一天从0点到24点分成n个时间段，每个时间段内上报时间点的个数为M，。低功耗通信设备每天的唤醒时刻在下述时间点上：。其中，1≤k≤M，i为1到n的整数。进一步地，所述低功耗通信设备还使用优化算法选择信道，计算工作时间间隙：所述低功耗通信设备与网络基站使用LoRa方式进行通信。所述低功耗通信设备还使用优化算法选择信道，计算工作时间间隙，包括：首先进行参数选取，算法验证；算法内置于低功耗通信设备；低功耗通信设备初次使用时，向网络基站发送报文，获取发送和接收确认时间，根据上述时间和数学速度计算得出低功耗通信设备与网络基站间的数学距离；输入数学距离，输出信道参数及工作时间间隙；低功耗通信设备唤醒后，在输出的信道参数上工作，唤醒后的工作时间为计算得出的工作时间间隙。本专利技术使用在主动上报模式下，表具终端自动唤醒。表具终端内置唤醒程序，在预定时间唤醒表具终端进行工作。根据预先设定的表具终端每天上报的次数n，将一天划分为n个时间段，在每个时间段内，所有表具终端都要完成上报。由表具终端之间上报的时间间隔t得到每个时间段内上报时间点的个数M。如果是单信道系统的话，M是整个系统的表具终端容量。表具终端之间上报的时间间隔t一般是经验值，可以是表具终端上报过程的最长时间以保证每次上报的可靠性。理想状态下，在系统中工作的表具终端，唤醒时间定在每个上报时间点。为此，可以在组建网络时，根据上述过程得到的时间表，为每个表具终端写入唤醒时间，但这种方式需要单独处理每个表具终端，工作量大，在系统扩容时还需要进行调整。由于表具终端具有唯一的身份地址，并且在一个抄表网络中使用的表具终端，其地址基本上是连续的。mod(addr,M)为addr除以M所得的余数，为0到M-1的整数，以此为基础，分配表具终端的唤醒时间，可以保证在容量小于等于M时，表具终端的唤醒时间分布在上述时间点上。当网络增加表具终端时，也不用单独做处理。唤醒时间的基础是表具终端的晶振时钟。表具终端按上述算法计算出唤醒时间，依据自身的时钟，在唤醒时间自动唤醒。如果根据身份地址计算出的唤醒时间有冲突，可以调整后续的唤醒时间，避免冲突。另外，第一次发送数据成功后（既收到网络基站的确认回复），在一天内可以不再发送，因此，第一个时间段后的其他时间段内，只有少数或没有表具终端发送数据，进一步避免冲突。有益效果：每次只有一个表具终端发送数据，避免了在信道上发生碰撞，提高一次发送成功率，减少多次发送事件的发生，降低功耗；在此基础上，本专利技术还使用时隙寻优算法计算表具终端唤醒后的工作时间，使唤醒后的工作时间更接近实际工作时间，进一步降低功耗。附图说明图1是系统配置示意图，图2是唤醒时间表，图3是算法的拓扑图，图4是算法流程图，图5是matlab仿真图，图6是两种算法结果的比较图，图7是计算唤醒时间的流程图。具体实施方式下面描述的实施例是基于LoRa实现，系统配置如图1所示。LoRa（LongRange）采用了线性调频扩频调制技术，既保留了类似频移键控调制方式的低功耗特性，又明显提高了通信距离；LoRa技术基于扩频调制，不同扩频序列终端的信号彼此正交，即使采用相同的频率，同时发送数据也不会相互干扰。基于LoRa技术的网关利用该特性，可在同一时间、相同信道上并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。此外，其采用的前向纠错技术解决了节点数据并发丢包的问题，使得采集系统抗干扰性更强，数据传输也更为可靠。实施例中，基站采用Lora基带芯片SX1301，链路预算（发射功率-接收灵敏度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗通信设备的唤醒策略，所述低功耗通信设备定时自动唤醒，唤醒后，在工作时间间隙内向网络基站上报数据，完成后进入睡眠，每个低功耗通信设备具有唯一的身份地址，其特征在于：低功耗通信设备的自动唤醒采用以下策略：低功耗通信设备每天上报n次，两个低功耗通信设备的上报时间间隔为t，将一天从0点到24点分成

【技术特征摘要】
1.一种低功耗通信设备的唤醒策略，所述低功耗通信设备定时自动唤醒，唤醒后，在工作时间间隙内向网络基站上报数据，完成后进入睡眠，每个低功耗通信设备具有唯一的身份地址，其特征在于：低功耗通信设备的自动唤醒采用以下策略：低功耗通信设备每天上报n次，两个低功耗通信设备的上报时间间隔为t，将一天从0点到24点分成n个时间段，每个时间段内上报时间点的个数为M，低功耗通信设备每天的唤醒时刻在下述时间点上：其中，1≤k≤M，i为1到n的整数。2.根据权利要求1所述的低功耗通信设备的唤醒策略，其特征在于：低功耗通信设备的身份地址为addr，该设备的唤醒时刻为：其中，Ti为第i次唤醒时刻，mod(addr,M)为addr除以M所得的余数。3.根据权利要求2所述的低功耗通信设备的唤醒策略，其特征在于唤醒时刻为：其中，z0=0，zi-1为随机整数。4.根据权利要求3所述的低功耗通信设备的唤醒策略，其特征在于：如果第i次唤醒后，上报数据并成功收到基站的确认，则本次唤醒使用的zi-1作为固定参数存储，以后计算第i次唤醒时刻时使用该固定参数，不再使用随机整数。5.根据权利要求1所述的低功耗通信设备的唤醒策略，其特征在于：所述低功耗通信设备与网络基站使用LoRa方式进行通信；所述低功耗通信设备还使用优化算法选择信道，计算工作时间间隙，包括：首先进行参数选取，算法验证；算法内置于低功耗通信设备；低功耗通信设备初次使用时，向网络基站发送报文，获取发送和接收确认时间，根据上述时间和数学速度计算得出低功耗通信设备与网络基站间的数学距离；输入数学距离，输出信道参数及工作时间间隙；低功耗通信设备唤醒后，在输出的信道参数上工作，唤醒后的工作时间为计算得出的工作时间间隙；所述优化算法为时隙寻优算法，参数选取，算法验证包括以下步骤：算法采用四层网络的结构拓扑图，分别为输入层、传递层、修正层和输出层；输入层有1个节点，传递层和修正层节点个数相等，输出层有2个节点；αij为传递层与修正层之间的修正因子；vj1、vj2为修正层与输出层之间的权重；传递函数：x是表具终端与基站之间的数学距离，wi是每个通道对应的速...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春海，陈贺，张祖，张成锁，屈国旺，董彩宏，邱士勇，王永，王强，高胜国，常生强，翟志国，张奎仲，张向平，张权，王欣，胡金路，吴新兵，芦斌，崔振伟，刘晓龙，支智勇，
申请(专利权)人：石家庄科林电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13