1.本发明涉及物联网相关技术领域，尤其是指一种面向应急场景的双模低功耗通信方法。
背景技术：2.各种通信技术的涌现，造就了一批批优秀的物联网项目，其中常用的几种通信技术有lora、nb-iot、4g、zigbee、蓝牙、wifi等。其中nb-iot(窄带物联网)构建于蜂窝网络，只消耗大约180khz的带宽，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，主要为解决传统2g/3g/4g(gprs)网络不能满足物联网终端设备低功耗、低成本的问题。4g技术主要适用于大数据量的场景，同时4g网络的广泛部署，保证了网络连接的可靠性。
3.nb-iot有三种工作状态：
4.1.connected(连接态)：模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入idle模式，时间可配置。
5.2.idle(空闲态)：可收发数据，且接收下行数据会进入connected状态，无数据交互超过一段时会进入psm模式，时间可配置。
6.3.psm(节能模式)：此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置(t3412)，有上行数据需要传输或tau周期结束时会进入connected态。
7.在psm状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，不接收下行数据，只有终端主动发送上行数据时可接收iot平台缓存的下行数据，牺牲了下行链路设备的响应及时性。然而对于需要下行链路及时性的应急场景，就需要对设备进行唤醒。
8.目前将nb-iot终端唤醒的方法有两种：一种是通过终端定时发送上行数据来保持设备不进入psm状态，也就是维持心跳包的发送，这使得设备的功耗相对较高，且nb-iot的并发网络容量最多12个，多终端都在同时发送心跳时，极有可能产生因为网络并发容量不够而引起的终端数据发送失败。在这种情况下，甚至可能引起终端掉网，网络严重阻塞的问题；另一种方法是缩短psm周期来提高及时性，这也会使得功耗大幅增高。这些牺牲功耗来实现提高及时性的方法不符合nb-iot设计的初衷，无法满足低功耗的需求。
技术实现要素：9.本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种低功耗且满足数据传输需求的面向应急场景的双模低功耗通信方法。
10.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
11.一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，具体包括如下步骤：
12.(1)根据服务器记录设备上次连接的基站信息，设置接入同一基站下的nb-iot设备，设备进入edrx模式，通过配置ptw时间来实现，确保任意时间有一台设备处于ptw，能够收到下发指令；
13.(2)处于ptw的设备对收到下发数据进行分析，确定目标设备，如果是内网中其他设备，通过内网通信唤醒，紧接着目标设备重启，响应服务器；
14.(3)设计双模切换评估机制，对信息包含的数据量以及nb-iot模块通信质量进行判定，确定是否需要进行通信模块切换。
15.为了节省终端功耗，同时满足一定下行业务时延的要求，3gpp标准引入了edrx的概念(extended drx，扩展不连续接收模式)，在每个edrx周期内，有一个寻呼时间窗口(paging time window，ptw)，设备在ptw内按drx周期监听寻呼信道，以便接收下行业，其余时间终端处于休眠状态。edrx模式可以认为终端设备随时可达，但时延较大，时延取决于edrx周期配置，可以在低功耗与时延之间取得一定的平衡。因此，根据实际应急场景下物联网设备需求，结合对edrx模式的使用，本发明设计一种下行链路及时且设备相对低功耗，同时能满足大小数据量的数据进行可靠传输的方法。
16.作为优选，在步骤(1)中，具体操作方法如下：
17.(11)根据接入基站的nb-iot设备数量进行配置，nb-iot设备执行指令观察nb-iot设备的状态情况；
18.(12)对于同一基站下的所有nb-iot设备，需要进行内网通信进行协调，确保至少有一台设备接入网络，能够接收到来自外网的数据信息；
19.(13)其他的设备先使用at相关指令关闭psm状态，再对edrx模式进行配置，按照需求设置设备的ptw，以便后续寻呼；
20.(14)服务器根据上次记录的信息，向目标设备所在基站所有记录的nb-iot设备发送数据信息，信息内容包含指令和目标设备的相关信息，基站下至少一台在网的nb-iot设备收到信息，进行分析处理。
21.作为优选，在步骤(2)中，具体为：解析数据后，如果目标主机是本机，则立即按照指令做出反应；如果不是本机，则向基站的路由表中查询，再通过内网通信通知目标设备，目标设备处于ptw时即可收到相关信息。
22.作为优选，在步骤(3)中，具体操作方法如下：
23.(31)部署的物联网设备定时通过nb-iot模块发送相关at指令获取网络状况，从结果中直接提取得到信号强度csq、参考信号接收功率rsrp信息；
24.(32)进入双模切换评估模型，先对csq进行判定，当csq小于5时nb-iot不能正常工作，直接输出switch＝1，需要切换至4g模块；如果csq大于5，则对rsrp进行处理，判定rsrp＜46时，信号质量极差，重传次数过大直接选择切换至4g模块；若rsrp＞76，则说明信号质量极好，无需重传；
25.(33)当有数据输入时，统计数据量大小n，输入到双模切换评估模型中，结合前一步做的工作，对功耗进行计算，紧接着对4g模块的能耗进行计算，对能耗进行比较选择最佳通信方式，输出switch的值，即是否需要切换至4g模块通信。
26.作为优选，在步骤(33)中，当rsrp＞76时，功耗计算公式如下：
[0027][0028]
当rsrp＜76时，功耗计算公式如下：
[0029]
[0030][0031]
因为nb-iot模块单次最大支持512字节数据，所以n/512表示分包数，280是数据发送时耗流，5表示发送一个数据包需要的时间5ms，根据counts表示预估的重传次数。
[0032]
作为优选，在步骤(33)中，对4g模块的能耗进行计算公式如下：
[0033][0034]
因为以太网帧要求数据字段最大为1500字节，所以n/1500表示分包数，540为数据发送耗流，20表示发送一个数据包需要的时间20ms。
[0035]
本发明的有益效果是：保持了nb-iot设备低功耗的特性，显著提高了设备的响应及时性，做到了功耗和终端设备响应及时性的平衡，双通信模块保证设备通信的可靠及相对低功耗。
附图说明
[0036]
图1是edrx周期示意图；
[0037]
图2是nb-iot设备使用场景示意图；
[0038]
图3是nb-iot设备配置流程图；
[0039]
图4是nb-iot设备响应情况流程图；
[0040]
图5是nb-iot设备配置指令流程图；
[0041]
图6是双模切换评估机制流程图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
[0043]
一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，具体包括如下步骤：
[0044]
(1)根据服务器记录设备上次连接的基站信息，设置接入同一基站下的nb-iot设备，设备进入edrx模式，通过配置ptw时间来实现，确保任意时间有一台设备处于ptw，能够收到下发指令；如图3所示，具体操作方法如下：
[0045]
(11)根据接入基站的nb-iot设备数量进行配置，nb-iot设备执行指令观察nb-iot设备的状态情况；执行指令如下：
[0046]
1.at+cmee＝1开启错误提示；
[0047]
2.at+cscon＝i开启基站连接通知；
[0048]
3.at+cereg＝1开启注网通知。
[0049]
(12)对于同一基站下的所有nb-iot设备，需要进行内网通信进行协调，确保至少有一台设备接入网络，能够接收到来自外网的数据信息；
[0050]
(13)其他的设备先使用at相关指令(at+cpsms＝0)关闭psm状态，再对edrx模式进行配置，按照需求设置设备的ptw，以便后续寻呼；
[0051]
其中，edrx周期设置以及ptw时间配置指令：
[0052]
at+nptwedrxs＝[1，5[，(requested_paging_time_window)[，(requested_edrx_value)]]]
[0053]
如图1所示，是本发明中使用到的edrx周期示意图，其中在每个edrx周期内，有一
个寻呼时间窗口(ptw)，设备在ptw内按drx周期监听寻呼信道，以便接收下行业务。
[0054]
如图2所示，是本发明使用的场景，一个基站下接入了多个设备，设备之间没有优先级区别，服务器存储了设备接入的基站信息，其中对于设备的响应性要求高，对于下行链路的及时性有一定的要求。
[0055]
如图5所示，是nb-iot设备配置指令，其是对图3中步骤的处理指令。其中：步骤101，在第一次配置nb-iot设备时执行，便于观察nb-iot设备的状态。步骤102，用于关闭psm状态，防止psm状态设备的不响应对于有设备需求的场景下造成下行链路的断联，无法连接到设备。步骤103，配置edrx周期和edrx周期内的ptw时间，其中requested_paging_time_window表示计算得出的edrx周期内的ptw时间对应的4位bit，requested_edrx_value表示计算得出的edrx周期时间对应的4位bit。
[0056]
(14)服务器根据上次记录的信息，向目标设备所在基站所有记录的nb-iot设备发送数据信息，信息内容包含指令和目标设备的相关信息，基站下至少一台在网的nb-iot设备收到信息，进行分析处理。
[0057]
(2)处于ptw的设备对收到下发数据进行分析，确定目标设备，如果是内网中其他设备，通过内网通信唤醒，紧接着目标设备重启，响应服务器；
[0058]
具体为：解析数据后，如果目标主机是本机，则立即按照指令做出反应；如果不是本机，则向基站的路由表中查询，再通过内网通信通知目标设备，目标设备处于ptw时即可收到相关信息。
[0059]
如图4所示，是nb-iot设备响应情况流程图。通过内网通信协调，保证至少一台设备在网，能够收到下发的数据信息，对下发信息解析，解析数据后，如果目标主机是本机，则立即按照指令做出反应，如果不是本机，则向基站的路由表中查询，再通过内网通信通知目标设备，目标设备执行命令，响应服务器。
[0060]
(3)设计双模切换评估机制，对信息包含的数据量以及nb-iot模块通信质量进行判定，确定是否需要进行通信模块切换，保证应急场景下的通信质量及相对功耗低下；如图6所示，具体操作方法如下：
[0061]
(31)部署的物联网设备定时通过nb-iot模块发送相关at指令(at+csq和at+nuestats＝cell指令)获取网络状况，从结果中直接提取得到信号强度csq、参考信号接收功率rsrp信息；
[0062]
(32)进入双模切换评估模型，先对csq进行判定，当csq小于5时nb-iot不能正常工作，直接输出switch＝1，需要切换至4g模块；如果csq大于5，则对rsrp进行处理，判定rsrp＜46时，信号质量极差，重传次数过大直接选择切换至4g模块；若rsrp＞76，则说明信号质量极好，无需重传；
[0063]
(33)当有数据输入时，统计数据量大小n，输入到双模切换评估模型中，结合前一步做的工作，对功耗进行计算，紧接着对4g模块的能耗进行计算，对能耗进行比较选择最佳通信方式，输出switch的值，即是否需要切换至4g模块通信。
[0064]
当rsrp＞76时，功耗计算公式如下：
[0065][0066]
当rsrp＜76时，功耗计算公式如下：
[0067][0068][0069]
因为nb-iot模块单次最大支持512字节数据，所以n/512表示分包数，280是官方文档中给出的数据发送时耗流，5表示发送一个数据包需要的时间5ms，根据counts表示预估的重传次数。
[0070]
对4g模块的能耗进行计算公式如下：
[0071][0072]
因为以太网帧要求数据字段最大为1500字节，所以n/1500表示分包数，540为官方文档中给出的数据发送耗流，20表示发送一个数据包需要的时间20ms。
[0073]
本发明主要分为两个重要技术点：首先，为了解决nb-iot设备的响应及时性不高，提高响应及时性会造成功耗升高的问题，本发明提供了一种面向nb-iot设备的功耗和响应及时性的平衡方法，改善nb-iot设备响应及时性低的问题，并且有效缓解了为了提高响应及时性而带来的功耗提高的问题；其次，由于nb-iot带宽较窄，单次传输量小等各种限制，可能会导致多次重传，功耗相对提高，因此本发明搭载4g(ec20)与nb-iot两个模块，通过一种双模切换评估机制，决定通信模块的使用，进而保证设备与服务器正常通信，同时保证相对功耗低下。
[0074]
nb-iot设计主要用来满足对下行链路要求不高的领域，但为了保证一定的下行效率，引入了edrx模式，对于nb-iot设备的功耗和响应及时性的平衡方法，详见步骤(1)和步骤(2)。因为nb-iot处于edrx模式时就没有连接至外网了，收不到外网直接到达的数据信息，但是处于edrx中的ptw时，能够收到内网中的寻呼信息，所以本发明主要使用的是内网通信原理，保证至少一台设备在网，接收来自外部网络的数据，进行解析和处理。总体来说，同一基站下同时只有一台设备在connect状态，能耗相对较高，保证总体设备的功耗相对低水平，同时通过设置设备的ptw时间，能够有效的控制下行指令的响应时间，做到了功耗和响应及时性的相对平衡。
[0075]
日常情况下，使用设备上的nb-iot模块进行通信，来保证总体功耗水平低下。但是由于nb-iot的带宽比较窄，同时由于nb-iot单次最大支持512字节数据，所以对于图片等大数据量的信息，需要多次分包发送，耗时比较长，冗余量也比较大，发送较长的数据容易丢失，造成多次重传，相比之下应用4g模块来处理，能耗相对较低。所以本发明通过一种双模切换评估机制来计算是否需要切换4g模块来通信，详见步骤(3)。
[0076]
为了节省终端功耗，同时满足一定下行业务时延的要求，3gpp标准引入了edrx的概念(extended drx，扩展不连续接收模式)，在每个edrx周期内，有一个寻呼时间窗口(paging time window，ptw)，设备在ptw内按drx周期监听寻呼信道，以便接收下行业，其余时间终端处于休眠状态。edrx模式可以认为终端设备随时可达，但时延较大，时延取决于edrx周期配置，可以在低功耗与时延之间取得一定的平衡。因此，根据实际应急场景下物联网设备需求，结合对edrx模式的使用，本发明设计一种下行链路及时且设备相对低功耗，同时能满足大小数据量的数据进行可靠传输的方法。
[0077]
本发明基于嵌入式设备，主要采用c语言实验各项功能，由于c语言具有执行速度
快，对底层硬件友好的特性，可以保证本发明在实时性以及可靠性方面得到有效保障。本发明的核心技术点在于：
[0078]
1)采用低功耗nb-iot通信和高功耗4g通信协同，针对少量数据，以及维持链路的心跳数据采用nb-iot通信，针对图像及视频根据当前的链路状态以及传输的数据量，有选择的采用4g通信和nb-iot通信。
[0079]
2)针对nb-iot难以保持长链接导致的下行链路实时性较差的问题，提出一种以基站为路由节点的轮询式唤醒机制。利用内网处于工作状态nb-iot节点不断唤醒其他处于ptw状态的nb-iot节点，避免多个nb-iot节点同时保持长链接。
技术特征：1.一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，其特征是，具体包括如下步骤：(1)根据服务器记录设备上次连接的基站信息，设置接入同一基站下的nb-iot设备，设备进入edrx模式，通过配置ptw时间来实现，确保任意时间有一台设备处于ptw，能够收到下发指令；(2)处于ptw的设备对收到下发数据进行分析，确定目标设备，如果是内网中其他设备，通过内网通信唤醒，紧接着目标设备重启，响应服务器；(3)设计双模切换评估机制，对信息包含的数据量以及nb-iot模块通信质量进行判定，确定是否需要进行通信模块切换。2.根据权利要求1所述的一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，其特征是，在步骤(1)中，具体操作方法如下：(11)根据接入基站的nb-iot设备数量进行配置，nb-iot设备执行指令观察nb-iot设备的状态情况；(12)对于同一基站下的所有nb-iot设备，需要进行内网通信进行协调，确保至少有一台设备接入网络，能够接收到来自外网的数据信息；(13)其他的设备先使用at相关指令关闭psm状态，再对edrx模式进行配置，按照需求设置设备的ptw，以便后续寻呼；(14)服务器根据上次记录的信息，向目标设备所在基站所有记录的nb-iot设备发送数据信息，信息内容包含指令和目标设备的相关信息，基站下至少一台在网的nb-iot设备收到信息，进行分析处理。3.根据权利要求1所述的一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，其特征是，在步骤(2)中，具体为：解析数据后，如果目标主机是本机，则立即按照指令做出反应；如果不是本机，则向基站的路由表中查询，再通过内网通信通知目标设备，目标设备处于ptw时即可收到相关信息。4.根据权利要求1所述的一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，其特征是，在步骤(3)中，具体操作方法如下：(31)部署的物联网设备定时通过nb-iot模块发送相关at指令获取网络状况，从结果中直接提取得到信号强度csq、参考信号接收功率rsrp信息；(32)进入双模切换评估模型，先对csq进行判定，当csq小于5时nb-iot不能正常工作，直接输出switch＝1，需要切换至4g模块；如果csq大于5，则对rsrp进行处理，判定rsrp＜46时，信号质量极差，重传次数过大直接选择切换至4g模块；若rsrp＞76，则说明信号质量极好，无需重传；(33)当有数据输入时，统计数据量大小n，输入到双模切换评估模型中，结合前一步做的工作，对功耗进行计算，紧接着对4g模块的能耗进行计算，对能耗进行比较选择最佳通信方式，输出switch的值，即是否需要切换至4g模块通信。5.根据权利要求3所述的一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，其特征是，在步骤(33)中，当rsrp＞76时，功耗计算公式如下：当rsrp＜76时，功耗计算公式如下：
因为nb-iot模块单次最大支持512字节数据，所以n/512表示分包数，280是数据发送时耗流，5表示发送一个数据包需要的时间5ms，根据counts表示预估的重传次数。6.根据权利要求3所述的一种面向应急场景的双模低功耗通信方法，其特征是，在步骤(33)中，对4g模块的能耗进行计算公式如下：因为以太网帧要求数据字段最大为1500字节，所以n/1500表示分包数，540为数据发送耗流，20表示发送一个数据包需要的时间20ms。
技术总结本发明公开了一种面向应急场景的双模低功耗通信方法。它具体包括如下步骤：根据服务器记录设备上次连接的基站信息，设置接入同一基站下的NB-IoT设备，设备进入eDRX模式，通过配置PTW时间来实现，确保任意时间有一台设备处于PTW，能够收到下发指令；处于PTW的设备对收到下发数据进行分析，确定目标设备，如果是内网中其他设备，通过内网通信唤醒，紧接着目标设备重启，响应服务器；设计双模切换评估机制，对信息包含的数据量以及NB-IoT模块通信质量进行判定，确定是否需要进行通信模块切换。本发明的有益效果是：保持了NB-IoT设备低功耗的特性，显著提高了设备的响应及时性，做到了功耗和终端设备响应及时性的平衡，双通信模块保证设备通信的可靠及相对低功耗。保证设备通信的可靠及相对低功耗。保证设备通信的可靠及相对低功耗。
技术研发人员：赵驿
受保护的技术使用者：浙江心擎医疗科技有限公司
技术研发日：2022.06.16
技术公布日：2022/11/1
