[发明专利]一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统

说明书

一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统，包括基于该方法构建的IoT系统；IoT系统包括IoT终端节点、IoT网关和IoT云端系统三部分。采用双物理信道，并在两个物理信道上设计介质访问控制机制，即MAC机制。物理信道为符合国家相关规范要求的免授权ISM信道；信道采用多种不同的物理层调制技术，包括但不限于Chirp调制LoRa信道和OFDM调制信道。在两个物理信中，一个信道为A信道，另外一个信道为T信道；A信道和T信道采用不同的MAC机制。本发明，使用便利、具有商业价值，能够适应工业场景严苛需求的无线组网技术，能改善工业物联网的应用现状，并促进工业物联网向更广泛、更深入的方向进一步发展。

技术领域

本发明涉及物联网(IoT)技术领领域，尤其涉及一种支持实时可靠业务的广域物联网组网方法与系统。

背景技术

物联网技术正在构建人类社会生产生活的新基础。今天，从智能穿戴，到智慧家居，到智慧城市，到工业4.0，许多行业正在向着更高效，更便利，更健康的方向发展，而物联网技术为所有这些变革提供了技术基础。

另一方面，与高度成熟和高度统一的互联网技术不同的是，物联网技术在不同行业和不同场景中呈现出差异化、场景化的特点。例如，穿戴IoT和智慧城市IoT就在功耗、带宽、覆盖范围等指标上存在巨大差异。这些场景差异吸引了许多不同背景科研和工程人员的努力，许多相关技术得到了发展。

在这些多样化的场景中，工业物联网代表了一类典型的需求。其联网通信的参与者为大量的工业设备，设备之间的频繁联系带来了较高的通信负载，同时，设备要求其通信必须高度可靠而且必须在限定时间内完成。其中，一些属于设备或过程异常告警的事件，要求在极短的时间内被响应。

工业物联网及其所代表的联网需求给物联网设计提出了挑战。其中，尤以容量、实时性和可靠性要求为甚。考虑中广域的联网范围约束(覆盖1千米以上)，一些高带宽但是只能小范围局部覆盖的物理层网络无法被使用，包括常见的IEEE 802.11系列无线局域网络LAN。

因此，需要在相对较窄带的物理底层网络上满足容量与实时性约束。这种窄带网络典型的有效带宽从几K或几十K bps到几百Kbps之间，例如LoRa网络，Sigfox网络，以及NB-IoT网络(运营商授权网络)。基于窄带承载，要设计出符合工业应用要求的IIoT网络，使得具备足够大的容量，并且可以提供实时的和可靠的通信变得非常有挑战。

事实上，虽然当下IIoT需求吸引了很多关注，但是既有技术和产品还没有给出比较好的方案。例如，在石油工业中很常见的WirelessHART网络，它基于IEEE 802.15.4的物理层网络，采用时隙同步与序列跳频(TSCH)技术，并通过多跳扩展方式延伸覆盖到km级，最大可以在一个网络中支持超过100个节点。WirelessHART较好地实现了消息的可靠传输和覆盖范围的线性扩展，在一定意义上代表了最近几年学术与工业界在IoT组网技术上的最新进展，但是它在消息实时性上仍然没有提供较好的能力，尤其是对异步事件引起的突发流量不能保证确定性的延迟。另外一种网络，LoRaWAN网络，则是一种采用不同技术方案但是更加热门的IoT网络。它采用星型拓扑，以组网简单、超低功耗、以及广域覆盖为典型特征，但是LoRaWAN在容量和可靠性上都不能满足工业应用需求。常见的还有一种ZigBee网络，属于一种历史更悠久的IoT网络技术，它和WirelessHART一样使用了多跳级联方式延伸扩展，具有低功耗的特点，但同样不能提供实时保证和容量保证。

以上几例都属于有国际标准化组织推动的IoT组网技术，属于全球标准。此外，实践中还有许多非标准的私有IoT网络，这类网络一般采用点对点组网技术，在抄表行业应用尤为普遍。这种网络组网非常简单，通信频次很低，同样无法应用与苛刻的工业场景。

由于缺乏足以匹配场景需求的无线组网方案，导致当前相当一部分工业物联网应用难以深入。许多工业物联网仍然依赖有线组网，尤其是许多核心的工业过程控制部分；或者部署了无线网络但是只能提供有限的、非实时的连接，用以支持一些对延迟不敏感的数据采集或者不关键的、低频的人工操作之类的功能。