CN106162844A - 基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法 - Google Patents

基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法，用于解决现有无线传感器网络MAC协议存在的网络容量较小、功耗较大及可扩展性不强的技术问题，实现步骤为：首先建立LoRa星型无线传感器网络；其次网关节点根据其到网内不同终端节点的距离将所有终端节点分为多个组，并按照其工作时序，将分出的每个组依次划分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段；最后网关节点在广播时间段发射广播信号以探测是否有待加入的终端节点，在同步时间段发送包含同步时间和时隙分配方案的信标帧，在数据交互时间段和到时唤醒的终端节点通信。可用于LoRa星型无线传感器网络多个终端节点与网关节点的远距离通信。

Description

基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种无线传感器网络MAC协议的实现方法，具体涉及一种基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法，可用于LoRa星型无线传感器网络中多个终端节点与网关节点的远距离通信。
背景技术
LoRa(Long Range)技术是一种长距离的无线扩频调制技术，抗干扰性能强，能够最大限度降低电流消耗。它具有很大的灵活性，用户可以自行决定扩频调制带宽BW(7.8～500kHz)、扩频因子SF(6～12)和编码率CR(4/5、4/6、4/7、4/8)，覆盖所有可用频段，而且每个扩频因子均呈正交分布，多个传输信号可以占用同一信道而互不干扰。LoRa无线模块是一种采用了LoRa调制技术的无线收发器。LoRa无线模块采用独特的CAD空闲监听技术，在抗阻塞和选择性方面具有优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题，可以实现长距离、低功耗通信。城市环境中可达3km,空旷环境可达15km；休眠电流0.2uA，接收电流12mA。根据测试，LoRa无线模块在1kbps的速率下可以单跳覆盖5000户的小区。这意味着，使用简单的星型组网就可以建立LoRa微功率网络，比较适合用于星型无线传感器网络，如在户外或跨楼宇采集水、电、温湿度等信息。
无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)是由部署在特定区域内大量的静止或移动的微型传感器节点通过无线通信的方式形成的一个多跳分布式自组织网络系统，以协作地感知、采集、处理和传输感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。由于其功耗、成本等技术的限制，现有的无线传感器网络大都使用zigbee技术，传输距离300米左右，必须采用多跳才能覆盖较大的区域。现有的无线传感器网路的缺点是：要想扩大覆盖的范围需要复杂的路由转发技术，功耗较大，降低了传感器节点的使用寿命。降低节点的能量消耗成为WSN首要考虑的因素，而WSN中节点的通信是由MAC(Medium AccessControl)协议控制的。
MAC协议是控制数据帧在介质上进行传输的协议，其位于数据链路层，主要负责控制与连接物理层。从接入方式来看，可以分成两种：竞争类和时分复用TDMA类。竞争类MAC协议是一种自适应的MAC协议，一般采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access)机制，即载波侦听多路访问。竞争类的优点是：算法简单，容易实现，同时方便扩展网络；缺点是：可能产生的冲突带来能量的损失、更多的延时以及后续冲突。时分复用类MAC协议是节点将时间分成时隙，通信双方都是严格地在自己分配的时隙内进行通信，从理论上讲是没有冲突的。
T.W.Carley et al.,“Contention-free periodic message scheduler mediumaccess control in wireless sensor/actuator networks”,in Proceedings of 24thIEEE Inernational Real-Time Systems Symposium(RTSS’03),Cancun,Mexico,Dec..2003,pp.298-307.Carley等在文中提出的TDMA-MAC协议使用了调度计划信号。调度计划信号使用周期信号模式建立调度计划，保证在发送或接收信息的过程中没有竞争，甚至调度计划信号本身也不会有竞争。首先，通过分配消息的归属，设置调度计划信号，然后，将消息归属分配到每个任务，设置工作任务。此类协议的优点是：节省电能，最大化使用带宽；缺点是：所有节点需要精确的时钟源，且要周期性校时，向网络中添加和删除节点都要有时隙分配和回收算法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法，用于解决现有无线传感器网络MAC协议存在的网络容量较小、功耗较大以及可扩展性不强的技术问题。
本发明的技术思路是：首先，建立LoRa星型无线传感器网络，然后，网关节点按照其到不同终端节点的距离大小，将所有终端节点分为多个组，网关节点再按时序将每个组划分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段等，相关终端节点在约定好的唤醒时刻唤醒以和网关节点交互数据通信。
根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案，包括如下步骤：
(1)建立LoRa星型无线传感器网络；
(2)网关节点根据其到网内不同终端节点距离从小到大的顺序，将所有终端节点分为时间长度依次增加的多个组，每个组内的终端节点工作的扩频因子相同；
(3)网关节点按照其工作时序，将分出的每个组依次划分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段；
(4)网关节点在第一组的广播时间段发射广播信号，若其收到回应帧，则判断存在有待加入的终端节点；
(5)网关节点根据第一组网内终端节点和待加入终端节点的数量，生成包含同步时间和工作时隙分配方案的信标帧，并在该组的同步时间段发送生成的信标帧，组内终端节点收到信标帧后同步自己的时间，在获知工作时隙分配方案后休眠；
(6)在第一组内的数据交互时间段中，组内终端节点，在其获知的工作时隙分配方案中约定的唤醒时刻唤醒，并发送数据信息，网关节点依次接收并存储组内终端节点发送的数据信息；组内终端节点在自己的工作时隙消耗完后转入休眠，直到下一个唤醒时刻唤醒，从而进入唤醒-休眠模式；
(7)预留时间段，用于扩展第一组网络；
(8)网关节点将其余组依次作为第一组，重复步骤(4)～步骤(7)，直至所有组被网关节点轮询完成，网关节点的一个工作周期结束。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于采用LoRa星型无线传感器网络，增大了网关节点与终端节点之间的传输距离，且结构简单，与现有的分布式无线传感器网络相比，增大了网络容量，节省了成本，且易于实现。
2、本发明由于将每个组依次划分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段，网关节点在广播时间段探测待加入的终端节点，并在预留时间段为其分配时隙，与现有时分复用类协议仅划分同步段和数据段相比，使终端节点接入网络更加便捷，增加了无线传感器网络的可扩展性。
3、本发明中LoRa星型无线传感器网络的终端节点，由于采用LoRa技术及唤醒-睡眠的工作模式，与现有时分复用类协议使用的zigbee技术相比，进一步降低了终端节点功耗，并延长其使用寿命。
附图说明
图1是本发明的实现流程框图；
图2是本发明建立LoRa无线传感器网络的结构示意图；
图3是本发明对于终端节点的分组结构示意图；
图4是本发明中网关节点和终端节点的时隙分配图；
图5是本发明中终端节点的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤(1)建立LoRa星型无线传感器网络，其结构如图2所示。
因为LoRa采用独特的CAD空闲监听技术，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离和功耗的问题，可以实现长距离、低功耗通信，与现有技术相比，空闲侦听时功耗更低，所以，只需使用简单的星型组网就可以建立LoRa微功率无线传感器网络，比现有的无线传感器网络容易实现。
步骤(2)网关节点根据其到网内不同终端节点距离从小到大的顺序，将所有终端节点分为时间长度依次增加的多个组，其分组结构如图3所示。
LoRa传输距离越远，工作采用的扩频因子越大，网关节点按照到终端节点的距离从小到大分为不同的组，即划分为若干工作档位。由于扩频因子为6时传输距离太近，扩频因子为12时的速率太小，延时太大，所以本实施例按照上述方式分为五个组，工作时依次采用的扩频因子为7、8、9、10和11。依据公式(1)，LoRa的扩频因子越大，其传输速率越小，则每组分配的时间长度随扩频因子的增大而增大。
R b = S F × 4 4 + C R 2 S F B W - - - ( 1 )
其中，Rb是终端节点的传输速率，SF是扩频因子(6～12)，CR是编码率(1、2、3、4)，BW是传输带宽(7.8～500kHz)。
步骤(3)网关节点按照其工作时序，将分出的每个组依次划分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段。其中，网关节点和终端节点的时间分配方式如图4所示。广播时间段和预留时间段的划分是使终端节点接入网络更加便捷，增加了LoRa星型传感器网络的可扩展性。
步骤(4)网关节点在第一组的广播时间段发射广播信号，若其收到回应帧，则判断存在有待加入的终端节点，网关节点会将预留时间段的一个时隙划入数据交互时间段以供待加入的终端节点使用，若没有收到回应帧，则说明不存在要接入网络的终端节点。
步骤(5)网关节点根据第一组网内终端节点和待加入终端节点的数量，生成包含同步时间和工作时隙分配方案的信标帧，并在该组的同步时间段发送生成的信标帧，组内终端节点收到信标帧后同步自己的时间，在获知工作时隙分配方案后休眠，具体的工作时隙长度根据终端节点的发送速率来计算，发送速率越大，工作时隙相对较小。
步骤(6)在第一组内的数据交互时间段中，组内终端节点在其获知的工作时隙分配方案中约定的唤醒时刻唤醒，并发送数据信息，在自己的工作时隙消耗完后转入休眠，网关节点依次接收并存储组内终端节点发送的数据信息，组内终端节点的工作时隙长度相等，工作时隙是由已用段used和空闲段idle两部分组成，used部分用于数据交互通信，idle部分用于下发控制指令和当作“安全距离”，防止时钟漂移等带来冲突。
步骤(7)预留时间段，一般为几个时隙的大小，如果存在待加入的节点，网关节点会为其在预留时间段中分配一个时隙，该时间段设置的目的是为了增加网络的可扩展性。
步骤(8)网关节点将其余组依次作为第一组，重复步骤(3)～步骤(6)，直至所有组被网关节点轮询完成，网关节点的一个工作周期结束。
参照图2，G是搭载有LoRa的网关节点，N是搭载有LoRa和传感器的终端节点，LoRa星型无线传感器网络由一个位于中心位置的网关节点和多个终端节点组成。所有终端节点只和网关节点相互通信，终端节点之间不通信。
参照图3，网关节点根据其到网内不同终端节点的距离，从小到大依次将所有终端节点分为多个组，组内各终端节点工作的扩频因子相同，每组工作时依次采用的扩频因子为7、8、9、10和11。
参照图4，图4(a)是网关节点在每个组都依次分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段，并在数据交互时间段为组内的终端节点分配时隙，且组内终端节点的工作时隙相等，工作时隙是由已用段used和空闲段idle两部分组成；图4(b)是终端节点采用唤醒-休眠的通信模式，只在自身时隙处于唤醒状态，其余时隙处于休眠状态，降低了功耗。
参照图5，网络中终端节点的主程序逻辑。待加入的终端节点通过发送回应帧的方式成功加入网络后，等待网关节点分配时隙，如果是最初部署时的网内终端节点，则直接打开CAD检测侦听，等待网关节点分配时隙。然后，初始化实时时钟RTC和定时器，待到自己的时隙到来自动唤醒，上传传感器信息，完成通信后继续睡眠，启动定时器，等到下一个周期时隙到来唤醒，循环往复。
以上描述仅是本发明的具体实施方式，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法，包括了如下步骤：
(1)建立LoRa星型无线传感器网络；
(2)网关节点根据其到网内不同终端节点距离从小到大的顺序，将所有终端节点分为时间长度依次增加的多个组，每个组内的终端节点工作的扩频因子相同；
(3)网关节点按照其工作时序，将分出的每个组依次划分为广播时间段、同步时间段、数据交互时间段和预留时间段；
(4)网关节点在第一组的广播时间段发射广播信号，若其收到回应帧，则判断存在有待加入的终端节点；
(5)网关节点根据第一组网内终端节点和待加入终端节点的数量，生成包含同步时间和工作时隙分配方案的信标帧，并在该组的同步时间段发送生成的信标帧，组内终端节点收到信标帧后同步自己的时间，在获知工作时隙分配方案后休眠；
(6)在第一组内的数据交互时间段中，组内终端节点，在其获知的工作时隙分配方案中约定的唤醒时刻唤醒，并发送数据信息，网关节点依次接收并存储组内终端节点发送的数据信息；组内终端节点在自己的工作时隙消耗完后转入休眠，直到下一个唤醒时刻唤醒，从而进入唤醒-休眠模式；
(7)预留时间段，用于扩展第一组网络；
(8)网关节点将其余组依次作为第一组，重复步骤(4)～步骤(7)，直至所有组被网关节点轮询完成，网关节点的一个工作周期结束。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法，其特征在于，步骤(1)中所述的LoRa，在空闲侦听信道时采用CAD方式。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa的无线传感器网络MAC协议的实现方法，其特征在于，步骤(5)中所述的工作时隙，由已用段used和空闲段idle两部分组成，组内各终端节点的工作时隙长度相等。
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