CN107251531A - 用于在广域网中进行无线的固件更新的方法 - Google Patents

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Abstract

通过本发明能够实现FOTA方法在具有小吞吐量和低功率的LoRa网络中的实施。假定，在终端节点中以及在所述LoRa网关中使用的发送装置/接收装置能够选择确定的频率通道并且停用所述LoRa模式。如果所述扩频‑LoRa模式被停用，则在所述终端节点处和所述网关处的两个发送装置/接收装置取而代之地在使用基本的FSK频移键控Frequency Shift Keying调制方案的情况下工作。所述调制模式能够以减小“路径均衡”为代价提供较高的数据率，所述“路径均衡”说明，所传输的信号可能遭受多少衰减，而其还可以在所述接收装置处被解码。在使用具有高的数据率的FSK调制方案的情况下可以容易地实施FOTA方法，因为所述终端节点仅仅对于短的时间必须启用其接收装置。

Description

用于在广域网中进行无线的固件更新的方法
技术领域
本发明描述一种用于对于在具有小的吞吐量的广域网中的嵌入式节点提供无线地进行固件更新(FOTA——Firmware update Over-The-Air：固件无线更新)的方法。
背景技术
传统的无线通信标准设计用于低的(数百kbps)、中等的(数个Mbps)、高的(数十Mbps)和非常高的(数百Mbps)数据率，因为目标是在短的时间内传输中等的和大的数据量。
作为物联网(loT——Internet of Things)已知的事物的来临在消费者电子仪器市场上引起对低功率、低吞吐量、低电流消耗和大的作用距离的需求，也作为LPWAN(LPWAN——Low Power Wireless Area Network——低功率无线区域网络)已知。对这些网络解决方案的要求是：
·低吞吐量：loT设备中的大多数要求从仅仅几百bps至几十kbps的数据率。
·低的电流消耗：类似于具有低功率的经典的近距离解决方案，如例如ZigBee。
·低成本：发送装置/接收装置的价格在3-2美元的范围内
·大的作用距离：没有跳跃、也即在终端节点和到互联网的网关之间无中间节点，和作为广域网(WAN-Wide Area Network)使用的可能性。
在这里在以上提到的传统的无线通信标准中没有一个可以同时满足这四个要求：如GPRS这样的蜂窝无线电解决方案覆盖宽的区域并且提供低的吞吐量，但既不是成本有利的又不是低功率的。如ZigBee、6LowPAN或者Thread这样的基于IEEE 80215.4的技术不总是能够提供直到网关的无跳跃。基于IEEE 802.11x的技术不满足这些要求中的任何一个。
为了弥补这些技术空缺，研发了如超窄带-扩频这样的成熟的无线技术的新的实施方案。这些技术的例子是用于扩频或者超窄带的LoRa或者SigFox。两种技术能提供非常大的作用距离并且因此适合于作为具有蜂窝无线电拓扑结构的广域网使用。附加地，两种技术能够提供大的作用距离并且在此使用低的发送功率并且使用成本有利的发送装置/接收装置架构。
本发明涉及扩频-LoRa技术(Semtech的LoRaTM)和作为无线的通信工具使用地构造的loT设备的LoRa网络。典型地，LoRa网络由三个元件组成：
1.至少一个loT终端节点，所述至少一个loT终端节点包括成本有利的LoRa发送装置/接收装置
2.LoRa网关，所述LoRa网关包括高功率-多通道-LoRa发送装置/接收装置
3.网络控制单元(NCU——Network Control Unit)，所述网络控制单元管理LoRa网络。
LoRa技术非常灵活并且可以使所提供的数据率与在终端节点和网关之间的可变的距离相匹配。这通过选择合适的待使用的扩展因子(Spreizfaktor，SF)来执行，所述扩展因子确定用于传输数据所需要的时间：SF越大，则可达到的作用距离越大，但用于传输每个信息比特所需要的时间也越长和因此在通信过程中消耗的能量。
通过LoRa网络提供的低的数据率妨碍了终端节点实现用于无线更新其嵌入式固件的机制。该方法作为FOTA(Firmware Update Over-The-Air--固件无线更新)已知并且是在现今的消费者电子设备中的非常重要的特征。固件更新方法允许设备制造商减小其产品导入时间，其方式是，所述设备制造商开始销售其产品，即使所计划的功能性的完整的套装(Bundle)不完全可供使用。这样的附加的功能或者其他的完整的新的特征将随着固件更新而可用。此外，对于制造商而言也存在着这样的机会：消除软件组件中的错误，由此可以避免产品召回和/或减小修理与保养成本。当固件更新可以无线地执行并且数据率非常/超低时，固件的大小可能使FOTA方法的应用复杂化或者甚至完全防碍FOTA方法的应用。例如在欧盟，如果不使用LBT协议(Listen Before Talk——先听后发)，则通过规定在用于近距离设备的868MHz频带中以每小时1％的占空比限制传输时间，在小功率设备中通常是这种情况，以便不浪费能量。这相当于每小时36秒的传输时间。此外，在假定在嵌入式装置中的平均的固件大小大约100kByte并且用于完整地接收新的固件内容的1kbps的低的数据率的情况下，终端节点可能会需要接通其无线设备大约15分钟(包括通信协议-开销在内)。因为终端节点可以每小时仅仅36秒地使用其发送装置，所以完整的FOTA方法需要大于一天。
然而，在这种方法中的主要问题不是FOTA方法消耗的时间，而是在嵌入式系统中通过对于所需要的持续时间启用无线电接收装置而消耗的能量，嵌入式系统设计用于借助电池运行数年长的时间。
发明内容
在本发明中，提出一种用于在具有低吞吐量和低功率的LoRa网络中实施FOTA方法的解决方案。假定，在终端节点中使用的LoRa发送装置/接收装置以及在LoRa网关中的发送装置/接收装置能够选择确定的频率通道并且停用LoRa模式。当扩频-LoRa模式是停用时，在终端节点处和在网关处的两个发送装置/接收装置在使用基本的FSK调制方法(频移键控，Frequency-Shift-Keying)的情况下工作。典型地，这种调制方法能以减小在发送装置和接收装置之间的“路径均衡(Streckenbilanz)”为代价提供直至大约250kbps的数据率，所述“路径均衡”确定，所传输的信号能够遭受多少衰减，而其还可以在接收装置处被解码。与具有最短的扩展因子的LoRa模式相比，路径均衡典型地减小8dB之间的量值，或者，与具有最长的扩展因子的LoRa模式相比，其减小直至20dB。
在使用具有高的数据率的FSK调制方案的情况下，可以容易地实施FOTA方法，因为终端节点仅仅对于短的时间必须启用其接收装置。例如，在使用之前提到的例子中的数量和250kbps的FSK数据率的情况下，完整的固件的传送小于4秒。
由于无线电区域与距离平方成反比的相互关系，路径均衡减小意味着作用距离的大的减小。在使用熟知的经验法则——在路径均衡中获得的所有6dB使可达到的作用距离加倍——的情况下，从LoRa模式到FSK调制的切换导致可达到的作用距离以2至8的因子减小。这意味着，在切换到FSK调制的情况下，FOTA方法仅仅借助处于FSK区域内的节点成功。
为了解决该问题，通过本发明提出，选择在相应的频带中的另外的通道，在其中，允许的发送功率比在LoRa运行通道中高得多。这例如在欧洲是可能的，在868MHz频带中，在那，有运行能力的LoRa通道受14dBm的最大的发送功率限制，但在该868MHz频带中，通道可以以直至27dBm工作。这意味着至少13dB的路径均衡增益，这可能会又以因子4提高由于FSK调制而减小的作用距离。如果考虑到最长的扩展因子(SF12)，则这不完全补偿失去的路径均衡，但对于较短的扩展因子可行(见表1)。
LoRa扩展因子 与FSK的路径均衡差
SF7 5dB
SF8 8dB
SF9 11dB
SF10 14dB
SF11 16dB
SF12 20dB
表1
在美国，在920MHz频带中，有运行能力的LoRa通道被限制在22dBm的最大发送功率上，但通道可以以直至27dBm工作。该极限通过使用跳频方法提高直至30dB。
具体实施方式
在本发明的一种可能的实施方式中，终端节点为停车传感器，所述停车传感器可以识别，停车位是空闲还是被占用。关于停车位的状态的改变的信息通过停车传感器通过发送具有相应信息的LoRa消息来通知。该LoRa消息必须通过LoRa网关来接收，所述LoRa网关又借助于IP(互联网)连接发送信息至停车管理应用。当用于停车传感器的新的固件版本可用并且必须被导入时，网关开始以下方法：
a)在使用所述LoRa通信模式的情况下通知所述停车传感器：新的固件版本可用并且所述FOTA方法在任一时刻开始。为了避免冲突，相互处于作用距离内的网关按顺序启动更新方法。所述顺序通过NCU决定并且通知每个GW。所述通知包括用于固件更新的频率通道、固件大小、用于传输完整的固件的数据包的数量和完整的固件下载最大所需要的时间。
b)每个停车传感器必须确认该信息的接收。管理网络运行的网络控制单元(NCU——Network Control Unit)将检验，所有停车传感器已确认FOTA方法的接收。
c)NCU将新的固件下载到网关，所述新的固件被存储在网关的存储器中。
d)在所约定的时刻，停车传感器停用LoRa模式，发送装置/接收装置在所显示的通道中转换到FSK调制上并且启用其接收装置。
e)在相同时间，GW以预先确定的顺序也在所选择的通道中转换到FSK调制模式并且开始传输新的固件。根据固件大小，固件被分段并且必须被封装成小的数据块。然后给每个数据包附加顺序号，以便支持数据在终端节点侧上的再次组合。如果一些数据包必须重复，顺序号也将有帮助。
f)停车传感器监视所接收的每个包并且只要需要，则创建具有丢失的包的缺失的顺序号的列表。
g)一旦接收到具有所预期的最后的顺序号的包或者最大的下载时间到期，则停车传感器终端节点返回到其正常的LoRa模式中并且发送LoRa包，以便通知NCU关于FOTA方法的成功或者错误进程。如果方法出错，则停车传感器发送缺失的数据包的列表。根据缺失的固件部分的大小，NCU将决定，其是否应在使用LoRa模式的情况下重新发送具有缺失的顺序号的数据包，或者如果数据量大，则FOTA方法又可重新开始，但从现在起在使用点-点方法的情况下，这意味着对仅仅确定的停车传感器节点寻址以便重复FOTA方法。
h)如果NCU从所有相关的停车传感器接收到关于下载方法成功的通知，则所述NCU将向所述停车传感器发送以下信号：在给定的时刻实施所述更新方法。
i)如果接着停车传感器终端节点又开始实施新的固件版本，则借助于包括固件版本的LoRa数据包通知NCU。
对于本领域技术人员显然的是，该方法也可以容易地应用到具有LoRa网络架构的其他的loT应用上，在其中，对于终端节点定期地进行无线的固件更新是值得期望的。终端节点可以如在以上提到的例子中那样在空间上是固定的，或者是移动设备。
重要的是，在这里要注意，不应在具有27dBm的正常运行模式下使用FSK模式来扩大作用距离，因为这意味着，终端节点也必须使用相同的发送功率，这由于电流消耗问题而将不可能：显著地减小电池寿命。然而LoRa网关是网络相关的。
为了能够利用在本发明中描述的FOTA方法，相应地应根据所使用的终端节点的类型使用网络：
·在具有在空间上固定的终端节点的LoRa网络中，通过每个网关覆盖的区域应确定为仅仅包括以下具有LoRa扩展因子的终端节点：对于这些终端节点，能够通过相应地提高所述网关的发送功率来恢复通过所述LoRa模式的停用而引起的路径均衡减小。
·在移动的LoRa设备的情况下，仅仅当所述终端节点离网关足够近以便在通过所述FSK-路径均衡提供的作用距离之内可达到时，才实施所述FOTA方法。
本发明可以如在图1中示出的那样应用在每个参与LoRa网络的设备或者终端节点中。在该附图中，根据其离LoRa网关GW的相应的距离在使用具有不同的扩展因子的LoRa模式的情况下来运行网关GW以及终端节点。在该运行模式中，最大允许的发送功率为14dBm，并且也示出通过具有这样的发送功率的FSK调制提供的作用距离。在每个扩展因子和FSK调制之间可达到的作用距离的差也如根据表1那样以dBs为单位给出。如果准备终端节点和网关用于根据本发明的方法实施FOTA，则它们在868MHz频带中切换到所选择的通道，在该通道中允许27dBm的发送功率，见图2。终端节点在接收模式中也与该通道相协调。在27dBm的较高的发送功率的情况下，如在图2中示出那样，在使用FSK调制方法和高的数据率(例如250kbps)的情况下，通过网关传输的信号将达到与图1中的SF10相同的作用距离。在该模式中，可以在非常短的传输时间内导入新的固件，并且因此，终端节点对于仅仅非常短的时间必须接通其接收装置，这可能直至大于150倍地更短并且因此与在低的数据率的LoRa模式中实施相同的方法相比节省大量的能量。

Claims (6)

1.一种用于在LoRa网络中提供无线的固件更新(FOTA——Firmware Update Over TheAir：固件无线更新)的方法，其中，所述LoRa网络包括至少一个终端节点(N)和至少一个网关(GW)，其中，所述终端节点(N)包括LoRa发送装置/接收装置并且所述网关(GW)包括LoRa发送装置/接收装置，其中，在所述终端节点中使用的发送装置/接收装置和在所述LoRa网关中的发送装置/接收装置能够选择确定的频率通道并且能够启用和停用LoRa模式，
其中，当要在所述终端节点设置固件更新时，在所述网关中和在所述终端节点中停用所述LoRa模式，在所述终端节点处的发送装置/接收装置中和在所述网关处的发送装置/接收装置中启用借助FSK调制方案(Frequency Shift Keying：频移键控)起作用的固件更新模式并且由所述网关为所述终端节点提供无线的固件更新(FOTA)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固件更新模式在所选择的频率通道中起作用，所选择的频率通道不同于所述LoRa模式的频率通道，其中，相比在所述LoRa运行通道中，在对于所述固件更新模式选择的频率通道中允许的发送功率更高。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述终端节点(N)为在空间上固定的终端节点，并且通过每个网关(GW)覆盖的区域确定为仅仅包含那些具有LoRa扩展因子的终端节点，对于这些终端节点，能够通过相应地提高所述网关的发送功率来恢复通过所述LoRa模式的停用而引起的路径均衡减小。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述终端节点为停车传感器，所述停车传感器识别，停车位是空闲还是被占用。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在使用所述LoRa通信模式的情况下通知所述停车传感器：新的固件版本可用并且所述FOTA方法在任一时刻开始，其中，相互处于作用距离内的网关将按顺序开始更新方法，其中，所述顺序通过管理网络运行的网络控制单元(NCU——Network Control Unit)决定并且通知每个网关，其中，所述通知包括用于固件更新的频率通道、固件大小、用于传输完整的固件的数据包的数量和完整的固件下载最大所需要的时间；
b)每个停车传感器将在步骤a)之后确认信息的接收并且所述网络控制单元(NCU)检验，所有停车传感器已确认所述接收；
c)所述NCU将所述新的固件下载到所述网关，所述新的固件被存储在所述网关的存储器中；
d)在所约定的时刻，所述停车传感器停用所述LoRa模式，将其相应的发送装置/接收装置在所显示的通道中转换到FSK调制上并且启用其接收装置；
e)遵循预先确定的顺序的网关在所选择的通道中转换到FSK调制模式上并且开始所述新的固件的传输，其中，根据固件大小划分所述固件并且将其封装成分开的数据块，并且给每个数据包附加顺序号；
f)所述停车传感器监视所接收的每个包并且如果需要，则创建具有丢失的包的缺失的顺序号的列表；
g)一旦接收到具有所预期的最后的顺序号的包或者当预先定义的最大的下载时间到期时，每个停车传感器终端节点返回到其正常的LoRa模式上并且发送LoRa包，以便通知NCU关于FOTA方法的成功或者失败，并且如果所述方法出错，则所述停车传感器发送丢失的包的顺序号的列表；
h)如果所述NCU从所有相关的停车传感器接收到关于所述下载方法成功的消息，则所述NCU向所述停车传感器发送以下信号：在给定的时刻实施所述更新方法；
i)如果所述停车传感器终端节点又开始实施所述新的固件版本，则每个停车传感器借助于包括所述固件版本的LoRa数据包通知所述NCU。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述终端节点为移动的LoRa设备，并且仅仅当所述终端节点离网关足够近以便在通过所述FSK-路径均衡提供的作用距离之内可达到时，才实施所述FOTA方法。
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