CN107613478A - 一种lpwan物联网的终端自动注册方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，包括如下步骤：1)对ISM频段进行工作信道频点分配；2)选择部分信道作为缺省信道，组成缺省信道群；3)网络基站侧配置工作信道，至少包括一个缺省信道；4)终端侧注册时，从缺省信道群中随机选择一个发送注册消息，不成功可以多次重复；5)网络侧收到终端的注册消息后，对终端进行认证，成功则向终端返回注册接受消息，携带工作信道指示；6)终端收到注册接受消息，得到基站侧所有工作信道。本发明所达到的有益效果：本方法取得了很大进步，达到了终端快速注册的效果，节省了终端注册过程耗电，解决了多网共存时相互干扰问题，提高了网络工作信道通知效率。

Description

一种LPWAN物联网的终端自动注册方法

技术领域

本发明涉及一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，属于低功耗广域物联网通讯技术领域。

背景技术

在无线通讯技术领域，通讯双方必须要采取相同的频点，相同的调制方式才能进行通讯，因此终端必须得到网络的工作信道信息，才能将自己的工作信道参数调整到网络工作信道上来，进行相互通讯。

对于LPWAN(Low Power Wide Area Network：低功耗广域物联网)物联网，大部分网络工作在ISM频段，要求网络不能长时间占用信道发送广播信息，因此终端在网络接入前无法采用目前PLMN(Public Land Mobile Network：公共陆地移动网络)方式通过扫描侦听来得到网络的工作信道信息；而终端必须要进行网络注册，完成认证后才能和网络进行正常通讯，因此终端需要有一个注册频点确定方法来选择发送频点；同时网络需要有一种工作信道通知方法来通知终端，让终端知悉网络的所有工作频点，当网络工作信道变化时，必须及时通知给终端，双方信息需要同步。

目前在LoRaWAN(LoRa Wide Area Netwokr：一种LPWAN技术)的规范(LoRa联盟制定)中有两种注册频点确定和工作信道通知方式：

方式1：对于频段资源少的ISM频段定义几个连续缺省频点，终端注册均按照此缺省频点来发送注册请求；这时工作信道通知采用在注册接受消息中直接带工作信道中心频率方式来通知；

方式2：对于频段资源多的ISM频段，则要求终端在所有频点上随机发送注册消息；这时工作信道通知采用注册后通过另外的多条消息方式来通知。

上述方式1存在如下缺点：定义的多个缺省信道是连续的，这样不便于多个网络共同部署：多个网络并存时，会导致各网络信道无法隔离，这样网络间无线干扰严重，而ISM频段无法阻止多网共存。工作信道通知方法一个信道需要占用3个字节，物联网只能传送很短数据帧，传送工作信道信息数量有限；

上述方式2存在如下缺点：由于ISM频段较宽，信道数很多，一个网络的基站一般是覆盖部分频点，也就是只有少部分频点激活；而终端随机选择频点，最差情况下需要对所有信道广播遍历一次，终端发包次数很多，会导致两个后果：一是功耗消耗大，二是网络接入时间长。工作信道通知方法需要采用另外多条消息来传送，效率低。

因此现有的LoRaWAN的这种固定频点方式存在搜网不够灵活或全频点随机发送方法消耗时间过长的问题，工作信道通知方法存在通知数量少或效率低问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，解决了固定频点方式存在搜网不够灵活或全频点随机发送方法消耗时间过长的问题，同时解决了大量网络工作信道快速通知问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，包括如下步骤：

1)对ISM(Industrial Scientific Medical:免授权)频段进行工作信道频点分配，预先对LPWAN使用的所有工作信道的频点进行分配；

2)选择部分工作信道作为缺省信道，组成缺省信道群；

3)网络基站侧配置工作信道，至少包括一个缺省信道，随后激活配置的工作信道；

4)终端侧预先保存缺省信道群，终端开机搜网时，从缺省信道群中随机选择一个缺省信道，发送注册消息，每次发送选择不同缺省信道；如果全部选择完依然无法注册，则重新开始；

5)网络侧收到终端的注册消息后，对终端进行认证，认证成功后在终端注册接受消息中将当前网络工作信道掩码发送给终端；

6)终端收到注册接受消息后，进行解码，得到网络当前工作信道掩码，推导出网络当前所有工作信道频点，后续终端将在这些工作信道上进行正常收发包；

7)当网络调整工作子频段后，原有工作子频段去激活，终端丢失网络连接，将重新激活自动注册流程，进行网络注册；

8)当网络增加工作子频段，原有工作子频段依然激活，网络发起更新信道信息流程，将网络工作信道掩码同步给终端，终端得到后，更新工作信道列表；

9)当网络在不同区域设置不同工作子频段，终端移动后会丢失网络连接，于是重新激活自动注册流程，进行网络注册。

前述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤2)中对于一个ISM频段划分为多个子段，对每个子段内，划分一个缺省信道和多个非缺省信道，缺省信道和非缺省信道均可以作为工作信道。

前述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，对于ISM频段每个缺省信道和非缺省信道的频点的划分，采用如下方式：设计一个信道表，每个信道确定为一个信道编号，设计一个信道掩码ChMask(Channel Mask)来标识整个ISM频段各信道是否激活，信道掩码ChMask的每个Bit标识一个信道，Bit为1标识该信道激活，Bit为0标识信道非激活。

前述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤4)中终端注册的流程为：

终端预先需要保存网络的缺省信道频点表，并需要实现信道随机编排器，随机编排器负责将缺省信道频点表随机编排，保证每个信道出现概率相同；

终端需要保存一个激活缺省信道，该信道首次注册无效，在一次成功注册后保存生效，在使用该信道注册失败后删除无效；

当终端启动网络注册时，终端先判断激活缺省信道是否有效，如果有效，则采用该信道发送注册请求消息；如果无效，则通过信道随机编排器取一个缺省信道，发送注册请求；

当终端生成一个注册请求后，需要通过射频驱动模块驱动Modem芯片实现射频信号的发射，射频信号的收发通过天线发送给网络；

如果注册成功，则将选择的缺省信道保存到激活缺省信道中，用于后续丢失网络连接后的快速注册；同时需要对注册接受消息信道掩码ChMask解码，得到网络当前激活信道，保存到工作信道列表中，用于后续数据收发；

如果注册失败，需要重新通过信道随机编排器取一个新的缺省信道，重新发送。

前述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤5)中掩码最长为16字节，每个比特指示一个信道，最多可以发送128个信道信息。

前述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤6)中终端侧注册流程为：终端在一个缺省注册信道上发送注册请求消息给网络，携带终端标识和认证令牌，网络对终端进行认证后，返回注册接受消息给终端，同时把网络的当前激活信道表掩码ChMask传送给终端。

本发明所达到的有益效果：与LoRaWAN现有技术相比，本方法取得了很大进步，与固定缺省信道方式相比解决了多网共存时相互干扰问题；与所有频点随机发送相比达到了终端快速注册的效果，节省了终端注册过程耗电；提高了网络工作信道通知效率。

附图说明

图1是本方法ISM频段的信道分配表；

图2是信道掩码设计示意图；

图3是基站激活信道分配表；

图4是终端注册流程示意图；

图5是终端实现示意图；

图6是终端注册过程实现示意图；

图7是终端获取信道信息示意图；

图8是网络更新信道信息示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明所述终端自动搜网的方法包括以下步骤：

步骤1)对ISM频段进行频点分配：一般ISM频段都是有几M～几十M的频宽，例如中国470M频段有40M的频宽(470M～510M)。

预先需要对LPWAN使用的各个信道的频点进行分配好，例如LoRaWAN125KHz信道每个信道占用带宽为200KHz，中国470M频段可以分配200个信道。

步骤2)选择一部分信道作为缺省信道，这些缺省信道组成缺省信道群；例如对于LoRaWAN，可以每隔2M分配一个缺省信道。

如图1所示：对于一个ISM频段101，划分为多个子段102。对每个子段内，划分一个缺省信道103和多个非缺省信道104，103和104都可以作为业务信道。

图2中，信道编号＝Byte号×8+比特号。

对于这个ISM频段每个信道103或104频点的划分，可以设计为一个信道表，每个信道确定为一个信道编号，这样可以设计一个信道掩码ChMask(Channel Mask)来标识整个ISM频段各信道是否激活，如图3所示，ChMask的每个Bit(比特)标识一个信道，Bit为1标识该信道激活，Bit为0标识信道非激活。

步骤3)网络基站侧选择工作信道时，必须包含一个缺省信道，并激活该信道；如图3所示：对于一个基站来说，由于射频器件工作频段限制，只工作在部分子段102，基站要保证1～多个缺省信道103是激活的，同时激活1～多个非缺省信道104。

步骤4)终端侧预先保存缺省信道群，终端开机搜网时，从缺省信道群中随机选择一个缺省信道，发送注册消息，每次发送选择不同缺省信道；如果全部选择完依然无法注册，则重新开始。

步骤5)网络侧收到终端的注册消息后，对终端进行认证，认证成功后在终端注册接受消息中将当前网络工作信道掩码发送给终端，掩码最长为16字节，每个比特指示一个信道，最多可以发送128个信道信息；

步骤6)终端收到注册接受消息后，进行解码，得到网络当前工作信道掩码，推导出网络当前所有工作信道频点，后续终端将在这些工作信道上进行正常收发包；

终端注册流程如图4所示，终端401在一个注册信道上发送Join Request(注册请求)403消息给网络402，携带终端标识和认证令牌，网络402对终端进行认证后，返回JoinAccept(注册接受)404消息给终端401，同时把网络的当前激活信道表掩码ChMask传送给终端401。

通过这种方法，相对LoRaWAN网络搜索方式2可以将网络搜索次数从O(信道总数量)降低为O(缺省信道总数量)，终端网络注册时间大为缩短，注册过程耗电大大降低；

同时相对LoRaWAN网络搜索方式1缺省信道频点可以分离的较分散，多个网络共存时可以采用不同缺省信道，相互不干扰。

通过这种方法，相对LoRaWAN网络工作信道通知方法1，可以在不增加信令帧长的情况下，将通知工作信道数量从5个提升到128个；相对LoRaWAN工作信道通知方法2，无需采用另外MAC(Media Access Control：媒体接入控制)层命令来携带信道掩码，终端一注册立即得到网络工作信道。

具体步骤4)的内容如图5，示意了终端内部注册流程实现框图，为了实现和网络的通信需求，需要实现一个注册请求进程502，完成终端到网络注册。

终端预先需要保存网络的缺省信道频点表504，并需要实现信道随机编排器503，信道随机编排器503负责将缺省信道频点表504随机编排，保证每个信道出现概率相同。

终端同时有一个激活缺省信道301，终端启动时，激活缺省信道301无效，当一次成功注册后，保存当前缺省激活信道频点信息；当采用激活缺省信道301注册失败后，设置无效。

当终端启动网络注册302时，终端先判断激活缺省信道301是否有效，如果有效，则采用该信道发送注册请求消息；如果无效，则通过信道随机编排器503取一个缺省信道，发送注册请求。

当终端生成一个注册请求后，需要通过射频驱动模块505驱动Modem芯片506实现射频信号的发射，射频信号的收发通过天线507发送给网络。

如果注册成功，则将选择的缺省信道保存到激活缺省信道501中，用于后续丢失网络连接后的快速注册；同时需要对注册接受消息信道掩码ChMask解码，得到网络当前激活信道表保存到508中，用于后续数据收发。

如果注册失败，需要重新通过信道随机编排器503取一个新的缺省信道，重新发送。

通常，只要终端选择的缺省信道和基站激活的缺省信道匹配，注册请求就能够被基站成功接收。

图7示意了当终端注册成功后，可以随时发起获取信道信息示意流程，终端发送701消息～GetChannelInfoReq，这时网络会将自己激活信道掩码通过702消息～GetChannelInfoAck发送给终端。

图8示意了终端注册成功后，网络侧如果发生了激活信道变化(例如扩容场景)，原有激活信道部分或全部依然工作，这时网络可以通过原有信道更新终端当前的所有激活信道，网络发送801消息～UpdateChannelInfoReq，携带信道掩码，终端收到后，更新工作信道信息，同时回802消息～UpdateChannelInfoAck响应。

如果网络侧激活信道变化，原有激活信道全部去激活，则终端将掉网，终端会重新发起自动注册流程，获取网络工作信道。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，包括如下步骤：

1)对ISM频段进行工作信道频点分配，预先对LPWAN使用的所有工作信道的频点进行分配；

2)选择部分工作信道作为缺省信道，组成缺省信道群；

3)网络基站侧配置工作信道，至少包括一个缺省信道，随后激活配置的工作信道；

4)终端侧预先保存缺省信道群，终端开机搜网时，从缺省信道群中随机选择一个缺省信道，发送注册消息，每次发送选择不同缺省信道；如果全部选择完依然无法注册，则重新开始；

5)网络侧收到终端的注册消息后，对终端进行认证，认证成功后在终端注册接受消息中将当前网络工作信道掩码发送给终端；

6)终端收到注册接受消息后，进行解码，得到网络当前工作信道掩码，推导出网络当前所有工作信道频点，后续终端将在这些工作信道上进行正常收发包；

7)当网络调整工作子频段后，原有工作子频段去激活，终端丢失网络连接，将重新激活自动注册流程，进行网络注册；

8)当网络增加工作子频段，原有工作子频段依然激活，网络发起更新信道信息流程，将网络工作信道掩码同步给终端，终端得到后，更新工作信道列表；

9)当网络在不同区域设置不同工作子频段，终端移动后会丢失网络连接，于是重新激活自动注册流程，进行网络注册。

2.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤2)中对于一个ISM频段划分为多个子段，对每个子段内，划分一个缺省信道和多个非缺省信道，缺省信道和非缺省信道均可以作为工作信道。

3.根据权利要求2所述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，对于ISM频段每个缺省信道和非缺省信道的频点的划分，采用如下方式：设计一个信道表，每个信道确定为一个信道编号，设计一个信道掩码ChMask来标识整个ISM频段各信道是否激活，信道掩码ChMask的每个Bit标识一个信道，Bit为1标识该信道激活，Bit为0标识信道非激活。

4.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤4)中终端注册的流程为：

终端预先需要保存网络的缺省信道频点表，并需要实现信道随机编排器，随机编排器负责将缺省信道频点表随机编排，保证每个信道出现概率相同；

终端需要保存一个激活缺省信道，该信道首次注册无效，在一次成功注册后保存生效，在使用该信道注册失败后删除无效；

当终端启动网络注册时，终端先判断激活缺省信道是否有效，如果有效，则采用该信道发送注册请求消息；如果无效，则通过信道随机编排器取一个缺省信道，发送注册请求；

当终端生成一个注册请求后，需要通过射频驱动模块驱动Modem芯片实现射频信号的发射，射频信号的收发通过天线发送给网络；

如果注册成功，则将选择的缺省信道保存到激活缺省信道中，用于后续丢失网络连接后的快速注册；同时需要对注册接受消息信道掩码ChMask解码，得到网络当前激活信道，保存到工作信道列表中，用于后续数据收发；

如果注册失败，需要重新通过信道随机编排器取一个新的缺省信道，重新发送。

5.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤5)中掩码最长为16字节，每个比特指示一个信道，最多可以发送128个信道信息。

6.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的终端自动注册方法，其特征是，所述步骤6)中终端侧注册流程为：终端在一个缺省注册信道上发送注册请求消息给网络，携带终端标识和认证令牌，网络对终端进行认证后，返回注册接受消息给终端，同时把网络的当前激活信道表掩码ChMask传送给终端。