CN108322930B - 一种基于LoRa技术的寻呼方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LoRa技术的寻呼方法，包括：根据每一接收终端的地址和每一寻呼信道的编号，为每一接收终端分配一个寻呼信道；将待发送的寻呼帧分为预设数值个帧长相同的寻呼子帧，根据任一寻呼子帧的传输时间和预设数值，确定寻呼帧的监测周期；在与接收终端的地址对应的寻呼信道上所述寻呼帧；当寻呼帧发送完毕之后，在预设业务信道上发送业务帧。本发明对每个终端分配一个的寻呼信道，减少了寻呼信道服务的终端数；通过将寻呼帧分为多个寻呼子帧，每个终端接收一个完整的寻呼子帧就可以确认是否寻呼自己，可以计算出网关发送给终端的业务数据还有多长时间会到来，消除了终端不必要的接收或等待接收时间，从而大幅度降低能量消耗。

Description

一种基于LoRa技术的寻呼方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，更具体地，涉及一种基于LoRa技术的寻呼方法。

背景技术

目前，为满足越来越多远距离物联网设备的连接需求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，简称LPWAN)应运而生。在目前众多的LPWAN技术中，由美国升特公司发布的无线电调制解调技术LoRa由于其低成本、低功耗、高性能、易部署等特点受到广泛关注。为推进LoRa的应用，LoRa联盟制订基于开源的媒体接入层协议的低功耗广域网LoRaWAN(LoRa Wide Area Network)标准。根据应用的不同，LoRaWAN将终端划分为3类：

A类：受限双向通信终端设备。A类设备的上行链路传输会伴随两个下行链路接收窗口，网关只有在这两次很短的下行链路接收窗口发送的下行信息才能被终端所能接收到。可见，A类终端的传输时隙由其自身根据数据发送需要主动调度，因此A类终端最省电。

B类：预设接收槽的双向通信终端设备。B类设备会在预设时间开放多余接收窗口供网关发送下行信息。为达到这一目标，B类设备会同步从网关接收一个下行Beacon信号来保持和网关的同步。这种方式使得B类设备与网关通信更方便，但功耗会也大于A类终端。

C类：最大接收时隙的双向终端设备。C类终端仅在上行链路发送数据时才停止下行接收窗口，其它时间都处于接收状态。因此C类终端适用于大量下行数据的应用。相比A类和B类终端，C类终端最耗电，但对于服务器到终端的业务，C类模式的时延最小。

智能水表的数据传输业务是一种典型的物联网应用，通过远传、自动抄读系统技术根本上改变了传统的抄表方式。而基于LoRa的智能远传式水表能够和服务器进行低成本的实时通信，将水表数据和状态发送给服务器或接收服务器的控制，成为了智能水表的发展趋势之一。但是，上述3类设备的定义不能够很好的解决实际的水表应用的业务需求。具体原因如下：

智能水表抄表应用中，存在两类业务。第1类业务是水表周期性的将数据上报的网关，如每6小时上报1次，这个业务是典型的网联网业务，数据量小、时延不敏感。第2类业务是要求网关能够在规定的时间内寻呼到终端。比如15秒内，然后采取相应的控制。

第1类业务可以由A类终端完成，第2类业务只能由C类终端完成。但是C类终端大部分时间处于接收状态下，特别耗能，智能水表终端一般电池供电，要求电池寿命5年以上，C类终端不满足智能水表应用对能耗的要求，因此C类终端也不满足实际的水表应用的业务需求。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于LoRa技术的寻呼方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于LoRa技术的数据发送方法，包括：S1、根据每一接收终端的地址和每一寻呼信道的编号，为每一接收终端分配一个寻呼信道；S2、将待发送的寻呼帧分为预设数值个帧长相同的寻呼子帧，根据所述任一寻呼子帧的传输时间和所述预设数值，确定所述寻呼帧的监测周期，任一寻呼子帧包括一个接收终端的地址，所述接收终端接收所述寻呼帧，所述预设数值根据预设时限、所述任一寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数获得；S3、在与所述接收终端的地址对应的寻呼信道上发送所述寻呼帧；S4、当所述寻呼帧发送完毕之后，在预设业务信道上发送业务帧。

优选地，步骤S1具体包括：S11、根据预设业务信道和LoRa硬件支持的物理信道，获取寻呼信道；S12、对每一寻呼信道进行编号；S13、获取每一接收终端对应的寻呼信道，对于任一接收终端，将所述任一接收终端的地址除以所有寻呼信道的个数，得到的余数作为所述任一接收终端对应的寻呼信道的编号。

优选地，所述方法还包括：设置所述任一寻呼子帧的帧格式；根据所述任一寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数，获取所述任一寻呼子帧的传输时间；根据所述预设时限和所述任一寻呼子帧的传输时间，获取所述预设数值。

优选地，所述预设数值小于或等于所述预设时限与所述任一寻呼子帧的传输时间的商。

优选地，还包括：根据所述任一寻呼子帧的传输时间和所述预设数值，确定所述寻呼帧的传输时间，所述寻呼帧的传输时间大于所述寻呼帧的监测周期。

优选地，所述寻呼帧的传输时间为所述任一寻呼子帧的传输时间与所述预设数值的乘积。

优选地，所述寻呼帧的监测周期为：所述预设数值减1后，与所述任一寻呼子帧的传输时间的乘积。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于LoRa技术的数据接收方法，包括：S1、获取本地对应的寻呼信道和待接收的寻呼帧的监测周期；S2、对本地对应的寻呼信道进行周期性地监测，监测周期为所述寻呼帧的监测周期，在任一监测周期中，若检测到对应的寻呼信道中存在寻呼信号，接收存在寻呼信号的寻呼信道中的寻呼子帧；S3、若所述寻呼子帧中的接收地址与本地地址相同，根据所述寻呼子帧在所述寻呼帧中的位置和所述寻呼子帧的传输时间，获取业务帧接收时间；S4、经过所述业务帧接收时间之后，将本地的业务状态由休眠状态变为活动状态，接收所述业务帧。

优选地，步骤S2还包括：若未检测到对应的寻呼信道中的寻呼信号，将本地的业务状态变为休眠状态。

优选地，步骤S3还包括：若所述寻呼子帧中的接收地址与本地地址不同，将本地的业务状态变为休眠状态。

本发明提出一种基于LoRa技术的寻呼方法，对每个终端分配一个固定的寻呼信道，减少了每个寻呼信道服务的终端数，每个寻呼信道只用服务对应的终端，每个终端也只用接收对应寻呼信道发送的数据，大幅度的降低了网络中所有终端因需要接收网关寻呼帧消耗的能量，降低了网关的功耗。其次，通过将寻呼帧分为多个寻呼子帧，每个终端接收一个完整的寻呼子帧就可以确认是否寻呼自己，以及如果寻呼自己，可以计算出网关发送给终端的业务数据还有多长时间会到来，在该业务数据接收时间到来之前，终端处于休眠状态，在接收该业务数据的时候，终端由休眠状态变为活动状态，也降低了终端功耗。因此，本发明消除了终端不必要的接收或等待接收时间，从而大幅度降低能量消耗。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于LoRa技术的数据发送方法的流程图；

图2为本发明又一实施例一种基于LoRa技术的数据接收方法的流程图；

图3为本发明一优选实施例一种LoRa技术的寻呼方法的寻呼流程图；

图4为本发明一优选实施例一种基于LoRa技术的寻呼方法中寻呼信道上发送寻呼帧的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的执行主体为网关，图1为本发明实施例一种基于LoRa技术的数据发送方法的流程图，如图1所示，该方法包括：S1、根据每一接收终端的地址和每一寻呼信道的编号，为每一接收终端分配一个寻呼信道；S2、将待发送的寻呼帧分为预设数值个帧长相同的寻呼子帧，根据所述任一寻呼子帧的传输时间和所述预设数值，确定所述寻呼帧的监测周期，任一寻呼子帧包括一个接收终端的地址，所述接收终端接收所述寻呼帧，所述预设数值根据预设时限、所述任一寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数获得；S3、在与所述接收终端的地址对应的寻呼信道上发送所述寻呼帧；S4、当所述寻呼帧发送完毕之后，在预设业务信道上发送业务帧。

在网关端，网关需要寻呼终端时，在与终端对应的寻呼信道上发送寻呼帧，当寻呼帧发送完毕后，在预设的业务信道发送业务帧。预设业务信道包括预设上的上行业务信道和预设的下行业务信道，根据数据传输方向，确定上行业务信道和下行业务信道。上行业务信道就是用于终端向网关发送业务帧的业务信道，下行业务信道就是用于网关向终端发送业务帧的业务信道。

在终端端，终端采用不连续接收方式，每隔监测周期醒来一次，在对应寻呼信道检测是否有寻呼帧。当检测到有寻呼自己的寻呼帧后，按照计算出来的接收业务帧的时间，在预设的业务信道接收网关下发的业务数据帧。

本发明实施例提供一种基于LoRa技术的数据发送方法，通过对每个终端分配一个固定的寻呼信道，减少了每个寻呼信道服务的终端数，每个寻呼信道只用服务对应的终端，每个终端也只用接收对应寻呼信道发送的数据，大幅度的降低了网络中所有终端因需要接收网关寻呼帧消耗的能量，降低了网关的功耗。

在上述实施例的基础上，步骤S1具体包括：S11、根据预设业务信道和LoRa硬件支持的物理信道，获取寻呼信道；S12、对每一寻呼信道进行编号；S13、获取每一接收终端对应的寻呼信道，对于任一接收终端，将所述任一接收终端的地址除以所有寻呼信道的个数，得到的余数作为所述任一接收终端对应的寻呼信道的编号。

首先，预设业务信道可以根据实际情况确定是哪些信道，并确定预设业务信道的个数。LoRa硬件支持的物理信道可以根据实际情况中选用的芯片支持的物理信道获得，这个是已知的。LoRa硬件支持的物理信道就是实际中可以进行数据传输的所有物理信道，在所有的物理信道中，预先设置某几条作为预设业务信道，除去预设业务信道外，其它的剩余物理信道就都作为寻呼信道。

在上述实施例的基础上，优选地，所述方法还包括：设置所述任一寻呼子帧的帧格式；根据所述任一寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数，获取所述任一寻呼子帧的传输时间；根据所述预设时限和所述任一寻呼子帧的传输时间，获取所述预设数值。

设置任一寻呼子帧的帧格式，该帧格式具体包括：前导码、分隔符、子帧号、寻呼终端的地址码、校验码。其中，前导码、分隔符、子帧号、寻呼终端的地址码、校验码的具体字节个数可以根据实际情况确定，本实施例这里不做具体限制。为了方便说明，以寻呼子帧的具体格式前导码6个字节、分隔符1个字节、子帧号1个字节、寻呼终端的地址码2个字节、校验码1个字节为例。

根据寻呼子帧的帧格式，就可以得到寻呼子帧的帧长，根据寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数，就可以得到寻呼子帧的传输时间。

根据预设时限和所述任一寻呼子帧的传输时间，获取所述预设数值，预设时限就是网关发送一个寻呼帧到终端所花的最长时间，可以根据实际情况确定，预设时限内，从网关到终端，能传输寻呼子帧的最大个数，即为预设数值。也就是说，要在预设时限内传输一个完整的寻呼帧到终端。

在上述实施例的基础上，优选地，所述预设数值小于或等于所述预设时限与所述任一寻呼子帧的传输时间的商。

由于要保证预设时限内，能够传输一个完整的寻呼帧，因此寻呼子帧的个数，也就是预设数值，要小于或者是等于预设时限与一个寻呼子帧的传输时间的商。

在上述实施例的基础上，优选地，还包括：根据所述任一寻呼子帧的传输时间和所述预设数值，确定所述寻呼帧的传输时间，所述寻呼帧的传输时间大于所述寻呼帧的监测周期。

在上述实施例的基础上，具体地，所述寻呼帧的传输时间为所述任一寻呼子帧的传输时间与所述预设数值的乘积。

在上述实施例的基础上，具体地，所述寻呼帧的监测周期为：所述预设数值减1后，与所述任一寻呼子帧的传输时间的乘积。

本发明的执行主体为接收终端，图2为本发明又一实施例一种基于LoRa技术的数据接收方法的流程图，如图2所示，该方法包括，S1、获取本地对应的寻呼信道和待接收的寻呼帧的监测周期；S2、对本地对应的寻呼信道进行周期性地监测，监测周期为所述寻呼帧的监测周期，在任一监测周期中，若检测到对应的寻呼信道中存在寻呼信号，接收存在寻呼信号的寻呼信道中的寻呼子帧；S3、若所述寻呼子帧中的接收地址与本地地址相同，根据所述寻呼子帧在所述寻呼帧中的位置和所述寻呼子帧的传输时间，获取业务帧接收时间；S4、经过所述业务帧接收时间之后，将本地的业务状态由休眠状态变为活动状态，接收所述业务帧。

与网关端对应的，获取网关端为每一终端分配的寻呼信道，和待接收的寻呼帧的监测周期，此处，待接收的寻呼帧即为网关待发送的寻呼帧，待接收的寻呼帧的监测周期即为网关端待发送的寻呼帧的监测周期。

根据该监测周期，每个终端都监测对应寻呼信道，以一个终端为例，如果在一个监测周期中，该终端监测到寻呼信道中存在寻呼信号，说明寻呼信道中有网关发送来的寻呼帧。该终端监测到寻呼信号后，就立即准备接收一个寻呼子帧，接收到寻呼子帧后，将寻呼子帧中包含的接收地址与该终端自己的地址相比，如果相同，说明网关要向该终端发送业务帧了，计算出网关给自己发送业务帧的时间，并做好接收业务帧的准备。

在接收业务帧之前，该终端一直处于休眠状态，直到到达该业务帧的接收时间，该终端从休眠状态中醒来，变成活动状态，接收该业务帧。

本发明实施例提供一种基于LoRa技术的数据接收方法，通过将寻呼帧分为多个寻呼子帧，每个终端接收一个完整的寻呼子帧就可以确认是否寻呼自己，以及如果寻呼自己，可以计算出网关发送给终端的业务数据还有多长时间会到来，在该业务数据接收时间到来之前，终端处于休眠状态，在接收该业务数据的时候，终端由休眠状态变为活动状态，也降低了终端功耗。

在上述实施例的基础上，优选地，步骤S2还包括：若未检测到对应的寻呼信道中的寻呼信号，将本地的业务状态变为休眠状态。

在上述实施例的基础上，优选地，步骤S3还包括：若所述寻呼子帧中的接收地址与本地地址不同，将本地的业务状态变为休眠状态。

为了更加清楚的说明本发明的技术方案，下面以具体的场景来描述本发明的具体执行过程。图3为本发明一优选实施例一种LoRa技术的寻呼方法的寻呼流程图，如图3所示，该LoRa智能水表应用场景有1000个终端，其地址码依次为1到1000；1个网关，其地址码为1001。要求网关寻呼到终端的预设时限T最大为2s。

通过前期网络规划，需要上行业务信道2个，下行业务信道1个，也就是说预设业务信道为3个。选用的LoRa硬件实际可支持的物理信道有10个，前期网络规划商定寻呼信道LoRa调制参数为BW＝250KHz，SF＝9，CR＝2，Npreamble＝6。BW代表带宽，SF代表扩频因子，CR代表纠错率，Npreamble代表寻呼子帧的前导码符号个数。

网关端发送业务帧的步骤为：

S1、首先根据预设业务信道和LoRa硬件支持的物理信道，获取寻呼信道，具体为，确定可用于寻呼的实际物理信道数，预设业务信道Nservice＝3，LoRa硬件支持的物理信道Nphysical＝10，那么得到可用于传输寻呼帧的寻呼信道Npaging＝Nphysical-Nservice＝10-3＝7。因此，可用于寻呼的物理信道数有7个。

S2、对每个寻呼信道进行编号，假设这7个寻呼信道的编号依次为0到6。

S3、获取每个终端对应的寻呼信道，对于其中任意一个终端，将该终端的地址除以所有寻呼信道的个数，得到的余数作为所述任一终端对应的寻呼信道的编号。可以选择NoCh＝f(Addr,Npaging)＝mod(Addr,Npaging)，即取余的方法，NoCh表示寻呼信道的编号。例如，地址码为60的终端其对应的寻呼信道的编号应为mod(60,7)＝4，地址码为780的终端其对应的寻呼信道的编号应为mod(780,7)＝3。

S4、然后设置寻呼子帧的帧格式，图4为本发明一优选实施例一种基于LoRa技术的寻呼方法中寻呼信道上发送寻呼帧的示意图，如图4所示，寻呼子帧具体格式为：前导码6个符号、分隔符1个字节、子帧号1个字节、寻呼终端的地址码2个字节、校验码1个字节。

S5、根据寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数，获取寻呼子帧的传输时间。本例子中，LoRa每个调制符号的时间

本例中，Tsym＝2^9/250＝2.048ms。

寻呼子帧的有效载荷＝分隔符字节数+子帧号字节数+寻呼终端的地址码字节数+校验码字节数。本例子中，有效载荷为5字节。

对应需要的LoRa调制符号数是14个，调制符号数根据实际情况获得。

该寻呼子帧总LoRa调制符号数是6+4.25+14＝24.25。因此，一个寻呼子帧的传输时间TSubFrame＝24.25×2.048＝49.664ms≈50ms。

S6、根据所述预设时限T和所述任一寻呼子帧的传输时间TSubFrame，获取所述预设数值N。其中，

本例子中，网关寻呼终端的预设时限T为2s，即寻呼帧的监测周期TListen＝2s，寻呼子帧的传输时间TSubFrame＝50ms，寻呼时限内可以容纳的子帧个数n≤TListen/TSubFrame＝2000/50＝40。

S7、将所述寻呼帧分为所述预设数值个帧长相同的寻呼子帧，并且为每个寻呼子帧倒序编码。计算网关实际寻呼子帧数量N和寻呼帧的传输时间TPaging。具体为，N＝n+1，TPaging＝(n+1)×TSubFrame。

本例中，N＝n+1＝41，TPaging＝41×50＝2050ms。

S8、网关在与要发送的寻呼帧中包含的终端地址对应的寻呼信道上寻呼帧。如果网关需要寻呼345号终端，则应该在寻呼信道2发送上述子帧格式的寻呼帧，该寻呼帧长度为2050ms，寻呼子帧的个数41。

S9、网关在对应的寻呼信道上发送完寻呼帧后，立即切换到业务信道，在业务信道上发送业务帧给终端。

对应地，智能水表终端的接收步骤如下：

S1、获得与每个终端对应的寻呼信道，依据预设的LoRa无线参数配置寻呼信道，寻呼信道的计算方法有很多种，可以是终端按照与网关相同的计算方式，计算出与每个终端对应的寻呼信道，也可以是网关通过消息传输的方式，通知每个终端对应的寻呼信道。

S2、以寻呼帧的监测周期TListen周期性的主动唤醒每个终端，每个终端工作在不连续接收DRX方式下，参见图3，本例中TListen＝2s。

S3、在寻呼信道上进行CAD检测。终端在醒来后，利用LoRa特有的CAD检测方法在对应寻呼信道上检测LoRa寻呼信号是否存在。若不存在，则立即进入睡眠。若存在，执行步骤S4。

S4、监测到寻呼信号的终端接收一个完整的寻呼子帧并解码。监测到LoRa寻呼信号存在后，终端接收一个完整的寻呼子帧。解码后，可以得到接收该寻呼帧的终端地址和寻呼子帧编号。

S5、判断寻呼子帧中包含的终端地址与自己的地址是否匹配。若不匹配，说明不是寻呼本终端，立即进入睡眠。如匹配，说明网关是寻呼本终端，执行步骤S6。

S6、计算网关的业务帧发送时间t，t＝NoSubFrame×TSubFrame。NoSubFrame为寻呼子帧的编号。

S7、终端经过时间t后醒来，并在预设业务信道上接收网关的业务帧，在时间t醒来之前终端进入休眠状态。

本发明提供的一种基于LoRa技术的寻呼方法，核心是：通过将终端分配到不同的寻呼物理信道，减少每个寻呼信道服务的终端数来降低终端功耗；通过将寻呼帧拆成多个小的寻呼子帧，将终端配置成DRX接收方式，利用LoRa特有的CAD检测方法配合小寻呼子帧，减少终端接收寻呼帧的时间来降低功耗。本发明有效解决了低功耗的网关寻呼终端方法，能够在满足网关寻呼终端的时限要求下，大幅度降低终端功耗。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于LoRa技术的数据发送方法，其特征在于，包括：

S1、根据每一接收终端的地址和每一寻呼信道的编号，为每一接收终端分配一个寻呼信道；

S2、将待发送的寻呼帧分为预设数值个帧长相同的寻呼子帧，根据任一寻呼子帧的传输时间和所述预设数值，确定所述寻呼帧的监测周期，任一寻呼子帧包括一个接收终端的地址，所述接收终端接收所述寻呼帧，所述预设数值根据预设时限、所述任一寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数获得；

S3、在与所述接收终端的地址对应的寻呼信道上发送所述寻呼帧；

S4、当所述寻呼帧发送完毕之后，在预设业务信道上发送业务帧。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S11、根据预设业务信道和LoRa硬件支持的物理信道，获取寻呼信道；

S12、对每一寻呼信道进行编号；

S13、获取每一接收终端对应的寻呼信道，对于任一接收终端，将所述任一接收终端的地址除以所有寻呼信道的个数，得到的余数作为所述任一接收终端对应的寻呼信道的编号。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

设置所述任一寻呼子帧的帧格式；

根据所述任一寻呼子帧的帧长和LoRa无线调制参数，获取所述任一寻呼子帧的传输时间；

根据所述预设时限和所述任一寻呼子帧的传输时间，获取所述预设数值。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述预设数值小于或等于所述预设时限与所述任一寻呼子帧的传输时间的商。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，还包括：

根据所述任一寻呼子帧的传输时间和所述预设数值，确定所述寻呼帧的传输时间，所述寻呼帧的传输时间大于所述寻呼帧的监测周期。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述寻呼帧的传输时间为所述任一寻呼子帧的传输时间与所述预设数值的乘积。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述寻呼帧的监测周期为：所述预设数值减1后，与所述任一寻呼子帧的传输时间的乘积。

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