CN108650688B - 一种扫频测试的方法及Lora网关 - Google Patents

Abstract

一种扫频测试的方法及网关。该方法包括以下步骤：Lora网关向应用服务器AS转发由Lora终端发送的扫频配置信息；根据扫频参数配置Lora网关后，所述Lora网关向所述Lora终端转发由所述AS发送的响应报文；所述Lora网关向所述AS转发Ping报文，并且向所述Lora终端转发Pong报文；所述Lora网关向所述AS转发由所述Lora终端发送的结束测试报文后，恢复网关默认初始状态。本发明在Lora终端与应用服务器AS之间通过Lora网关进行扫频测试报文的转发，实现了对Lora网络的扫频测试。

Description

一种扫频测试的方法及Lora网关

技术领域

本发明涉及Lora技术领域，尤其涉及一种扫频测试的方法及Lora网关。

背景技术

LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。Lora通信系统通常包含终端、基站、网络服务器、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。终端节点可以同时发给多个基站，基站则对网络服务器和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和TCP/IP上。

Lora通信系统中的终端分为三类：Class A、Class B、Class C。Class A的终端采用ALOHA协议按需上报数据。在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输。这种操作是最省电的。Class A的终端必须等待终端上报数据后才能对其下发数据，其应用场景通常为垃圾桶监测、烟雾报警器、气体监测等。对于Class B的终端，除了Class A的随机接收窗口，还会在指定时间打开接收窗口。为了让终端可以在指定时间打开接收窗口，终端需要从网关接收时间同步的信标。Class B的终端在终端固定接收窗口即可对其下发数据，下发的延时有所提高，其应用场景通常为阀控水气电表等。Class C的终端基本是一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。由于Class C的终端处于持续接收状态，可在任意时间对终端下发数据。其应用场景通常为路灯控制等。Class C的终端会比Class A和Class B更加耗电。

图1和图2分别示出了Class A和Class C的终端的上下行的时序图。Class C和Class A基本是相同的，只是在Class A休眠的期间，它都打开了接收窗口RX2。

图3示出了Class B的终端的上下行的时序图。Class B的时隙则复杂一些，它有一个同步时隙beacon，还有一个固定周期的接收窗口ping时隙。如图3的示例中，beacon周期为128秒，ping周期为32秒。

LoRaWAN规定数据帧类型有Confirmed或者Unconfirmed两种，即需要应答和不需要应答类型。厂商可以根据应用需要选择合适的类型。LoRa有两种数据包格式：显示和隐式，其中显示数据包的报头较短，主要包含字节数、编码率及是否使用CRC等信息。如图4，LoRa数据包包含：Preamble(前导码)、Header(可选类型的报头)、Payload(数据有效负载)。

在Lora车间物联网环境下传输的应用数据主要包括开关量和状态量的传输，这些应用数据可以通过短报文的形式在Lora通信系统中进行传输。

Lora网络部署完成后，需要获取网络的信号质量、报文质量，丢包率以及其它的评估网络性能的指标，这就需要对网络进行测试，扫频测试是测试网络性能的常用方式之一，通过扫频测试，可以查看某频段范围内的频段噪声干扰情况，用于选择合适频段；也可查看各空间范围内的区域在一定速率下的信号通讯能力，消除通讯死角。

在扫频测试时需要在终端与服务器之间发送测试报文和响应报文，但在通常的应用场景中，由于距离、接口、信号强度等原因，服务器与终端之间不是直接进行数据传输，而是通过网关进行转发，但如何在Lora终端与服务器之间进行扫频测试报文转发，是关系到Lora网络性能的关键技术之一，这对Lora技术的应用起到至关重要的作用。

发明内容

针对存在的技术问题，本发明提出一种扫频测试的方法及网关。在该方法中，在Lora终端与应用服务器AS之间通过Lora网关进行扫频测试报文的转发，实现了对Lora网络的扫频测试。

为实现上述目的，本发明提供了一种扫频测试的方法，该方法包括以下步骤：

Lora网关向应用服务器AS转发由Lora终端发送的扫频配置信息；

根据扫频参数配置Lora网关后，所述Lora网关向所述Lora终端转发由所述AS发送的响应报文；

所述Lora网关向所述AS转发Ping报文，并且向所述Lora终端转发Pong报文；

所述Lora网关向所述AS转发由所述Lora终端发送的结束测试报文后，恢复网关默认初始状态。

根据本发明的另一方面，所述方法还包括：

所述Lora网关接收到所述AS发送的网关配置信息后，向所述AS发送网关准备就绪消息，告知所述AS已完成配置。

根据本发明的另一方面，所述方法还包括：

所述Lora网关接收到所述AS发送的恢复网关默认配置消息后，向所述AS发送网关恢复默认配置确认消息。

根据本发明的另一方面，所述方法还包括：

所述AS启动定时器，在定时器超时后向所述Lora网关发送恢复网关默认配置消息。

根据本发明的另一方面，所述方法还包括：

所述Lora网关转发给所述AS的Ping报文中携带所述Lora终端上一个收到的Pong报文的信号质量，以及简单的统计数据。

根据本发明的另一方面，所述方法还包括：

所述Lora网关转发给所述Lora终端的Pong报文中携带所述AS刚收到的Ping报文的信号质量，以及简单的统计数据。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于扫频测试的Lora网关，所述Lora网关包括处理器，所述处理器被配置为执行扫频测试的方法。

本发明提供的扫频测试方法及网关，能够在Lora终端与应用服务器AS之间通过Lora网关进行扫频测试报文的转发，实现了对Lora网络的扫频测试。

通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。

附图说明

图1和图2是现有技术中Class A和Class C的终端的上下行的时序图；

图3是现有技术中Class B的终端的上下行的时序图；

图4是现有技术中数据帧的结构示意图；

图5是本发明的一个实施例中Lora网关转发扫频测试报文的流程示意图；

图6是本发明的另一个实施例中同频Ping-Pong扫频测试流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了描述方便，本发明中除了指明服务器端和Lora终端之外，还使用发送端表示服务器端和Lora终端之一，使用接收端表示另一个，即若服务器是发送端，则Lora终端就是接收端，若Lora终端是发送端，则服务器就是接收端。

本发明提出一种Lora扫频测试方法、终端及服务器。在该方法中，下行扫频测试由应用服务器AS向Lora终端发送指定数目的扫频测试报文，Lora终端负责统计和收集下行扫频测试报文的数量和信号质量，并将结果返回给AS。上行扫频测试由Lora终端向AS发送指定数目的上行扫频测试报文，由AS负责收集上行测试报文的数量和信号质量。本发明提供的方法能够对Lora网络进行扫频测试，获取网络的性能参数，为网络优化提供帮助。

具体地，本发明提供的Lora扫频测试方法包括以下步骤：

Lora终端设置扫频的相关参数，并将所述相关参数传递给应用服务器AS，开启扫频工作；

上行扫频测试时，Lora终端向AS发送指定数目的上行扫频测试报文，AS收集上行扫频测试报文的数量和信号质量；

下行扫频测试时，AS向Lora终端发送指定数目的下行扫频测试报文，Lora终端统计和收集下行扫频测试报文的数量和信号质量，并将结果返回给AS。

考虑到简化实现的目的，将上行信道的扫频过程和下行信道的扫频过程分开实现。

考虑到野外作业的需要，扫频测试过程由Lora终端负责配置扫频测试的相关参数，且由Lora终端负责启动和终止扫频测试。

扫频测试过程主控依然由AS掌握，即由AS负责测试结果信息的统一储存，统计分析，结果显示、中间过程的切换指令和同步指令。

125kHz的带宽情况下，由于网关sx1301只能够在8个上行信道上进行接收，而250kHz和500kHz带宽情况下，网关sx1301只能够在一个上行信道上进行接收，所以网关需要反复更新接收频率配置文件，重启packet forward任务，这个过程也应由AS负责控制。

AS和终端之间传输的报文包括三种：扫频控制报文，扫频响应报文和扫频测试报文；

扫频控制报文：Lora终端负责扫频测试相关参数的配置，并负责启动和终止扫频测试。而AS负责扫频测试过程的控制和同步。所以Lora终端和AS都需要发送扫频控制报文。

扫频响应报文：针对扫频控制报文的响应，都归类为扫频响应报文。

扫频测试报文：用于上下行测试的数据报文。

扫频测试方法是：下行扫频测试由AS向Lora终端发送指定数目的扫频测试报文，Lora终端负责统计和收集下行扫频测试报文的数量和信号质量，并将结果返回给AS。上行扫频测试由Lora终端向AS发送指定数目的上行扫频测试报文，由AS负责收集上行测试报文的数量和信号质量。

为了来自AS的扫频控制报文能够到达终端推荐AS使用SF12data rate下发扫频控制和响应报文，Lora终端设置专门的RX2通道用来接收来自AS扫频控制和响应报文。

为了保证Lora终端发送的扫频控制和响应报文能够到达网关并转发给AS，推荐使用SF12data rate发送扫频控制和响应报文，但是发送扫频控制及响应报文上行频率，需要根据当前测试项确定。

考虑现场部署多个网关的情况下，在进行上行扫频测试的时候，需要同时调整多个网关的接收频率设置。

如图5和图6所示，本发明提供了一种扫频测试的方法，该方法包括以下步骤：

Lora网关向应用服务器AS转发由Lora终端发送的扫频配置信息；

根据扫频参数配置Lora网关后，所述Lora网关向所述Lora终端转发由所述AS发送的响应报文；

所述Lora网关向所述AS转发Ping报文，并且向所述Lora终端转发Pong报文；

所述Lora网关向所述AS转发由所述Lora终端发送的结束测试报文后，恢复网关默认初始状态。

优选地，所述方法还包括：

所述Lora网关接收到所述AS发送的网关配置信息后，向所述AS发送网关准备就绪消息，告知所述AS已完成配置。

优选地，所述方法还包括：

所述Lora网关接收到所述AS发送的恢复网关默认配置消息后，向所述AS发送网关恢复默认配置确认消息。

优选地，所述方法还包括：

所述AS启动定时器，在定时器超时后向所述Lora网关发送恢复网关默认配置消息。

优选地，所述方法还包括：

所述Lora网关转发给所述AS的Ping报文中携带所述Lora终端上一个收到的Pong报文的信号质量，以及简单的统计数据。

优选地，所述方法还包括：

所述Lora网关转发给所述Lora终端的Pong报文中携带所述AS刚收到的Ping报文的信号质量，以及简单的统计数据。

优选地，本发明还提供了一种用于扫频测试的Lora网关，所述Lora网关包括处理器，所述处理器被配置为执行扫频测试的方法。

为了更清楚地了解本发明，下文分节对本发明进行更详细的说明。

1、上下行扫频测试的相关参数

进行上下行扫频测试的相关参数包括但不限于：信道频率、频道带宽、数据率、编码率、发射功率、通信报文个数和通信报文间隔时间。一次扫频测试中信道频率参数可能需要在8个频率中变化，但是其他参数如带宽、数据率、编码率、发射功率、通信报文个数和通信报文间隔时间必须都是一个固定值。

2、频率、频率带宽和信道

本发明可以对频率从430.0MHz到510MHz的所有信道进行扫频测试。频道带宽支持125KHz，250KHz和500KHz三种。当频道带宽为125KHz时，实际以频道带宽200KHz为步进，频率从430.1MHz到509.7MHz可以分配出399个信道。当频道带宽为250KHz时，实际以频道带宽400KHz为步进，频率从430.2MHz开始可以分配出199个信道。当频道带宽为500KHz时，实际以频道带宽600KHz为步进，频率从430.3MHz开始可以分配出133个信道。

3、数据率或扩频因子、编码率

扩频因子支持SF7-SF12对应数据率DR5–DR0。共6个速率。网关SX1301芯片在上行接收方向，无论是125kHz,250kHz还是500kHz带宽下，都支持SF7-SF12共6个数据率。编码率分为4种：4/5、4/6、4/7、4/8。

4、终端发射功率和网关发送功率

根据CN470/430代码，支持TX_POWER_0(最大且默认)到TX_POWER_7(最小)8个发送功率。但是根据Lora终端sx1276的实现代码sx1276.c，Lora终端的发射功率可以设置为从2dB到20dB的各个发射功率值。

网关支持的多种发射功率，由配置文件设置。NS发送下行报文时只能使用配置文件里设置好的发射功率。

5、每信道扫频通信次数和通信时间间隔

可以设置每次扫频测试的通信次数(测试报文发送次数)和通信时间间隔(测试报文发送时间间隔)。

通信时间间隔的设定，要考虑到最低速率下报文的发送时间，并且考虑接收窗口时间和MAC状态机更新时间。通信时间间隔要大于这三个时间的总和。特殊情况下，通信间隔时间可以缩短，报文可以以较小间隔连续发射。

6、网关SX1301芯片对以上参数的支持

在上行接收方向，SX1301芯片有IF0-IF7共8个接收通道，这些接收通道只支持125KHz带宽，但是可监听最多8个上行频率。可以在这些频率下的SF7-SF12所有的datarate下进行监听，同时接收最多8个报文。另外SX1301芯片还有一个IF8接收通道，可以配置成125kHz或250kHz或者500kHz带宽，只能监听一个频率，且只能通过设置，监听对应频率的一个data rate。也就是说如果扫频测试中信道带宽是250kHz或者500kHz，SX1301一次只能接收一个上行频率下的报文，不支持8个上行信道同时扫频测试。

在下行发送方向，SX1301只有一个发送通道，一次只能发送一个报文，可以设置发送报文的Radio channel(信道频率)，Bandwidth(带宽),data rate(数据率),coding rate(编码率)，RF output power(发射功率)。

SX1301收发支持所有4种coding rate。但是每个收发通道都必须事先指定codingrate。对于上行接收，一个通道不能像IF0-IF7同时监听所有data rate那样，监听所有的coding rate。一次只能设定一个coding rate。

7、终端SX1276/1278芯片对以上参数的支持

终端SX1276/1278芯片是半双工的单通道收发设备，收发不能同时进行，一次只能收发一个报文。一次收发都只能在事先配置的Radio channel(信道频率)，Bandwidth(带宽),data rate和coding rate下进行。终端SX1276/1278芯片支持在125kHz或250kHz或者500kHz 3种带宽下，以及SF6-SF12共7个data rate下进行收发。其中SF6只支持特定情况下lora的快速通信，且网关SX1301芯片并不支持SF6，所以测试过程中无需对SF6进行测试。

终端SX1276/1278芯片收发支持所有4种coding rate。但是收发都必须事先指定coding rate。一次收发只能支持一种coding rate。

8、一次扫频测试中多个频点的切换方式

一次扫频测试过程中如果涉及到多个扫频频率，需要发送多个扫频报文时。有两种发送报文的方式：一种方式是，在一个扫频频率上发送指定数目的扫频报文，然后再跳转到下一个频率发送指定数目的扫频报文，如此循环直至所有频率；另一个种方式是，在一个扫频频率上发送一个扫频报文，然后在跳转到下一个频率再发送一个扫频报文，如此循环直至所有频率。

一次扫频测试过程中采用以上两种方式中的哪种方式，需要做到可配置。

9、Lora系统扫频测试初始状态定义

考虑到在OTAA模式下，断网有可能触发自动重连。建议初始状态下，Lora终端以ABP模式入网，将下行RX2设置为固定的下行频率，data rate为SF12。终端上行速率采用默认初始值，和网关默认的初始接收频率保持一致。

为了保证扫频测试过程能够正常启动，每次启动扫频测试前，Lora终端和网关必须恢复成默认初始状态。每次扫频测试结束，Lora终端和网关都应该恢复成默认的初始状态。

10、Lora系统扫频测试结果的收集

扫频测试过程中需要收集的测试结果信息包括：报文的信号质量(最大值，最小值和平均值)，丢包率等信息。如果一次扫频过程中涉及到多个频点，那收集的测试结果信息应该是每个频点一份。一次PingPong过程的时延不在测试结果信息的收集访问之内。

Lora终端不做太多的数据保存，理论上不负责收集每个报文的报文质量数据。在PingPong测试过程中，AS发给Lora终端的Pong报文中可以携带刚刚收到的Ping报文的信号质量，以及简单的统计数据。而Lora终端发送给AS的Ping报文中可以携带上一个收到的Pong报文的信号质量，以及简单的统计数据。这样在PingPong交互过程中，就可以完成Lora通信两端测试结果信息的收集。

11、上下行同频扫频的Ping-Pong测试方法

图6是本发明中进行上下行同频扫频的Ping-Pong测试的流程示意图。在Lora终端和网关处于默认初始状态时，由Lora终端发起同频Ping-Pong扫频测试。下面结合图6给出Ping-Pong测试中的一些关键步骤。

步骤1、Lora终端负责配置本次上行扫频测试相关的参数，并在默认上行频率和SF12速率下通过扫频控制报文发送给AS。

步骤2、AS收到该控制报文后，马上根据配置参数配置Lora网关的上行接收信道，重启网关的packet forward任务，等待网关进入扫频频率接收状态；

步骤3、AS确认Lora网关准备就绪后，AS通过终端默认的Rx2下行频率和SF12速率向lora终端发送扫频响应报文，向Lora终端确认准备就绪，可以开始发送上行扫频测试报文Ping报文；

步骤4、Lora终端只有收到响应报文后，才会开始发送扫频测试报文(Ping报文)，否则会多次重发配置参数，直至超时；

步骤5、Lora终端收到响应报文后，启动定时器定时，以指定的时间间隔(指定的扫频参数)开始发送Ping报文，发送完毕，Lora终端马上在相同的扫频参数下打开Rx2接收窗口(测试过程始终不打开Rx1窗口)；

步骤6、AS在收到Lora终端的Ping报文后，尽快以(和Ping报文)相同的发送参数，发送Pong报文；

步骤7、Lora终端在收到Pong报文后，马上再发送一个Ping报文(而无需等到定时器超时)。如果Lora终端没有在定时器规定的超时时间内收到Pong报文，会在定时结束后再发送一个Ping报文；

步骤8、如此反复，直至Lora终端发送完配置参数指定数量的Ping报文。

步骤9、在Ping-Pong测试过程中，Lora终端负责收集下行Pong报文的信号强度，丢包率等信息，AS负责收集上行Ping报文的信号强度和丢包率信息；

步骤10、Lora终端在所有上行Ping报文发送完毕后，通过指定的各个上行扫频频率，以SF12的速率发送扫频测试控制报文，告知AS结束本次扫频测试。Lora终端发送完控制报文后，自行恢复为默认初始状态；

步骤11、AS收到结束扫频测试的控制报文后，将网关接收频率恢复成默认配置，重启网关packet forward任务，进入默认初始状态；

步骤12、至此，AS、网关和Lora终端都恢复成初始默认状态。

在上述测试方法中，需要注意的是：

1、AS发送Pong报文时，发送参数中的频率、带宽、coding rate、data rate都容易做到和Ping报文一致，但是Tx Power比较难做到一致。因为网关支持的Tx power和终端支持的Tx Power并不一致。而且网关通常以最大功率发射，不存在节省能耗的问题。所以没有必要测试网关的多个TxPower，因此可以在扫频配置参数中固定网关发送下行报文的TxPower。

2、需要考虑异常情况下，LoRa终端无法收到响应报文，AS无法收到扫频控制报文的情况，使用定时器建立超时机制，目的是为了将Lora终端和AS恢复到默认初始化状态。

异常处理：

一些异常情况下AS和Lora终端之间不能进行正常的控制通信，为了让AS，网关能够重新恢复到默认初始状态，需要采用一些异常处理机制。Lora终端因为有人工干预过程，可以由人工主动结束测试流程，恢复默认初始状态。

采用超时机制：AS在发送完测试启动响应报文，启动超时定时器，超时时间定义如下：报文数目*频率数目*(估计的收发时间+ping报文发送的时间间隔+一定的冗余时间)。如果超时定时器触发，AS恢复网关默认设置，退出测试状态。

超时机制的优化：为了保证AS超时时间能够尽可能和扫频测试的结束时间匹配，可以在Ping报文里携带当前报文的序号，AS在收到该Ping报文后，计算出剩余Ping报文的数量，并重置一下超时定时器，重置的超时时间＝剩余Ping报文的数量*(估计的收发时间+ping报文发送的时间间隔+一定的冗余时间)。这样在一个正常的PingPong过程中，AS可以根据收到的Ping报文动态调整超时时间，使得超时时间和扫频测试的结束时间尽可能接近。

12、连续Ping-Pong测试

为了现场人员能够在移动过程中连续的测试Lora网络的通信情况，需要设计一种连续不间断的Ping-Pong测试方法。这种测试方法只针对单频点进行连续测试，不要求在多个频点之间进行连续的Ping-Pong测试。

连续PingPong测试过程和以上章节的说明基本一致。连续PingPong测试过程必须由人工主动停止。

异常处理：

一些异常情况下AS和Lora终端之间不能进行正常的控制通信，为了让AS，网关能够重新恢复到默认初始状态，需要采用一些异常处理机制。Lora终端因为有人工干预过程，可以由人工主动结束测试流程，恢复默认初始状态。

这里采用的超时机制和上一章节有所区别。AS在收到最后一个Ping报文后，启动定时器，定时时间采用固定值，例如5分钟。如果超时定时器触发，AS恢复网关默认设置，退出测试状态。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种扫频测试的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：Lora网关向应用服务器AS转发由Lora终端发送的扫频配置信息；所述AS根据扫频参数配置Lora网关后，所述Lora网关向所述Lora终端转发由所述AS发送的响应报文；所述Lora网关向所述AS转发所述Lora终端发送的Ping报文，并且向所述Lora终端转发所述AS发送的Pong报文；所述Lora网关向所述AS转发由所述Lora终端发送的结束测试报文后，恢复网关默认初始状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述Lora网关接收到所述AS发送的网关配置信息后，向所述AS发送网关准备就绪消息，告知所述AS已完成配置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述Lora网关接收到所述AS发送的恢复网关默认配置消息后，向所述AS发送网关恢复默认配置确认消息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述AS启动定时器，在定时器超时后向所述Lora网关发送恢复网关默认配置消息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述Lora网关转发给所述AS的Ping报文中携带所述Lora终端上一个收到的Pong报文的信号质量，以及简单的统计数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述Lora网关转发给所述Lora终端的Pong报文中携带所述AS刚收到的Ping报文的信号质量，以及简单的统计数据。

7.一种用于扫频测试的Lora网关，所述Lora网关包括处理器，所述处理器被配置为执行如权利要求1-6任一项所述的方法。

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