CN108934063B - 一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法 - Google Patents

一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法，包括Lora终端采用的算法、终端使用的MCU以及Lora射频模块，Lora终端Class B采用的算法包括以下步骤：S1：当节点接收Beacon，用二分搜索算法选取设定合适的PingNb；S2：通过时隙随机化得到每个节点的Ping Slot的开始时间点的偏移量PingOffset；S3：进入数据接收的Ping Slot。终端算法采用二分搜索算法选取设定合适的PingNb，每一次都可以使选取范围缩小一半，可以快速准确的选取设定的PingNb，极大的缩短了通信时间，同时也节省更多的能量。采用时隙随机化得到便宜量可以保证Ping Slot里只有一个节点在进行数据传输，不会因通信系统性的碰撞或监听过载的情况而产生额外的能量消耗。该方案可以有效的降低的功耗，达到节能目的。

Description

一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别地，涉及一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法。
背景技术
Lora技术为LPWAN技术的一种，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特点。Lora整个网络协议层次如下，Application为应用层，常见的LoraWAN协议即为LoraMAC协议，协议定义的终端类型有 ClassA、ClassB、ClassC三种类型。ClassB定义ping周期，周期性进行下行数据监测。Class B的节点每128秒接收网关广播的携带时间参考信息的Beacon(信标)，用于校准自身的时钟。在2个Beacon 之间，节点会开启一些接收窗口(ping slot)，如果在窗口期接收到网关的preamble，那么它将接收完整的下行数据包。
由于每个节点距离网关的位置不同，其接收灵敏度也不同，所以 Ping slot所需要的个数PingNb也不大相同，在实际过程中为了保证通信质量的良好，常以PingNb的k为7，即最大PingNb个数进行数据传输。如果一个节点与网关的通信仅仅需要4(k＝2)次就可以，然而使用了128个Ping slot，多使用了124个Ping slot，也就意味着多耗费了124个Pingslot的能量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法，包括 Lora终端采用的算法、终端使用的MCU以及Lora射频模块，Lora 终端Class B采用的算法包括以下步骤：
S1：当节点接收Beacon，用二分搜索算法选取设定合适的PingNb,搜索过程从Beacon的数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较；
S2：通过时隙随机化得到每个节点的Ping Slot的开始时间点的偏移量PingOffset，对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量PingOffset，通过密钥为0的AES加密算法设计得出：
Key＝16×0x00
Rand＝aes128_encrypt(Key,BeaconTime|DevAddr|pad16)
PingOffset＝(Rand[0]+Rand[1]×256)moduloPingPeriod；
S3：进入数据接收的Ping Slot。
优选地，终端MCU选用STM8L系列MCU，STM8L系列MCU功耗低，不用外部存储设备，完全符合无线传输的要求。
优选地，所述Lora射频模块选用SX1278，SX1278属于Lora TM 扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率，能耗低。
本发明的有益效果：
由上述方案可知，终端算法采用二分搜索算法选取设定合适的 PingNb，每一次都可以使选取范围缩小一半，且以递归的形式，可以快速准确的选取设定的PingNb，极大的缩短了通信时间，同时也节省更多的能量。采用时隙随机化得到偏移 量可以保证Ping Slot里只有一个节点在进行数据传输，不会因通信系统性的碰撞或监听过载的情况而产生额外的能量消耗。因此，该方案可以有效的降低的功耗，达到节能目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明终端采用的算法流程图。
具体实施方式
参照图1，一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法，包括Lora终端采用的算法、终端使用的MCU以及Lora射频模块，Lora终端Class B采用的算法包括以下步骤：
S1：当节点接收Beacon，用二分搜索算法选取设定合适的PingNb,搜索过程从Beacon的数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较；
S2：通过时隙随机化得到每个节点的Ping Slot的开始时间点的偏移量PingOffset，对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量PingOffset，通过密钥为0的AES加密算法设计得出：
Key＝16×0x00
Rand＝aes128_encrypt(Key,BeaconTime|DevAddr|pad16)
PingOffset＝(Rand[0]+Rand[1]×256)moduloPingPeriod；
S3：进入数据接收的Ping Slot。。
终端MCU选用STM8L系列MCU，STM8L系列MCU功耗低，不用外部存储设备，完全符合无线传输的要求。
所述Lora射频模块选用SX1278，SX1278属于Lora TM扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率，能耗低。
终端算法采用二分搜索算法选取设定合适的PingNb，每一次都可以使选取范围缩小一半，且以递归的形式，可以快速准确的选取设定的PingNb，极大的缩短了通信时间，同时也节省更多的能量。采用时隙随机化得到偏移 量可以保证Ping Slot里只有一个节点在进行数据传输，不会因通信系统性的碰撞或监听过载的情况而产生额外的能量消耗。因此，该方案可以有效的降低的功耗，达到节能目的。
终端Class B通信机制
Class B的节点每128秒接收网关广播的携带时间参考信息的 Beacon(信标)，用于校准自身的时钟。在2个Beacon之间，节点会开启一些接收窗口(ping slot)，如果在窗口期接收到网关的 preamble，那么它将接收完整的下行数据包。
一个Beacon的时间是128s，具体分成Beacon_guard、 Beacon_reserved和Beacon_window。Beacon_guard的时间为3s，作用是防止Beacon帧数据与ping数据帧的冲突；Beacon_reserved的时间为2.12s，是Beacon帧的保留时隙；Beacon_window的时间为122.88s。
Beacon_window时间长度为122.88s，被划分成212＝4096个Ping slot，因此每个Ping slot为0.03s。
当节点接收Beacon，用二分搜索选取设定合适的PingNb，然后根据SlotRandomization中的PingOffset，进入数据接收的Ping Slot。
由于下行通信中的每个Beacon内都可以被划分成212＝4096个 Ping slot。但并不是所有的时隙内都进行数据传输，为了防止通信系统性的碰撞和监听过载的情况，每个节点在不同的一定数量Ping slot内进行下行数据的接收。因此需要对4096个slot进行编号索引和时隙随机化，以保证在这些Ping slot里只有一个节点在进行数据传输。
DevAddr：设备的32位网络单播或多播地址。
PingNb：一个Beacon下的Ping slot个数，且这个数为2的幂整数。
PingPeriod：节点接的Ping slot。
PingOffset：每给Beacon周期开始的偏移量，取值范围为0～ (PingPeriod-1)。
BeaconTime：这个值在BCNPayload，即将要接收Beacon帧的时间。
SlotLen：一个Ping slot的时长，30ms。
其中，PingNb的取值范围，
PingNb＝2k(1≤k≤7)
PingPeriod的值：
PingPeriod＝212/PingNb
为了保证每个节点接收数据的时刻是随机的，我们对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量PingOffset，通过密钥为0的 AES加密算法设计得出：
Key＝16×0x00
Rand＝aes128_encrypt(Key,BeaconTime|DevAddr|pad16)
PingOffset＝(Rand[0]+Rand[1]×256)moduloPingPeriod
每个节点的Ping slot开始的时间点为Ton：
Ton＝Beacon_reserved+(PingOffset+N×PingPeriod)×SlotLen
时隙随机化(Slot Randomization)，是把每个节点的Ping Slot 的开始时间点都有一个独一无二的PingOffset，因此以保证每个节点与网关的通信都是在不同的Slot下进行。
由于每个节点距离网关的位置不同，其接收灵敏度也不同，所以 Ping slot所需要的个数PingNb也不大相同，在实际过程中为了保证通信质量的良好，常以PingNb的k为7，即最大PingNb个数进行数据传输。如果一个节点与网关的通信仅仅需要4(k＝2)次就可以，然而使用了128个Ping slot，多使用了124个Ping slot，也就意味着多耗费了124个Pingslot的能量。
对于不同的节点，如何动态地设置其合适的PingNb，不仅可以缩短通信的时间，同时也可以节省更多的能量。
假定一个节点完整的通信时长所需要的PingNb的数量为N，节点所需要设置的PingNb必须为2的幂整数，因此如何在保证通信所需要的足够时间内，合利选取k值，可以省2^(7-k)个slot的能量。以二分法的思想，搜索大于N的最小2次幂。
二分搜索(Binary Search)，是一种在有序数组中查找某一特定元素的搜索算法。搜索过程从数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较。如果在某一步骤数组为空，则代表找不到。这种搜索算法每一次比较都使搜索范围缩小一半。
二分搜索每次都可以把搜索区减少一半，且以递归的形式，其时间复杂度O(logn)和空间复杂度O(1)，其中，n代表集合中的元素个数。
二分搜索是一种简单高效的算法，十分符合物联网下节点的MCU 的性能要求，同时也满足低功耗设计的节能目标。
MCU选型及引脚配置
终端MCU选用STM8L系列MCU，该系列为STM公司针对物联网WSN 节点设计，完全符合其资源紧张和性能苛求等特点。以STM8L151C8T6 为例，它属于超低功耗，不带RTC休眠为400nA，带RTC下休眠为 1.4uA。该MCU拥有较大的RAM(4KB)和自带EEPROM(2KB)，不用扩展外部存储设备，进行一步降低功耗和成本。
MCU与RF通过SPI总线连接，此外还有一些控制引脚；RF通过 DIO0～5引脚给MCU发通知信号，NSS/SCK/MISO/MOSI是SPI总线，RST2是MCU复位RF的引脚。
支持低功耗的MCU一般都有好几种运行模式，以ST公司的STM8L 为例，它支持5种低功耗模式：等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。如下表所示，每一种模式的进入方式，节能级别和外设工作要求。
Figure BDA0001817629310000081
如下表所示，将MCU的I/O引脚分为四类：Pin_NULL、Pin_VDD、 Pin_MCU_OUT、Pin_MCU_IN。
I/O引脚分类 详细释义
Pin_NULL 未连接的I/O引脚
Pin_VDD 接电源的I/O引脚
Pin_MCU_OUT IC输入，MCU输出的I/O引脚
Pin_MCU_IN IC输出，MCU输入的I/O引脚
对四类I/O口，测试实验结果如下表所示。
Figure BDA0001817629310000091
对于接电源的引脚Pin_VDD来说，Push-pull模式下电流为0.4 uA；Nopen-drain模式下电流为29.3uA。因此MCU接电源的引脚设置为Push-pull模式更省电。
对于悬空的引脚Pin_NULL来说，设置(1)Input,pull-up；(2) Output,open-drain,low level；(3)Output,push-pull,low level；(4)Output,push-pull,high level这四种工作模式均可以更节能，电流仅为0.4uA。
对于IC输入，MCU输出的引脚Pin_MCU_OUT来说，设置为Input, floating模式更节能。
对于IC输出，MCU输入的引脚Pin_MCU_IN来说，Input,pull-up 模式下能耗最小。
MCU配置
由硬件节能设计可知，MCU的Pin_MCU_OUT引脚和Pin_MCU_IN 引脚，在进入低功耗模式和退出低功耗模式之际，会发生动态切换引脚，即引脚的“第二次”功能配置。
由于动态引脚的切换需要一定的时间，以STM8L151C8T6为例，动态切换5个引脚需要477us，可见它一般用于休眠这种较长周期的节能模式，不适合空闲停止这种短暂节能模式。为减少软件维护成本，需要设计一种优秀的数据结构，它能描述MCU所有引脚，如果引脚功能改变，只需要修改数据定义，而不需要修改程序。
MCU始终是节点的持续消耗者，因此软件设计的重心依旧是尽可能快地让MCU节能，STM8L151C8T6有如下2种节能模式。
短暂等待：如等待RF发送数据帧完毕，MCU执行WFI指令，一旦RF完成发送，中断将MCU唤醒继续运行；
长期等待：如等待下一次主动上报数据帧，MCU执行HALT指令，当指定时间到达时，RTC中断将MCU唤醒继续运行。
Lora RF休眠
SX1278属于Lora TM扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率(那将消耗更多电能)。该射频芯片的电流消耗如下：休眠<0.2uA，空闲＝1.6mA，接收＝12mA，发射(最大功率)＝120mA.终端MCU通过“中断+定时器超时”方式控制SX1278，一旦射频完成发送或接收，立即进入休眠模式。
如下表所示，为Lora RF(SX1278)的能耗测试结果。
Figure BDA0001817629310000111
根据表数据不难发现，SX1278的四种工作模式耗能排序为： Sleep<Standby<Receive<Transmit。其中发送状态下耗能最多，休眠模式下耗能仅有0.2uA，因此在节点发送完毕之后，更多的处于休眠模式下最利于节能
Lora RF设计
Lora射频模块(Lora RF)是实现Lora协议无线传输重要部分，同时也是系统实现的基础支撑。并且节点(Node)和集中器(Sink) 具有相同射频模块的硬件结构，主要分为SX1278、TCXO和SWITCH三个模块。
其功能如下：
SX1278：完成Lora无线信号的接收和发送
TCXO：为SX1287高频电路提供精确的时钟
SWITCH：为半全双工的SX1278切换输入或输出状态
MCU：驱动SX1278，实现无线网络协议等
SX1278是Semtech公司推出的面向中国市场Lora射频IC(不支持支持862～1020MHz)。SX1278的DIO0～DIO5这六个引脚对应的事件响应如下表所示。
Figure BDA0001817629310000121
SWITCH对应切换的工作状态，如下表所示。
Figure BDA0001817629310000131
根据上文所述系统架构，本文设计并实现了相应的系统，节点和集中器均采用SX1278实现，具有相同的硬件结构，其中最主要的部分就是节点和集中器的射频模块。
以上所述只是本发明的较佳实施方式，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法，包括Lora终端采用的算法、终端使用的MCU以及Lora射频模块，其特征在于，Lora终端Class B采用的算法包括以下步骤：
S1：当节点接收Beacon，用二分搜索算法选取设定合适的PingNb,搜索过程从Beacon的数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较；
S2：通过时隙随机化得到每个节点的Ping Slot的开始时间点的偏移量PingOffset，对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量PingOffset，通过密钥为0的AES加密算法设计得出：
Key＝16×0x00
Rand＝aes128_encrypt(Key,BeaconTime|DevAddr|pad16)
PingOffset＝(Rand[0]+Rand[1]×256)moduloPingPeriod；
S3：进入数据接收的Ping Slot；
其中，DevAddr表示设备的32位网络单播或多播地址，BeaconTime表示将要接收信标帧的时间，PingPeriod表示节点接的Ping Slot，Ping Slot表示接收窗口。
2.根据权利要求1所述的一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法，其特征在于：终端MCU选用STM8L系列MCU。
3.根据权利要求1所述的一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法，其特征在于：所述Lora射频模块选用SX1278。
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