CN109587815A - 一种lpwan无线多用户接入网络结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LPWAN无线多用户接入网络结构及其控制方法，所述网络由一个无线网关与多个无线终端构成星型网络拓扑结构；所述网络为基于业务优先级构建的多级分布式拓扑结构，根据业务优先级将LPWAN中无线终端划分为3级，结合业务种类进行分类，同时根据它们之间的业务关联进行分区，分配地址编码；对于最高优先级的大区终端，采用查询方式，按地址1‑N轮询接入，确保可靠接入；为降低轮询周期，次优先级业务终端的接入采用随机竞争接入方式。本发明有效解决了大量终端随机接入信道拥塞及冲突的问题和高优先级用户业务的实时性上报要求，实现网关与数万个物联网终端之间的可靠、有序接入。

Description

一种LPWAN无线多用户接入网络结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及计算机物联网通信领域，具体涉及一种低功耗广域网络(LPWAN)无线多用户接入网络结构及其控制方法。

背景技术

LPWAN(Low-PowerWide-AreaNetwork)是一种低功耗的无线通信广域网络，可以实现几公里甚至几十公里的网络覆盖。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点其更适合于大规模的物联网应用部署。与传统的物联网技术相比，LPWAN技术有着明显低带宽、低功耗、远距离、大量连接的优点。LPWAN可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。

基于LPWAN技术的物联网通信网络可以通过无线模块进行组网通信，无线模块之间的通信网络大多采用星型网络。星型网络是指网络有一个网关，多个终端；无线网关和终端节点进行通信，终端之间不能通信，终端到网关只有一跳路径，并通过信道访问控制协议实现网关和多个终端之间双向、有序、高效通信。星型网络的优点是网络的容量比较大，但是传输的距离受限。

这种覆盖范围广泛的应用对现有的无线通信网络系统带来巨大的挑战，例如面临大量的终端被部署在一些特定的场所。当这些庞大的终端同时发起网络接入请求时，会有大量的实时数据传送和信令的交互，这就可能导致网络系统的拥塞，网络拥塞包括接入部分和信令部分。面对终端用户来说可能就会体验较长的时延、丢包，甚至无效服务等。因此应用时间级上的分布机制对上行链路负载控制、性能增强是很有必要的。

3GPP标准化组织提出了解决避免大量终端接入导致拥塞的EBA(Extended AccessBarring)机制，在拥塞的情况下，无线网关可以阻止那些配置EBA的终端访问网络。网关根据当前网络状态通过下行广播控制通道(BCCH)来广播EBA的参数信息，从而对终端是否接入进行控制。EBA被认为是能够控制潜在的触发型业务负载的一种方案，对于周期性数据传送的情况下，各个终端接入的时间较为分散，类似于均匀分布，所以性能比较理想，但对于有突发性数据传送的情况下，仍然存在信道访问的冲突问题，尤其是对一些高优先级业务终端，如果因为拥塞和冲突造成较长的时延、甚至数据丢失，会严重影响用户服务。例如在电力配电网，中低压设备数量巨大、分布范围广、密集、通信环境复杂，如中压线路开关、配电变压器设备、配电台区、低压断路器、用户电表等。一个典型的10kV线路带有30台配电变压器，每个配电台区平均300个用户，600只低压开关，总计上万只配电设备及各种开关。尤其是开关的带电状态监测终端数目庞大、集中，且具有频繁发送小数据的业务特征。另一方面，不同电压等级和不同位置的配电设备重要性及所带业务优先等级不同，例如高压开关及低压总开关的跳闸会影响大面积用户供电，异常跳闸信号应及时上报，同时上级开关的跳闸会造成下面线路停电，触发下级众多的带电状态监测终端同时、集中发起报警信号，造成上行接入信道的拥塞，导致上行通信冲突，报警信号丢失故障定位不准确，故障处理时间延迟。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于业务优先级构建LPWAN无线网关与终端的网关多级分布式网络结构，无线接入终端按照业务优先级和区域分配地址编码，LPWAN无线网关下发带有EBA的广播信号，从而对终端是否接入进行控制。有效解决了大量终端随机接入信道拥塞及冲突的问题和高优先级用户业务的实时性上报要求，实现网关与数万个物联网终端之间的可靠、有序接入。

本发明具体为一种LPWAN无线多用户接入网络结构，所述网络由一个无线网关与多个无线终端构成星型网络拓扑结构；无线网关作为网络的控制中心，负责网络的组建和管理；终端上电后在定义的频点探测网关下行广播信道和同步信标，主动发送入网请求信号，在网关注册；网关根据终端业务分类及优先级分配终端节点地址；终端之间不能通信，终端到网关只有一条路径，通过信道访问控制协议实现网关和多个终端之间双向通信。

进一步的，所述网络为基于业务优先级构建的多级分布式拓扑结构，根据业务优先级将LPWAN中无线终端划分为3级，结合业务种类进行分类，同时根据它们之间的业务关联进行分区，分配地址编码；无线终端具体划分为大区终端、分区终端及本地终端3级，其中大区终端包括N个，N>2，每个大区终端连接有多个分区终端，每个分区终端连接有多个本地终端。

进一步的，无线终端的地址编码中安排1个字节的业务类别和优先级控制位，各4个bit位；终端地址按照优先级分区为区域级、分区级和本地级三级，各1个字节8bit位。

本发明还包括一种LPWAN无线多用户接入控制方法，所述控制方法具体包括如下步骤：

步骤(1)、无线终端主动发送入网请求信号，在网关注册；

步骤(2)、无线网关根据无线终端业务分类及优先级分配终端节点地址；

步骤(3)、设定初始大区地址号M＝1；

步骤(4)、进行M号大区终端查询；

步骤(5)、进行M号大区下的分区终端数据竞争上报；

步骤(6)、进行M号大区下的本地终端数据竞争上报；

步骤(7)、令大区地址号M＝M+1；

步骤(8)、判断大区地址号M是否小于大区终端个数N，若是，返回步骤(4)，继续进行大区终端查询以及分区终端、本地终端的数据竞争上报；若否，返回步骤(3)，进入下一轮的地址轮询接入。

与现有LPWAN广域物联网无线通信接入控制方法相比，本发明主要有以下优点：

(1)根据终端业务优先级通信接入的要求，通过对终端地址优先级编码，构建了多级分布式网络结构，非常适合于工业级物联网接入的应用要求。解决了不同优先级业务接入的实时性、可靠性。

(2)对关联业务终端分区，结合地址编码采用接入阻塞控制方法打散同类触发终端的集中接入，有效避免多用户同时突发造成的随机信道拥塞、数据包冲突丢失等发生，提高了系统接入效率和业务可靠性。

(3)查询与竞争接入相结合的接入控制方法，既克服了单独采用查询方式时间长、效率低、业务实时性差的缺点，也解决了随机接入造成高优先级业务丢失的问题，接入控制方法兼顾了两者的优势。

(4)通过对现有LPWAN网络通信协议扩充，就可实现LPWAN无线网关与众多终端之间的双向可靠连接，非常适合短报文、低频次、突发性主动上报的电力故障报警业务应用，具有实现简单、通信协议可操作性强、安全可靠、经济实用、应用方便的特点。

附图说明

图1为本发明的LPWAN无线网络结构图；

图2为本发明提出的一种基于业务优先级构建的多级分布式LPWAN网络拓扑示意图；

图3为本发明提出的无线终端地址编码规则；

图4为本发明LPWAN无线多用户接入控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明一种LPWAN无线多用户接入网络结构及其控制方法具体实例做详细阐述。

图1为本发明的LPWAN无线网络结构图，网络由一个无线网关与多个无线终端构成的星型网络拓扑结构。无线网关作为网络的控制中心，负责网络的组建和管理，终端上电后在定义的频点探测网关下行广播信道和同步信标，主动发送入网请求信号，在网关注册，网关根据终端业务分类及优先级分配终端节点地址。终端之间不能通信，终端到网关只有一条路径，通过信道访问控制协议实现网关和多个终端之间双向通信。

LPWAN无线网关一般部署在无线覆盖区域的中心位置，实现几公里甚至几十公里的网络覆盖，可连接数千上万个通信终端。这些分布于物联网业务侧的数量庞大的终端逻辑上是平等的，终端只与网关通信。终端与同一网关共享相同的频谱资源，由于无线频谱资源的有限，终端与网关之间需要信道访问控制协议(MAC)来解决信道资源共享问题。常规的Polling轮询协议和ALOHA随机接入访问控制协议，适合于网络规模和终端节点较少的无线局域网，在信道资源充足时可有满足业务的实时性、可靠性要求。LPWAN网络具有覆盖范围大、连接终端多、服务的物联网业务种类的性能要求差异大，尤其是面对电网等工业物联网场景，必须结合业务应用要求，保障承载的重要业务的实时性、可靠性要求。

如典型的电力配电物联网是一种典型的分布式树型结构，LPWAN无线终端安装在电网智能设备中，因不同电压等级和位置的电力设备重要性的不同，及无线终端承载业务的差异，逻辑上需要对无线终端根据业务重要性划分接入分级，并对主动上报类型业务节点分类地址编码，便于采用EBA机制打散集中接入。

图2为本发明提出的一种基于业务优先级构建的多级分布式LPWAN网络拓扑示意图。根据业务优先级将LPWAN中无线终端划分3级，结合业务种类进行分类，同时根据它们之间的业务关联进行分区，分配地址编码。

图3为本发明提出的无线终端地址编码规则。在地址编码中安排1个字节的业务类别和优先级控制位，各4个bit位；终端地址按照优先级分区为区域级、分区级和本地级三级，各1个字节8bit位。

工业物联网应用下，业务终端具有终端数目庞大、单节点数据量小、发送低频次、突发性(主动上报)、业务优先级保障等特点，为保障高优先级终端通信的实时性、可靠性，同时避免大量低优先级终端主动上报时信道冲突而丢包的要求，本发明提出一种适用于多用户触发的接入控制方法，图4为本发明LPWAN无线多用户接入控制方法的流程图。无线网关控制终端的入网注册，根据接入终端所带业务种类、优先级分配相应的地址编码；对于最高优先级的大区终端，采用查询方式，按地址1-N轮询接入，确保可靠接入。为降低轮询周期，次优先级业务终端的接入采用随机竞争接入方式，先是同一大区内的分区终端竞争接入，而后是同一大区内的本地终端竞争接入。

本发明提出了一种适用于工业物联网应用的低功耗广域网络(LPWAN)无线多用户接入控制的方法。本发明基于业务重要度的优先级机制和接入阻塞控制方法，对多个无线接入终端分配地址编码，LPWAN无线网关与终端之间通过基于用户优先级的接入控制协议，实现网关与数万个物联网终端之间的实时、可靠、有序接入，一方面解决了高优先级用户业务的实时性上报要求，另一方面解决了大量终端随机接入信道拥塞及冲突的问题。

本发明提出的基于用户业务重要度的优先级分类和接入阻塞控制方法，有效解决了现有LPWAN网络随机接入中因大量终端同时发起随机接入信道请求时，造成的随机信道冲突与阻塞，导致业务信息丢失或时延，进而影响物联网业务可靠、高效接入的问题。通过对现有LPWAN网络通信协议扩充，就可实现LPWAN无线网关与众多终端之间的双向可靠连接，非常适合短报文、低频次、突发性、主动上报的工业物联网状态监测与故障报警业务应用，具有实现简单、通信协议可操作性强、安全可靠、经济实用、应用方便的特点。

最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (4)

1.一种LPWAN无线多用户接入网络结构，其特征在于，所述网络由一个无线网关与多个无线终端构成星型网络拓扑结构；无线网关作为网络的控制中心，负责网络的组建和管理；终端上电后在定义的频点探测网关下行广播信道和同步信标，主动发送入网请求信号，在网关注册；网关根据终端业务分类及优先级分配终端节点地址；终端之间不能通信，终端到网关只有一条路径，通过信道访问控制协议实现网关和多个终端之间双向通信。

2.根据权利要求1所述的一种LPWAN无线多用户接入网络结构，其特征在于，所述网络为基于业务优先级构建的多级分布式拓扑结构，根据业务优先级将LPWAN中无线终端划分为3级，结合业务种类进行分类，同时根据它们之间的业务关联进行分区，分配地址编码；无线终端具体划分为大区终端、分区终端及本地终端3级，其中大区终端包括N个，N>2，每个大区终端连接有多个分区终端，每个分区终端连接有多个本地终端。

3.根据权利要求2所述的一种LPWAN无线多用户接入网络结构，其特征在于，无线终端的地址编码中安排1个字节的业务类别和优先级控制位，各4个bit位；终端地址按照优先级分区为区域级、分区级和本地级三级，各1个字节8bit位。

4.一种LPWAN无线多用户接入控制方法，基于权利要求2-3中任一项所述的一种LPWAN无线多用户接入网络结构，其特征在于，所述控制方法具体包括如下步骤：

步骤(1)、无线终端主动发送入网请求信号，在网关注册；

步骤(2)、无线网关根据无线终端业务分类及优先级分配终端节点地址；

步骤(3)、设定初始大区地址号M＝1；

步骤(4)、进行M号大区终端查询；

步骤(5)、进行M号大区下的分区终端数据竞争上报；

步骤(6)、进行M号大区下的本地终端数据竞争上报；

步骤(7)、令大区地址号M＝M+1；

步骤(8)、判断大区地址号M是否小于大区终端个数N，若是，返回步骤(4)，继续进行大区终端查询以及分区终端、本地终端的数据竞争上报；若否，返回步骤(3)，进入下一轮的地址轮询接入。