CN110049562B - 一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，包括终端、网关、网络服务器、应用服务器、注册服务器和网络控制服务器，还包括与网络服务器通信连接的网关时间资源分配服务器；其中，网关部分上行信道为TDMA信道；网关时间资源分配服务器用于对网关TDMA信道进行时间片切分，接受终端对时间片的申请和释放；网络服务器下发的终端注册接受包内包含所述物联网支持TDMA信道接入的指示；终端支持TDMA信道接入，在需要TDMA方式发包时，发出时间片申请包，发包结束后，发出时间片释放包。本发明将网关部分上行信道设置为TDMA信道，实现物联网TDMA接入，大幅提升网关信道占用率，提升网络容量，避免相互干扰，提高传送服务质量。

Description

一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网

技术领域

本发明涉及一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，属于物联网技术领域。

背景技术

在蜂窝无线技术领域，一个基站覆盖一个区域，为该区域的终端提供通信服务。基站的资源就是信道，是整个区域的共享资源，由于无线信号是广播信号，多个终端在一个信道同时发包时就会发生相互干扰，因此每个终端要想进行通信，必须先进行信道资源申请，由基站进行分配，这样实现各终端发包相互隔离，避免相互干扰。

目前熟知的信道资源分配方法有如下几种：时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA），这几种方法分别用于GSM/UMTS网络中。目前在LoRaWAN中，为了简化终端侧实现，并没有采用上述多址方式，而是采用最简单的ALOHA 随机接入信道方式。ALOHA方式实现简单，由终端随机接入，网络无控制，但主要缺点就是信道利用率低，理论占空比只有18%，一旦占空比提高，就会导致严重碰撞，终端丢包率剧增，网络无法提供服务，即使增加CSMA机制，也只能稍微改善，而难以根本上解决。

这就导致在一些高频次物联网应用中，LoRaWAN技术难以应用，一个LoRa网关可服务的终端数量过少，业务服务质量无法保证。

发明内容

本发明提供了一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，解决了传统物联网存在的上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，包括终端、网关、网络服务器、应用服务器、注册服务器和网络控制服务器，终端与网关通信连接，网关与网络服务器通信连接，应用服务器、注册服务器和网络控制服务器均与网络服务器通信连接，还包括与网络服务器通信连接的网关时间资源分配服务器；

其中，网关部分上行信道为TDMA信道；

网关时间资源分配服务器用于对网关TDMA信道进行时间片切分，接受终端对时间片的申请和释放；

网络服务器下发的终端注册接受包内包含所述物联网支持TDMA信道接入的指示；

终端支持TDMA信道接入，在需要TDMA方式发包时，发出时间片申请包，发包结束后，发出时间片释放包。

网关时间资源分配服务器根据发包周期、时间片周期以及TDMA信道数量，确定时间片资源数量，时间片资源数量= TDMA信道数量×（发包周期/时间片周期）。

网关时间资源分配服务器包括TDMA信道群时间片管理模块、GW-TDMA信道群映射表、TDMA信道群配置表、忙队列表和空闲队列表；

TDMA信道群时间片管理模块：初始时，对所连网关的TDMA信道进行时间片切分，将切分的时间片加入空闲队列表；根据时间片申请包中的网关标识，从GW-TDMA信道群映射表中查找该网关对应的TDMA信道群标识，根据TDMA信道群标识从TDMA信道群配置表中查找该TDMA信道群是否允许终端接入，若允许，则从空闲队列表中分配适配的时间片给终端，并将分配的时间片信息下发给终端，分配后的时间片加入忙队列表；根据时间片释放包中的时间片信息查找忙队列表，释放相应的时间片，并将释放的时间片加入空闲队列表；

GW-TDMA信道群映射表：存有网关与TDMA信道群的映射关系；

TDMA信道群配置表：配置有每个TDMA信道群的相关参数，包括可分配的应用标识；

忙队列表：保存TDMA信道群已分配的时间片；

空闲队列表：保存TDMA信道群未分配的时间片。

还包括连接网络服务器的网络服务器接口模块；

网络服务器接口模块：接收并解析时间片申请包和时间片释放包；发送时间片申请包的反馈。

还包括配置接口，配置接口：对GW-TDMA信道群映射表和TDMA信道群配置表进行配置。

分配时间片的数量根据时间片申请包中的信道占用时间计算获得，具体公式为，分配时间片的数量= RoundUp（信道占用时间 /时间片周期）。

本发明所达到的有益效果：本发明通过将网关部分信道设置为TDMA信道，实现物联网TDMA接入，大幅提升网关信道占用率，提升网络容量，避免相互干扰，提高传送服务质量。

附图说明

图1为本发明的架构框图；

图2为传统的网关信道分配图；

图3为本发明网关的信道分配图；

图4为网关时间资源分配服务器结构框图；

图5为终端的架构框图；

图6为终端实现TDMA信道接入流程；

图7为终端实现TDMA信道释放流程。

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。

如图1所示，一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，包括终端（Mote）、网关（GW）、网络服务器（NS）、应用服务器（AS）、注册服务器（JS）、网络控制服务器（NC）和网关时间资源分配服务器（GTSDS）。终端与网关通信连接，网关与网络服务器通信连接，应用服务器、注册服务器、网络控制服务器和网关时间资源分配服务器均与网络服务器通信连接。

这里的网络服务器功能与传统的一样，用以实现物联网MAC层协议功能，为每个终端分配一个网络地址，保存一个转发上下文，保存有终端认证密钥。应用服务器功能也和传统的一样，用以实现物联网应用，为每个终端保存一个会话上下文，保存有终端加密密钥。注册服务器也和传统的一样，用以实现终端的认证，会话密钥生成功能，保存有每个终端的签约信息和根密钥，根密钥会在认证过程中生成终端加密密钥和终端认证密钥，分别传送给应用服务器和网络服务器。网络控制服务器也和传统的一样，用以实现对物联网的无线参数控制功能。

网关实现上行接收转发，下行接收发送功能，同时网关支持GPS，周期性发送Beacon帧，携带GPS时间信息，便于终端和网络保持时间同步。

传统的网关信道分配如图2所示，网关信道由一个ALOHA方式接入上行信道群 +一个下行信道群组成。而这里的网关信道如图3所示，网关部分上行信道为TDMA信道，上行信道分为两个群，ALOHA方式接入上行信道群和TDMA方式接入上行信道群。

网关时间资源分配服务器用于对网关TDMA信道进行时间片切分，接受终端对时间片的申请和释放。具体如图4所示，包括网络服务器接口模块、TDMA信道群时间片管理模块、GW-TDMA信道群映射表、TDMA信道群配置表、忙队列表、空闲队列表和配置接口。

网络服务器接口模块为连接网络服务器的接口，用以接收并解析时间片申请包和时间片释放包；发送时间片申请包的反馈。

TDMA信道群时间片管理模块：初始时，对所连网关的TDMA信道进行时间片切分，将切分的时间片加入空闲队列表；根据时间片申请包中的网关标识，从GW-TDMA信道群映射表中查找该网关对应的TDMA信道群标识，根据TDMA信道群标识从TDMA信道群配置表中查找该TDMA信道群是否允许终端接入，若允许，则从空闲队列表中分配适配的时间片给终端，并将分配的时间片信息下发给终端，分配后的时间片加入忙队列表；根据时间片释放包中的时间片信息查找忙队列表，释放相应的时间片，并将释放的时间片加入空闲队列表。

根据发包周期、时间片周期以及TDMA信道数量，确定时间片资源数量，时间片资源数量=TDMA信道数量×（发包周期/时间片周期），其中，发包周期就是参与TDMA信道接入的终端的发包周期，在周期内发包一次，每个TDMA信道群的循环发包周期固定，不同TDMA信道群的循环发包周期可以不同；时间片周期就是TDMA信道时间资源分配的具体粒度。

对于物联网终端来说，周期性采样终端每次发包包长相同，如果采用同一扩频因子SF发送，则每次发包的信道占用时间是相同的，因此知道信道占用时间后，可以计算分配时间片的数量，分配时间片的数量= RoundUp（信道占用时间 /时间片周期），RoundUp表示向上取整。

GW-TDMA信道群映射表：存有网关与TDMA信道群的映射关系；可以是1：1的关系，也可以是N：1的关系，也就是一个TDMA信道群包含1到多个网关。

TDMA信道群配置表：配置有每个TDMA信道群的相关参数，包括信道数量、各信道工作频点、发包周期、时间片长度、可分配的应用标识等。

忙队列表：保存TDMA信道群已分配的时间片，包括时间片与终端标识的分配映射关系。

空闲队列表：保存TDMA信道群未分配的时间片。

配置接口：通过MML（人机语言）对GW-TDMA信道群映射表和TDMA信道群配置表进行配置。

当多个网关重叠覆盖时，可以将这多个网关归并到一个时间片调度群，时间片资源合一调度，避免相互干扰。

网关时间资源分配服务器分配时间片的过程如下：

A1）网络服务器接口模块接收时间片申请包，解析时间片申请包，获得网关标识、终端标识、发包周期等，将解析后的时间片申请包发送给TDMA信道群时间片管理模块。

A2）TDMA信道群时间片管理模块根据网关标识，从GW-TDMA信道群映射表中查找是否有该网关对应的TDMA信道群标识，若有，转至步骤A3，否则拒绝申请。

A3）根据TDMA信道群标识从TDMA信道群配置表中查找该TDMA信道群是否允许终端接入，若允许，则从空闲队列表中分配适配的一到多个连续时间片给终端，并将分配的时间片信息（包括信道号、发包周期、时间片编号以及时间片数量等）封装为应答消息下发给终端，分配后的时间片加入忙队列表。

网关时间资源分配服务器释放时间片的过程如下：

B1）网络服务器接口模块接收时间片释放包，解析时间片释放包，获得TDMA信道群标识、信道号、时间片编号等，将解析后的时间片释放包发送给TDMA信道群时间片管理模块。

B2）TDMA信道群时间片管理模块根据TDMA信道群标识、信道号和时间片编号查找忙队列表，释放相应的时间片，并将释放的时间片加入空闲队列表。

终端实现各种物联网终端功能，内置物联网Modem实现和网络的通信，每个终端分配有一个终端标识（即电子识别号），终端即终端支持ALOHA信道接入，也终端支持TDMA信道接入，在需要TDMA方式发包时，发出时间片申请包，发包结束后，发送时间片释放包。

如图5所示，终端包括应用层API接口模块、MAC层控制模块、终端上下文模块、发包处理模块、收包处理模块、Modem驱动模块、Beacon侦听时间同步模块和时间片缓存表。

应用层API接口模块：为MAC层对应用层提供的服务接口。

MAC层控制模块：实现物联网MAC层协议处理流程。

终端上下文模块：保存终端转发上下文信息，包括终端标识、终端地址、会话密钥、收发包序列号等信息。

发包处理模块：完成发送包流程。

收包处理模块：完成接收包流程。

Modem驱动模块：实现对Modem芯片的驱动。

Beacon侦听时间同步模块：实现对网络层Beacon帧的接收，并对本地时间进行修正，实现和网络层时间同步。

时间片（TS）缓存表：缓存分配的时间片信息，用于循环发包处理。

如图6所示，终端实现TDMA信道接入流程，具体如下：

C1）终端启动后，先进入ALOHA信道接入模式，通过与网络默认的注册信道发送终端注册请求包。

C2）网络服务器收到终端注册请求包后，解码得到终端标识、认证随机数、注册服务器标识等信息，转发给注册服务器进行认证，当认证通过后；再配置终端发送路径网关的TDMA信道群信息，是否支持TDMA信道接入等信息，网络服务器在下发的终端注册接受包内增加所述物联网支持TDMA信道接入的指示，告诉终端网络是否支持TDMA信道接入。

C3）终端收到终端注册接受包后，判断网络是否支持TDMA信道接入，保存在终端上下文中，若支持，则转至步骤C4，否则终端只能在ALOHA信道接入模式。

C4）终端进入TDMA信道接入模式，这时先进行网络时间同步，即终端在网络指定信道上持续侦听Beacon帧，待收到Beacon帧后，解码得到网络时间，对本地时间进行修正，后续需要持续接收Beacon帧，保持同步。

C5）终端发起时间片申请包，内含发包周期、发包扩频因子、包长信息、信道占用时间等。

C6）网络服务器收到终端发送的时间片申请包，转发给网关时间资源分配服务器，携带传送路径网关标识、终端标识、发包周期、信道占用时间等信息。

C7）网关时间资源分配服务器收到时间片申请包后，为其分配时间片资源，通过时间片申请响应消息发送给网络服务器，网络服务器将这些信息保存在本地终端上下文中，然后将时间片申请响应转发给终端。

C8）终端收到时间片申请响应后，解码得到信道号、时间片编号、时间片数量等信息，切换到TDMA信道接入模式，通知应用层。

C9）应用层可以周期性向网络发包，MAC层在分配的信道，指定的时间片上进行发包，包类型为非确认上行帧。

终端实现TDMA信道释放流程如图7所示：

D1）当应用层要求退出TDMA信道接入模式，或者失去时间同步，则终端决定退出TDMA信道模式，进入ALOHA信道接入模式。

D2）终端向网络发送时间片释放包，释放TS资源。

D3）网络服务器收到时间片释放包后，转发给网关时间资源分配服务器处理，携带终端的终端标识、网关标识、时间片编号、时间片数量等信息。

D4）网关时间资源分配服务器收到时间片释放包后，释放相关时间片资源，并反馈释放结果给终端。

本发明将网关部分上行信道设置为TDMA信道，实现LoRaWAN物联网TDMA方式接入，大幅提升网关信道占用率，提升网络容量，避免相互干扰，提高传送服务质量。

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)

1.一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，包括终端、网关、网络服务器、应用服务器、注册服务器和网络控制服务器，终端与网关通信连接，网关与网络服务器通信连接，应用服务器、注册服务器和网络控制服务器均与网络服务器通信连接，其特征在于：还包括与网络服务器通信连接的网关时间资源分配服务器；

其中，网关部分上行信道为TDMA信道；上行信道分为两个群，ALOHA方式接入上行信道群和TDMA方式接入上行信道群；

网关时间资源分配服务器用于对网关TDMA信道进行时间片切分，接受终端对时间片的申请和释放；

网络服务器下发的终端注册接受包内包含所述物联网支持TDMA信道接入的指示；

终端支持TDMA信道接入，在需要TDMA方式发包时，发出时间片申请包，发包结束后，发出时间片释放包；

终端实现TDMA信道接入流程如下：

C1）终端启动后，先进入ALOHA信道接入模式，通过与网络默认的注册信道发送终端注册请求包；

C2）网络服务器收到终端注册请求包后，解码得到终端标识、认证随机数、注册服务器标识，转发给注册服务器进行认证，当认证通过后，再配置终端发送路径网关的TDMA信道群信息、是否支持TDMA信道接入，网络服务器在下发的终端注册接受包内增加所述物联网支持TDMA信道接入的指示，告诉终端网络是否支持TDMA信道接入；

C3）终端收到终端注册接受包后，判断网络是否支持TDMA信道接入，保存在终端上下文中，若支持，则转至步骤C4，否则终端在ALOHA信道接入模式；

C4）终端进入TDMA信道接入模式，终端在网络指定信道上持续侦听Beacon帧，待收到Beacon帧后，解码得到网络时间，对本地时间进行修正，后续持续接收Beacon帧，保持同步；

C5）终端发起时间片申请包，内含发包周期、发包扩频因子、包长信息、信道占用时间；

C6）网络服务器收到终端发送的时间片申请包，转发给网关时间资源分配服务器，携带传送路径网关标识、终端标识、发包周期、信道占用时间；

C7）网关时间资源分配服务器收到时间片申请包后，为其分配时间片资源，通过时间片申请响应消息发送给网络服务器，网络服务器将这些信息保存在本地终端上下文中，然后将时间片申请响应转发给终端；

C8）终端收到时间片申请响应后，解码得到信道号、时间片编号、时间片数量，切换到TDMA信道接入模式，通知应用层；

C9）应用层周期性向网络发包，MAC层在分配的信道、指定的时间片上进行发包，包类型为非确认上行帧。

2.根据权利要求1所述的一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，其特征在于：网关时间资源分配服务器根据发包周期、时间片周期以及TDMA信道数量，确定时间片资源数量，时间片资源数量=TDMA信道数量×（发包周期/时间片周期）。

3.根据权利要求1所述的一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，其特征在于：网关时间资源分配服务器包括TDMA信道群时间片管理模块、GW-TDMA信道群映射表、TDMA信道群配置表、忙队列表和空闲队列表；

TDMA信道群时间片管理模块：初始时，对所连网关的TDMA信道进行时间片切分，将切分的时间片加入空闲队列表；根据时间片申请包中的网关标识，从GW-TDMA信道群映射表中查找该网关对应的TDMA信道群标识，根据TDMA信道群标识从TDMA信道群配置表中查找该TDMA信道群是否允许终端接入，若允许，则从空闲队列表中分配适配的时间片给终端，并将分配的时间片信息下发给终端，分配后的时间片加入忙队列表；根据时间片释放包中的时间片信息查找忙队列表，释放相应的时间片，并将释放的时间片加入空闲队列表；

GW-TDMA信道群映射表：存有网关与TDMA信道群的映射关系；

TDMA信道群配置表：配置有每个TDMA信道群的相关参数，包括可分配的应用标识；

忙队列表：保存TDMA信道群已分配的时间片；

空闲队列表：保存TDMA信道群未分配的时间片。

4.根据权利要求3所述的一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，其特征在于：还包括连接网络服务器的网络服务器接口模块；

网络服务器接口模块：接收并解析时间片申请包和时间片释放包；发送时间片申请包的反馈。

5.根据权利要求3所述的一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，其特征在于：还包括配置接口，配置接口：对GW-TDMA信道群映射表和TDMA信道群配置表进行配置。

6.根据权利要求3所述的一种支持TDMA接入的LoRaWAN物联网，其特征在于：分配时间片的数量根据时间片申请包中的信道占用时间计算获得，具体公式为，分配时间片的数量=RoundUp（信道占用时间 /时间片周期）。

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