CN110278617B - 一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法。包括以下步骤:LoRa节点发送带有LoRa节点的发送周期的入网请求数据包,LoRa TDMA服务器发送带有LoRa节点多播地址和多播地址序号的入网接受数据包,当有LoRa节点的发送周期到达时,在下发的多播数据负载中设置相应的位,LoRa节点收到多播数据后,判断是否发送上行数据。在有些应用场景需要更高的信道利用率时,本发明利用多播实现的LoRaWAN时分多址机制可以极大地提高信道利用率。

Description

一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法
技术领域
本发明涉及广域物联网技术之一的LoRaWAN技术领域,尤其涉及一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法。
背景技术
低功耗广域网(LPWAN),是一种数据速率低、通信距离远的无线通信广域网络,作为低功耗广域网中的主流技术,LoRa在通信距离、电池使用寿命、适用的场景、成本等方面更具有优势。标准的LoRaWAN网络系统存在很多的局限,根据实际的应用需求,有些应用场景需要更高的信道利用率。标准的LoRaWAN协议的各个终端节点使用纯ALOHA发送数据,信道利用率很低。时分多址技术可以使LoRaWAN网络的信道利用率得到提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的:一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,包括以下步骤:
第一步:LoRa节点请求入网。入网请求数据包的消息格式增加字段TxCycle,TxCycle字段表示LoRa节点的发送周期。
第二步:LoRa TDMA服务器接受入网。入网接受数据包中增加字段McAddr和字段McSeq,McAddr字段表示节点的多播地址,McSeq字段表示此节点在多播地址McAddr中的序号。
第三步:LoRa TDMA服务器下发多播数据给多个节点。LoRa TDMA服务器遍历所有LoRa节点,当有LoRa节点的发送周期到达时,下发相应的多播数据。
第四步:LoRa节点收到多播数据后,判断是否发送上行数据。当多播数据负载中包含的多播地址与LoRa节点的多播地址一致时,在相应的信道上做延迟发送。
进一步地,LoRaWAN网络包含LoRa节点和LoRa服务器,LoRa服务器由四部分组成:LoRa网桥、LoRa网络服务器、LoRa应用服务器、LoRa TDMA服务器;LoRa网桥的功能包括:UDP数据转MQTT数据,MQTT数据转UDP数据,配置网关;LoRa网络服务器的功能包括:处理MAC层上行数据,发送MAC层下行数据,处理网关状态信息;LoRa应用服务器的功能包括:处理入网请求,加密与解密应用层数据,存储应用层数据;LoRa TDMA服务器的功能包括:调度多播数据发送,统计TDMA信息。
进一步地,LoRa网络服务器、LoRa应用服务器、LoRa TDMA服务器的开发环境均为Linux系统,编程语言使用Golang;数据持久化存储使用PostgreSQL,数据非持久化存储使用Redis;数据通信协议包括HTTP、gRPC、MQTT。
进一步地,在LoRa节点入网之前,先向LoRa服务器发送入网请求数据包,如果LoRa服务器允许这个节点入网则回复入网接受数据包,否则不回复。
进一步地,LoRaWAN服务器收到入网请求数据包,保存LoRa节点的发送周期,当周期到达时,LoRa节点收到LoRa服务器下发的多播数据包。
进一步地,LoRa TDMA服务器启动后,监听LoRa节点发送的入网请求数据包,根据负载中的发送周期字段TxCycle,分配多播地址,并确定LoRa节点在多播地址中的序号;当多个LoRa节点的发送周期一样时,分配相同的多播地址。
进一步地,LoRa TDMA服务器根据如下规则调度LoRa节点的发送:当属于某个多播地址的多个节点发送周期到达时,LoRa TDMA服务器下发一个多播数据包,此多播数据包负载中含有一个多播地址字段McAddr;
LoRa节点打开接收窗口后,当接收到完整的LoRa多播数据包时,如果收到的多播数据包中包含LoRa节点入网时LoRa服务器分配的多播地址,则延迟时间Tdelay和选择的信道channel如下:
Tdelay=Tpacket×floor(McSeq/total_channal)
channel=McSeq%total_channal
其中McSeq为此节点在多播地址McAddr中的序号,total_channal表示使能的信道总数;floor()表示向下取整函数;Tpacket为LoRa信号的传输时间,等于前导码时间加上有效负载时间:
Tpacket=Tpreamble+Tpayload
前导码的传输时间Tpreamble为:
Tpreamble=(npreamble+4.25)Tsym
其中npreamble表示前导码长度,
Figure BDA0002103545530000021
为符号速率;
有效负载的传输时间Tpayload为:
Tpayload=npayload×Tsym
其中npayload为有效负载符号数,定义如下:
npayload=8+max(ceil(tmp)(CR+4),0)
Figure BDA0002103545530000031
其中ceil()表示向上取整函数,PL为有效负载的字节数,SF表示扩频因子,IH表示是否含有数据头,DE表示是否开启低数据速率优化,CRC表示是否开启CRC校验,CR为编码率。
本发明的有益效果是:本发明利用多播实现时分多址机制,LoRa节点间不再使用纯ALOHA机制,减小了LoRaWAN网络系统内的LoRa节点间的数据冲突,提高了网络的信道利用率。
附图说明
图1为LoRaWan网络组成框架图;
图2为LoRa服务器主要功能示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点更加明显,下文将作进一步详细的说明。
LoRaWAN网络系统包含LoRa节点、LoRa网关、LoRa网桥、LoRa网络服务器、LoRa应用服务器、LoRa TDMA服务器(如附图1)。
空中激活(OTAA)是指在LoRa节点入网之前,先向LoRa服务器发送一个入网请求数据包。这个入网请求数据包的负载部分由三部分组成:DevEUI(设备唯一标识)、AppEUI(应用唯一标识,最新LoRaWAN协议里已经不强调此字段了)、DevNonce(随机数)。如果LoRa服务器允许这个节点入网则回复入网接受数据包,否则不回复。入网接受数据包的负载部分由6个部分组成:AppNonce(应用程序随机数)、NetID(网络标识符)、DevAddr(设备短地址,后续通信都使用此地址)、DLSettings(下行链路接收窗口设置)、RxDelay(接收延迟时间)、CFList(信道频率列表,只在某些国家有这个字段)。
为了使用时分多址机制,入网请求数据包的消息格式增加一个4字节的字段TxCycle。TxCycle字段表示LoRa节点的发送周期,时间单位为毫秒(ms),LoRaWAN服务器收到入网请求数据包,保存LoRa节点的发送周期,当周期到达时,LoRa节点收到LoRa服务器下发的多播数据包;入网接受数据包中增加一个4字节的多播地址McAddr和一个1字节的字段McSeq,McAddr字段表示此节点的多播地址,McSeq字段表示此节点在多播地址McAddr中的序号。
入网请求数据负载消息改进格式
字节数 8 8 2 4
Join req AppEUI DevEUI DevNonce TxCycle
入网接受数据负载消息改进格式
字节数 3 3 4 1 1 4 1 可选(16)
Join accept AppNonce NetID DevAddr DLSettings RxDelay McAddr McSeq CFList
LoRa服务器由四部分组成:LoRa网桥,LoRa网络服务器,LoRa应用服务器,LoRaTDMA服务器(如附图2)。LoRa网桥的功能包括:UDP数据转MQTT数据,MQTT数据转UDP数据,配置网关。LoRa网络服务器的功能包括:处理MAC层上行数据,发送MAC层下行数据,处理网关状态信息。LoRa应用服务器的功能包括:处理入网请求,加密与解密应用层数据,存储应用层数据。LoRa TDMA服务器的功能包括:调度多播数据发送,统计TDMA信息。本发明主要阐述LoRa TDMA服务器的设计。LoRa各个服务器的开发环境都是Linux系统,编程语言使用Golang。数据持久化存储使用PostgreSQL,数据非持久化存储使用Redis。数据通信协议有HTTP、gRPC和MQTT等。
LoRa TDMA服务器启动后,监听LoRa节点发送的入网请求数据包,根据负载中的发送周期字段TxCycle,分配多播地址,并确定此LoRa节点在多播地址中的序号。当多个LoRa节点的发送周期一样时,分配相同的多播地址。通过入网接受数据包回复给LoRa节点。
LoRa TDMA服务器根据如下规则调度LoRa节点的发送:当属于某个多播地址的多个节点发送周期到达时,LoRa TDMA服务器下发一个多播数据包,此多播数据包负载中含有一个多播地址字段McAddr。
多播数据负载消息格式
字节数 4
Join req McAddr
LoRa节点打开接收窗口后,当接收到完整的LoRa多播数据包时,如果收到的多播数据包中包含LoRa节点入网时LoRa服务器分配的多播地址,则延迟时间Tdelay和选择的信道channel如下:
Tdelay=Tpacket×floor(McSeq/total_channal)
channel=McSeq%total_channal
其中McSeq为此节点在多播地址McAddr中的序号,total_channal表示使能的信道总数;floor()表示向下取整函数;Tpacket为LoRa信号的传输时间,等于前导码时间加上有效负载时间:
Tpacket=Tpreamble+Tpayload
前导码的传输时间Tpreamble为:
Tpreamble=(npreamble+4.25)Tsym
其中npreamble表示前导码长度,
Figure BDA0002103545530000051
为符号速率;
有效负载的传输时间Tpayload为:
Tpayload=npayload×Tsym
其中npayload为有效负载符号数,定义如下:
npayload=8+max(ceil(tmp)(CR+4),0)
Figure BDA0002103545530000052
其中ceil()表示向上取整函数,PL为有效负载的字节数,SF表示扩频因子,IH表示是否含有数据头,IH取0或1,DE表示是否开启低数据速率优化,DE取0或1,CRC表示是否开启CRC校验,CRC取0或1,CR为编码率。
本发明不仅局限于上述具体实施方式,本领域一般技术人员根据本发明公开的内容,可以采用其它多种具体实施方案实施本发明。因此,凡是采用本发明的设计结构和思路,做一些简单的变化或更改的设计,都落入本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:LoRa节点请求入网;入网请求数据包的消息格式增加字段TxCycle,TxCycle字段表示LoRa节点的发送周期;
第二步:LoRa TDMA服务器接受入网;入网接受数据包中增加字段McAddr和字段McSeq,McAddr字段表示节点的多播地址,McSeq字段表示此节点在多播地址McAddr中的序号;
第三步:LoRa TDMA服务器下发多播数据给多个节点;LoRa TDMA服务器遍历所有LoRa节点,当有LoRa节点的发送周期到达时,下发相应的多播数据;
LoRa TDMA服务器根据如下规则调度LoRa节点的发送:当属于某个多播地址的多个节点发送周期到达时,LoRa TDMA服务器下发一个多播数据包,此多播数据包负载中含有一个多播地址字段McAddr;
LoRa节点打开接收窗口后,当接收到完整的LoRa多播数据包时,如果收到的多播数据包中包含LoRa节点入网时LoRa服务器分配的多播地址,则延迟时间Tdelay和选择的信道channel如下:
Tdelay=Tpacket×floor(McSeq/total_channal)
channel=McSeq%total_channal
其中McSeq为此节点在多播地址McAddr中的序号,total_channal表示使能的信道总数;floor()表示向下取整函数;Tpacket为LoRa信号的传输时间,等于前导码时间加上有效负载时间:
Tpacket=Tpreamble+Tpayload
前导码的传输时间Tpreamble为:
Tpreamble=(npreamble+4.25)Tsym
其中npreamble表示前导码长度,
Figure FDA0002721250770000011
为符号速率;
有效负载的传输时间Tpayload为:
Tpayload=npayload×Tsym
其中npayload为有效负载符号数,定义如下:
npayload=8+max(ceil(tmp)*(CR+4),0)
Figure FDA0002721250770000012
其中ceil()表示向上取整函数,PL为有效负载的字节数,SF表示扩频因子,IH表示是否含有数据头,DE表示是否开启低数据速率优化,CRC表示是否开启CRC校验,CR为编码率;
第四步:LoRa节点收到多播数据后,判断是否发送上行数据;当多播数据负载中包含的多播地址与LoRa节点的多播地址一致时,在相应的信道上做延迟发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,其特征在于,LoRaWAN网络包含LoRa节点和LoRa服务器,LoRa服务器由四部分组成:LoRa网桥、LoRa网络服务器、LoRa应用服务器、LoRa TDMA服务器;LoRa网桥的功能包括:UDP数据转MQTT数据,MQTT数据转UDP数据,配置网关;LoRa网络服务器的功能包括:处理MAC层上行数据,发送MAC层下行数据,处理网关状态信息;LoRa应用服务器的功能包括:处理入网请求,加密与解密应用层数据,存储应用层数据;LoRa TDMA服务器的功能包括:调度多播数据发送,统计TDMA信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,其特征在于,LoRa网络服务器、LoRa应用服务器、LoRa TDMA服务器的开发环境均为Linux系统,编程语言使用Golang;数据持久化存储使用PostgreSQL,数据非持久化存储使用Redis;数据通信协议包括HTTP、gRPC、MQTT。
4.根据权利要求1所述的一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,其特征在于,在LoRa节点入网之前,先向LoRa服务器发送入网请求数据包,如果LoRa服务器允许这个节点入网则回复入网接受数据包,否则不回复。
5.根据权利要求1所述的一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,其特征在于,LoRaWAN服务器收到入网请求数据包,保存LoRa节点的发送周期,当周期到达时,LoRa节点收到LoRa服务器下发的多播数据包。
6.根据权利要求1所述的一种基于时分多址的LoRaWAN信道冲突规避方法,其特征在于,LoRa TDMA服务器启动后,监听LoRa节点发送的入网请求数据包,根据负载中的发送周期字段TxCycle,分配多播地址,并确定LoRa节点在多播地址中的序号;当多个LoRa节点的发送周期一样时,分配相同的多播地址。
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