CN110401962B - 自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，包括：步骤S202：发送方获取当前的SF值，根据对应的数据报文净荷从传输数据中确定第一分片，发送所述第一分片；步骤S204：接收方接收数据报文，进行保存；对于分片的数据还保存分片编号；步骤S206：发送方再次获取当前的SF值，根据对应的数据报文净荷从传输数据的剩余部分中确定下一分片，发送所述下一分片；步骤S208：重复步骤S204至步骤S206，直至接收方收到传输数据的最后一个分片；此时接收方将所有分片的数据根据分片编号重组为完整的传输数据。本申请通过分片传输，并且每一分片的长度与实时获取的SF值相对应，从而能最大限度地利用网络资源提升数据传输吞吐量和效率。
Description
技术领域
本申请涉及一种LoRaWAN系统，特别是涉及LoRaWAN系统中获取特定参数并自适应调整数据报文长度的方案。
背景技术
LoRaWAN（Long Range Wide Area Network，长距离广域网）系统是一种长距离、低功耗的广域网。其网络架构中包含终端节点（End Nodes）、网关（Gateway）和服务器，服务器又分为直接与网关进行通讯的网络服务器以及位于网络服务器后端的应用服务器。终端节点与网关之间采用星型网络拓扑，每个终端节点可与多个网关采用LoRa（Long Range，长距离）技术以单跳（single hop）方式进行射频通信。网关与服务器之间采用TCP/IP协议进行通信。网关对终端节点和服务器之间的LoRaWAN协议数据做转发处理。
LoRa技术是美国semtech公司拥有的长距离、低功耗的无线通信技术，它的最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远。LoRa技术在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍，实现了低功耗和长距离的统一。
LoRa技术采用线性调频扩频（chirp Spread Spectrum，CSS）调制，扩频因子（SF，SpreadingFactor）可以为SF5、SF6、SF7、SF8、SF9、SF10、SF11、SF12，其传输速率为几百到几十Kbps之间。扩频因子越大，传输的数据速率越低，传输距离越长；反之亦然。LoRa技术在中国使用的是470MHz至510MHz的ISM频段，SRRC（中国国家无线电管理委员会）定义此频段的射频最大发射功率为50mW（17dBm）,对信道资源占用最长为5000ms。因此在不同的SF值下，最长报文净荷为51字节（Bytes）至222字节之间。
请参阅表1，LoRaWAN协议标准中规定了各个SF值对应的最大发送报文净荷（Packet Payload）长度。
| 扩频因子 | 报文净荷（字节） |
| SF12 | 51 |
| SF11 | 51 |
| SF10 | 51 |
| SF9 | 115 |
| SF8 | 222 |
| SF7 | 222 |
| SF6 | 222 |
| SF5 | 222 |
表1：LoRaWAN协议标准规定的各个SF对应的最大发送报文净荷长度。
为了不违背LoRaWAN协议中报文长度的规定，现有技术中发送方的应用层在发送数据时报文净荷长度不会超过51字节。由于发送方的应用层获取不到LoRa技术当前使用的SF值，所以发送方的应用层不会根据SF值动态调整报文净荷的长度。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，可以让终端节点和服务器的应用层发送比LoRaWAN协议中所规定的报文长度长得多的报文，从而解除了报文长度对应用层业务的约束，简化了应用层的处理，使应用层的业务不受发送报文长度的限制。为此，本申请还要提供一种自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统。
为解决上述技术问题，本申请的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法包括如下步骤：步骤S202：发送方获取当前的SF值，判断传输数据的长度是否可在当前SF值对应的一个数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将传输数据通过一个数据报文发送；如果否，则根据当前SF值对应的数据报文净荷从传输数据中确定第一分片，同时在当前数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述第一分片；步骤S204：接收方接收数据报文，通过解析其中的分片标识了解到是完整的数据还是分片的数据，进行保存；对于分片的数据还保存分片编号；步骤S206：发送方再次获取当前的SF值，判断传输数据的剩余部分长度是否可在当前SF值对应的一个数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将传输数据的剩余部分通过一个数据报文发送；如果否，则根据当前SF值对应的数据报文净荷从传输数据的剩余部分中确定下一分片，同时在当前数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述下一分片；步骤S208：重复步骤S204至步骤S206，直至接收方收到传输数据的最后一个分片；此时接收方将所有分片的数据根据分片编号重组为完整的传输数据。
上述自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法通过对较大的传输数据进行分片传输，并且每一分片的长度与实时获取的SF值相对应，从而能最大限度地利用网络资源提升数据传输吞吐量和效率。
进一步地，所述发送方具体指发送方的MAC层，所述接收方具体指接收方的MAC层。当所述发送方为服务器时，发送方的MAC层为服务器中的网络服务器，所述接收方为终端节点，接收方的MAC层为终端节点中的数据包长度控制单元。当所述发送方为终端节点时，发送方的MAC层为终端节点中的数据包长度控制单元，所述接收方为服务器，接收方的MAC层为服务器中的网络服务器。在LoRaWAN系统中，发送方的应用层无法获取当前SF值，本申请通过发送方的MAC层获取当前SF值，并由此决定当前分片的大小，执行对大数据的分片、增加标识等操作。
进一步地，所述步骤S202中，所述第一分片的长度为当前SF的最长报文净荷；所述步骤S206中，所述下一分片的长度为当前SF的最长报文净荷。这是最优方案，实际上每一分片的长度小于或等于当前SF值对应的最长报文净荷都是可行的。
进一步地，所述传输数据为确认帧；所述步骤S204中，接收方根据MHDR字段中的MType字段了解到所述数据报文是确认帧，并向发送方回复应答信息；所述步骤S206中，接收方在收到发送方回复的上一分片的应答信息后，再处理下一分片。这是在LoRaWAN系统中传输确认帧的特别的处理方式，是由确认帧的特性所决定的。
进一步地，所述步骤S206中，当发送方未收到接收方回复的应答消息，则重复发送同一分片；当发送方对一个分片重发n次均未收到接收方回复的应答信息，则认为整个报文发送失败。这是传输失败的一种情形。
进一步地，所述方法还包括在LoRaWAN数据报文中增加分片标识、末片标识和分片编号；所述分片标识用来表示LoRaWAN数据报文是否为分片的数据报文；所述末片标识用来表示当为分片的数据报文时是否为最后一个分片；所述分片编号用来表示当为分片的数据报文时的分片的前后顺序。这些新增加的标识等信息用来协助发送方实现分片、以及协助接收方重组分片。
进一步地，所述分片标识、末片标识和分片编号均在MAC层数据结构中增加，也就是在PHYPayload字段中增加。进一步地，所述分片标识、末片标识均在PHYPayload字段中的MHDR字段中增加。这是一种优选的实现方式。
进一步地，使用MHDR字段中的RFU字段的第二比特位作为分片标识；使用MHDR字段中的RFU字段的第三比特位作为末片标识；使用FHDR字段中的FOpts字段作为分片编号。这是一种具体的优选实现方式。
进一步地，所述方法还包括：当接收方收到一个新的上行或下行数据的第一分片，而之前所接收的上行或下行数据未能收到最后一个分片，则表明之前的接收失败，接收方丢弃之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。这是传输失败的另一种情形。
进一步地，所述方法还包括：当接收方收到一个上行或下行数据的某个分片，而与之前所接收的分片的分片编号不连续，则表明本轮接收失败，接收方丢弃该分片以及之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。这是传输失败的另一种情形。
进一步地，所述方法还包括：当接收方在预定时间内未能收到一个上行或下行数据的下一分片，则表明本轮接收失败，接收方丢弃之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。这是传输失败的另一种情形。
进一步地，所述方法还包括：在Class C应用场景下，服务器在终端节点接入成功之后的任意时刻对一个报文进行分片下发；在Class A应用场景下，服务器仅在终端节点上传数据后的指定下行接收窗口进行分片下发；在Class B应用场景下，服务器除了在终端节点上传数据后的指定下行接收窗口进行分片下发，还在双方协商好的下行窗口进行分片下发。这表明本申请可适用于Class A、Class B或Class C三种应用场景，但是不同应用场景下的下行通信时间受到不同限制。
本申请的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统包括终端节点和服务器；所述终端节点进一步包括数据包长度控制单元和应用单元；所述服务器进一步包括网络服务器和应用服务器；所述数据包长度控制单元用来在终端节点进行上行通信时获取当前的SF值，判断上行数据长度或其剩余部分长度是否可以在当前SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将上行数据或其剩余部分通过一个上行数据报文发送；如果否，则根据当前SF值对应的上行数据报文净荷从上行数据中确定当前分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述当前分片；所述数据包长度控制单元还用来在终端节点进行下行通信时接收下行数据报文，通过解析其中的分片标识了解到是完整的下行数据还是分片的下行数据，进行保存；如果是分片的下行数据还保存分片编号；当接收到分片的下行数据的最后一个分片，则将所有分片重组为完整的下行数据；所述网络服务器用来在服务器进行下行通信时获取当前的SF值，判断下行数据长度或其剩余部分长度是否可以在当前SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将下行数据或其剩余部分通过一个下行数据报文发送；如果否，则根据当前SF值对应的下行数据报文净荷从下行数据中确定当前分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述当前分片；所述网络服务器还用来在服务器进行上行通信时接收上行数据报文，通过解析其中的分片标识了解到是完整的上行数据还是分片的上行数据，进行保存；如果是分片的上行数据还保存分片编号；当接收到分片的上行数据的最后一个分片，则将所有分片重组为完整的上行数据。
上述自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统通过对较大的传输数据进行分片传输，并且每一分片的长度与实时获取的SF值相对应，从而能最大限度地利用网络资源提升数据传输吞吐量和效率。
进一步地，所述数据包长度控制单元还用来在终端节点进行下行通信时根据所接收下行数据报文的MHDR字段中的MType字段了解到所述下行数据报文是确认帧时，向网络服务器回复应答信息；所述网络服务器还用来在服务器进行下行通信时收到数据包长度控制单元回复的上一分片的应答信息后，再启动下一分片的处理过程。这是在LoRaWAN系统中下行传输确认帧的特别的处理方式，是由确认帧的特性所决定的。
进一步地，所述网络服务器还用来在服务器进行上行通信时根据所接收上行数据报文的MHDR字段中的MType字段了解到所述上行数据报文是确认帧时，向数据包长度控制单元回复应答信息；所述数据包长度控制单元还用来在终端节点进行上行通信时收到网络服务器回复的上一分片的应答信息后，再启动下一分片的处理过程。这是在LoRaWAN系统中上行传输确认帧的特别的处理方式，是由确认帧的特性所决定的。
本申请取得的技术效果是使得LoRaWAN系统中的终端节点和服务器的应用层不受LoRaWAN协议规定的报文长度的限制，提高了LoRaWAN网络的数据吞吐量和传输效率，有利于LoRaWAN系统的应用发展。
附图说明
图1是LoRaWAN协议定义的数据结构的示意图。
图2是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的流程图。
图3是本申请将较大的传输数据分为多个分片的示意图。
图4是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例一的流程图。
图5是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例二的流程图。
图6是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例三的流程图。
图7是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例四的流程图。
图8是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统的结构示意图。
图中附图标记说明：10为终端节点；12为数据包长度控制单元；14为应用单元；20为服务器；22为网络服务器；24为应用服务器。
具体实施方式
在LoRaWAN系统中，终端节点经过一个或多个网关中转向服务器发送数据称为上行，服务器只通过一个网关中转向唯一确定的终端节点发送数据称为下行。
请参阅图1，LoRaWAN协议定义的物理层上行链路的数据包结构依次包括Preamble（前导码）、PHDR（物理层头）、PHDR_CRC（物理层头CRC校验）、PHYPayload（物理层净荷）、CRC（CRC校验）。LoRaWAN协议定义的物理层下行链路的数据包结构与上行链路的数据包结构相比，仅省略了尾部的CRC字段。在上行和下行的物理层数据包中，PHYPayload字段又包括1字节的MHDR（MAC层帧头）、MACPayload（MAC层净荷）和MIC（MIC校验），其中的MACPayload字段也可替换为Join-Request字段或Join-Response字段。MHDR字段又包括3比特（bits）的MType（消息类型）、3比特的RFU（Reserved For Future Use，保留为将来使用）和2比特的Major（帧编码所遵循的LoRaWAN规范的主版本号）。MACPayload字段又包括FHDR（帧头）、FPort（帧端口）和FRMPayload（帧净荷）。FHDR字段又包括DevAddr（终端节点短地址）、FCtrl（帧控制）、FCnt（帧计数器）和用来传输MAC命令的0～15字节的FOpts（帧选项）。
本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN方法中，需要在LoRaWAN数据报文中增加分片标识、末片标识和分片编号。所述分片标识用来表示LoRaWAN数据报文是否为分片的数据报文。所述末片标识用来表示当为分片的数据报文时是否为最后一个分片。所述分片编号用来表示当为分片的数据报文时的分片的前后顺序，优选为连续编号。
优选地，所述分片标识、末片标识和分片编号均在MAC层数据结构中增加，也就是在PHYPayload字段中增加。例如使用MHDR字段中的RFU字段的第二比特位作为分片标识，1表示是分片的数据报文，0表示不是分片的数据报文。例如使用MHDR字段中的RFU字段的第三比特位作为末片标识，1表示此报文为分片的报文时是最后一个分片，0表示此报文为分片的报文时不是最后一个分片。例如使用FHDR字段中的FOpts字段作为分片编号。如果FOpts字段仅使用一个字节，可以表示最多256个分片。分片编号可以由0连续记载至255，起始分片编号为0，之后的分片编号依次递增。如果FOpts字段使用两个字节，那么可以表示最多65536个分片，以此类推。
请参阅图2，本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法包括如下步骤。
步骤S202：发送方获取当前的SF值，判断传输数据长度是否可以在当前SF值对应的一个数据报文净荷中发送完毕。如果是，则将传输数据通过一个数据报文发送。如果否，则根据当前SF值对应的数据报文净荷从传输数据中确定第一分片，同时在当前数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述第一分片。优选地，所述第一分片的长度为当前SF的最长报文净荷。
步骤S204：接收方接收数据报文，通过解析其中的分片标识、末片标识、分片编号了解到是完整的数据还是分片的数据、如果是分片的数据是否为最后一个分片、如果是分片的数据的前后顺序，进行保存。如果是分片的数据还保存分片编号。
步骤S206：发送方再次获取当前的SF值，判断传输数据的剩余部分长度是否可以在当前SF值对应的一个数据报文净荷中发送完毕。如果是，则将传输数据的剩余部分通过一个数据报文发送。如果否，则根据当前SF值对应的数据报文净荷从传输数据的剩余部分中确定下一分片，同时在当前数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述下一分片。优选地，所述下一分片的长度为当前SF的最长报文净荷。
步骤S208：重复步骤S204至步骤S206，直至接收方收到的数据报文是传输数据的最后一个分片。此时接收方一方面解析并保存分片的下行数据，记录分片编号；另一方面将所有分片的数据根据分片编号重组为完整的传输数据。
当所述发送方为服务器时，所述接收方为终端节点。此时的发送方的MAC（MediaAccess Control，介质访问控制）层为服务器中的网络服务器，执行对下行数据分片，增加分片标识、末片标识和分片编号，逐个发送分片的下行数据报文等操作。此时的接收方的MAC层为终端节点中的数据包长度控制单元，执行逐个接收分片的下行数据报文，解析分片标识、末片标识和分片编号，重组完整的下行数据等操作。
当所述发送方为终端节点时，所述接收方为服务器。此时的发送方的MAC层为终端节点中的数据包长度控制单元，执行对上行数据分片，增加分片标识、末片标识和分片编号，逐个发送分片的上行数据报文等操作。此时的接收方的MAC层为服务器中的网络服务器，执行逐个接收分片的上行数据报文，解析分片标识、末片标识和分片编号，重组完整的上行数据等操作。
与现有技术相比，本申请在每发送一个分片之前都由发送方的MAC层获取当前的SF值，再根据当前的SF值确定当前可以发送的分片报文净荷长度。因为LoRaWAN系统中的SF值是可以动态调整的，因此本申请可以实时地根据SF值调整数据速率，从而取得最优的数据吞吐和传输效率。
请参阅图3，这是本申请将较大的传输数据分为多个分片的示意图。每个分片均增加MHDR字段，优选地在MHDR字段中携带有分片标识和末片标识。
在LoRaWAN系统中，上行和下行的数据包都分为确认帧（Confirmed-data）和非确认帧（Unconfirmed-data）。前者的接收方需要向发送方回复应答（Ack）信息，后者的接收方不需要向发送方回复应答信息。
请参阅图4，这是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例一，适用于LoRaWAN系统中服务器向终端节点下行发送确认帧。该实施例一包括如下步骤。
步骤S402：应用服务器向网络服务器传输下行数据。网络服务器获取当前的SF值，当所述下行数据的长度无法在当前SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕，则网络服务器根据当前SF值对应的一个下行数据报文净荷从所述下行数据中确定第一分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。网络服务器将所述携带有下行数据的第一分片的下行数据报文发送给终端节点。优选地，所述下行数据的第一分片的长度为当前SF值对应的最长报文净荷。
步骤S404：终端节点中的数据包长度控制单元接收下行数据报文，根据MHDR字段中的MType字段了解到所述下行数据报文是确认帧，又根据其中的分片标识了解到是分片的下行数据。数据包长度控制单元解析并保存分片的下行数据，记录分片编号，向服务器回复应答信息。
步骤S406：网络服务器接收到终端节点回复的应答信息后，获取当前的SF值，判断所述下行数据的剩余部分是否可在当前SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕。如果是，则网络服务器将所述下行数据的剩余部分通过一个下行数据报文发送给终端节点，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。如果否，则网络服务器根据当前SF值对应的一个下行数据报文净荷从所述下行数据中确定下一个分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。网络服务器将所述携带有下行数据的下一分片的下行数据报文发送给终端节点。优选地，所述下行数据的下一个分片的长度为当前SF值对应的最长报文净荷。
步骤S408：重复步骤S404至步骤S406，直至终端节点中的数据包长度控制单元接收到的下行数据报文是分片的下行数据的最后一个分片。此时数据包长度控制单元一方面解析并保存分片的下行数据，记录分片编号，向服务器回复应答信息；另一方面将所有分片的下行数据根据分片编号重组为完整的下行数据。
上述自动调整数据报文长度的LoRaWAN方法的实施例一中，例如某个下行数据长度为500字节。第一次下行通信的SF值为SF8，假设新增的FOpts字段占用1个字节，那么MACPayload字段能携带的数据报文净荷最多为221个字节，则先发送221字节的下行数据第一分片。第二次下行通信的SF值为SF8，再发送221字节的下行数据第二分片。第三次下行通信时，由于服务器的ADR（Adaptive Data Rate，自适应数据速率）调整或用户主动调整终端节点的SF值，使得SF值为SF10，此时MACPayload字段能携带的数据报文净荷最多为50个字节，则再发送50字节的下行数据第三分片。第四次下行通信的SF值为SF10，则再发送最后8个字节的下行数据第四分片。终端节点接收到下行数据的最后一个分片以后，重组完整的500字节的下行数据。
请参阅图5，这是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例二，适用于LoRaWAN系统中终端节点向服务器上行发送确认帧。该实施例二包括如下步骤。
步骤S502：终端节点中的应用单元向数据包长度控制单元传输上行数据。数据包长度控制单元获取当前的SF值，当所述上行数据的长度无法在当前SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕，则数据包长度控制单元根据当前SF值对应的一个上行数据报文净荷从所述上行数据中确定第一分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。网络服务器将所述携带有上行数据的第一分片的上行数据报文发送给服务器。优选地，所述上行数据的第一分片的长度为当前SF值对应的最长报文净荷。
步骤S504：服务器中的网络服务器接收上行数据报文，根据MHDR字段中的MType字段了解到所述上行数据报文是确认帧，又根据其中的分片标识了解到是分片的上行数据。网络服务器解析并保存分片的上行数据，记录分片编号，向终端节点回复应答信息。
步骤S506：终端节点中的数据包长度控制单元接收到服务器回复的应答信息后，获取当前的SF值，判断所述上行数据的剩余部分是否可在当前SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕。如果是，则数据包长度控制单元将所述上行数据的剩余部分通过一个上行数据报文发送给终端节点，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。如果否，则数据包长度控制单元根据当前SF值对应的一个上行数据报文净荷从所述上行数据中确定下一个分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。数据包长度控制单元将所述携带有上行数据的下一分片的上行数据报文发送给服务器。优选地，所述上行数据的下一个分片的长度为当前SF值对应的最长报文净荷。
步骤S508：重复步骤S504至步骤S506，直至服务器中的网络服务器接收到的上行数据报文是分片的上行数据的最后一个分片。此时网络服务器一方面解析并保存分片的上行数据，记录分片编号，向终端节点回复应答信息；另一方面将所有分片的上行数据根据分片编号重组为完整的上行数据。
上述自动调整数据报文长度的LoRaWAN方法的实施例二中，例如某个上行数据长度为500字节。第一次上行通信的SF值为SF8，假设新增的FOpts字段占用1个字节，那么MACPayload字段能携带的数据报文净荷最多为221个字节，则先发送221字节的上行数据第一分片。第二次上行通信的SF值为SF8，再发送221字节的上行数据第二分片。第三次上行通信时，由于终端节点自身的ADR调整或服务器下发MAC命令修改终端节点的SF值，使得SF值为SF9，此时MACPayload字段能携带的数据报文净荷最多为114个字节，则再发送最后58个字节的下行数据第三分片。服务器接收到上行数据的最后一个分片以后，重组完整的500字节的上行数据。
请参阅图6，这是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例三，适用于LoRaWAN系统中服务器向终端节点下行发送非确认帧。该实施例三包括如下步骤。
步骤S602：应用服务器向网络服务器传输下行数据。网络服务器获取当前的SF值，当所述下行数据的长度无法在当前SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕，则网络服务器根据当前SF值对应的一个下行数据报文净荷从所述下行数据中确定第一分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。网络服务器将所述携带有下行数据的第一分片的下行数据报文发送给终端节点。优选地，所述下行数据的第一分片的长度为当前SF的最长报文净荷。
步骤S604：终端节点中的数据包长度控制单元接收下行数据报文，根据MHDR字段中的MType字段了解到所述下行数据报文是非确认帧，又根据其中的分片标识了解到是分片的下行数据。数据包长度控制单元解析并保存分片的下行数据，记录分片编号。
步骤S606：网络服务器获取当前的SF值，判断所述下行数据的剩余部分是否可在当前SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕。如果是，则网络服务器将所述下行数据的剩余部分通过一个下行数据报文发送给终端节点，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。如果否，则网络服务器根据当前SF值对应的一个下行数据报文净荷从所述下行数据中确定下一个分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。网络服务器将所述携带有下行数据的下一分片的下行数据报文发送给终端节点。优选地，所述下行数据的下一个分片的长度为当前SF的最长报文净荷。
步骤S608：重复步骤S604至步骤S606，直至终端节点中的数据包长度控制单元接收到的下行数据报文是分片的下行数据的最后一个分片。此时数据包长度控制单元一方面解析并保存分片的下行数据，记录分片编号；另一方面将所有分片的下行数据根据分片编号重组为完整的下行数据。
请参阅图7，这是本申请自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例四，适用于LoRaWAN系统中终端节点向服务器上行发送非确认帧。该实施例四包括如下步骤。
步骤S702：终端节点中的应用单元向数据包长度控制单元传输上行数据。数据包长度控制单元获取当前的SF值，当所述上行数据的长度无法在当前SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕，则数据包长度控制单元根据当前SF值对应的一个上行数据报文净荷从所述上行数据中确定第一分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。网络服务器将所述携带有上行数据的第一分片的上行数据报文发送给服务器。优选地，所述上行数据的第一分片的长度为当前SF的最长报文净荷。
步骤S704：服务器中的网络服务器接收上行数据报文，根据MHDR字段中的MType字段了解到所述上行数据报文是非确认帧，又根据其中的分片标识了解到是分片的上行数据。网络服务器解析并保存分片的上行数据，记录分片编号。
步骤S706：终端节点中的数据包长度控制单元获取当前的SF值，判断所述上行数据的剩余部分是否可在当前SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕。如果是，则数据包长度控制单元将所述上行数据的剩余部分通过一个上行数据报文发送给终端节点，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。如果否，则数据包长度控制单元根据当前SF值对应的一个上行数据报文净荷从所述上行数据中确定下一个分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记。数据包长度控制单元将所述携带有上行数据的下一分片的上行数据报文发送给服务器。优选地，所述上行数据的下一个分片的长度为当前SF的最长报文净荷。
步骤S708：重复步骤S704至步骤S706，直至服务器中的网络服务器接收到的上行数据报文是分片的上行数据的最后一个分片。此时网络服务器一方面解析并保存分片的上行数据，记录分片编号；另一方面将所有分片的上行数据根据分片编号重组为完整的上行数据。
上述实施例一、实施例二中，由于采用确认帧发送数据，接收方在收到每个分片后需要进行回复应答信息。如果发送方未收到接收方回复的应答信息，则重复发送同一分片。如果发送方对一个分片重发n次均未收到应答信息，则认为整个数据报文发送失败。优选地，n例如取3。
上述实施例一至实施例四中，如果接收方收到一个新的上行或下行数据的第一分片，而之前所接收的上行或下行数据未能收到最后一个分片，则表明之前的接收失败，丢弃之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。
上述实施例一至实施例四中，如果接收方收到一个上行或下行数据的某个分片，而与之前所接收的分片的分片编号不连续，则表明本轮接收失败，丢弃该分片以及之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。
上述实施例一至实施例四中，如果接收方在预定时间内未能收到一个上行或下行数据的下一个分片，则表明本轮接收失败，丢弃之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。优选地，预定时间例如为5分钟。
LoRaWAN Classes（类型）分为3类：Class A、Class B和Class C。Class A是终端节点先进行上行发送，在上行发送后开启一段时间的下行接收窗口，终端节点只有在上行发送后才进行下行接收。Class B是在Class A的基础上增加终端节点和服务器协商好下行接收的窗口开启时间，然后在约定的时间进行下行接收。Class C是终端节点在除上行发送以外的其他时间都开启下行接收窗口。
上述实施例一至实施例四均可适用于Class A、Class B和Class C应用场景。在Class C应用场景下，服务器可在终端节点接入成功之后的任意时刻对一个数据报文进行分片下发。而在Class A应用场景下，服务器需要在终端节点上传数据后的指定下行接收窗口进行分片下发。在Class B应用场景下，服务器除了可在终端节点上传数据后的指定下行接收窗口进行分片下发，还可在双方协商好的下行窗口进行分片下发。
与图2所示的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法相对应，本申请还提供了一种自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统。请参阅图8，所述自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统包括终端节点10和服务器20。所述终端节点10进一步包括数据包长度控制单元12和应用单元14。所述服务器20进一步包括网络服务器22和应用服务器24。
所述数据包长度控制单元12作为发送方的MAC层时用来在终端节点10进行上行通信时获取当前的SF值，判断上行数据长度或其剩余部分长度是否可以在当前SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕。如果是，则将上行数据或其剩余部分通过一个上行数据报文发送。如果否，则根据当前SF值对应的上行数据报文净荷从上行数据中确定当前分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述当前分片。
所述数据包长度控制单元12作为接收方的MAC层时用来在终端节点10进行下行通信时接收下行数据报文，通过解析其中的分片标识、末片标识、分片编号了解到是完整的下行数据还是分片的下行数据、如果是分片的数据是否为最后一个分片、如果是分片的数据的前后顺序，进行保存。如果是分片的下行数据还保存分片编号。当接收到分片的下行数据的最后一个分片，则将所有分片重组为完整的下行数据。
所述应用单元14用来在终端节点10进行上行通信时向数据包长度控制单元12发送完整的上行数据，还用来在终端节点10进行下行通信时从数据包长度控制单元12接收完整的下行数据。
所述网络服务器22作为发送方的MAC层时用来在服务器20进行下行通信时获取当前的SF值，判断下行数据长度或其剩余部分长度是否可以在当前SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕。如果是，则将下行数据或其剩余部分通过一个下行数据报文发送。如果否，则根据当前SF值对应的下行数据报文净荷从下行数据中确定当前分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述当前分片。
所述网络服务器22作为接收方的MAC层时用来在服务器20进行上行通信时接收上行数据报文，通过解析其中的分片标识、末片标识、分片编号了解到是完整的上行数据还是分片的上行数据、如果是分片的数据是否为最后一个分片、如果是分片的数据的前后顺序，进行保存。如果是分片的上行数据还保存分片编号。当接收到分片的上行数据的最后一个分片，则将所有分片重组为完整的上行数据。
所述应用服务器24用来在服务器20进行下行通信时向网络服务器22发送完整的下行数据，还用来在服务器20进行上行通信时从网络服务器22接收完整的上行数据。
与图4所示的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例一相对应，本申请还提供了自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统的实施例一，同样适用于LoRaWAN系统中服务器向终端节点下行发送确认帧。与图8相比，该实施例一中的数据包长度控制单元12作为接收方的MAC层时还用来在终端节点10进行下行通信时根据所接收下行数据报文的MHDR字段中的MType字段了解到所述下行数据报文是确认帧，并向网络服务器22回复应答信息。而网络服务器22作为发送方的MAC层时还用来在服务器20进行下行通信时收到数据包长度控制单元12回复的上一分片的应答信息后，再启动下一分片的处理过程。
与图5所示的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法的实施例二相对应，本申请还提供了自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统的实施例二，同样适用于LoRaWAN系统中终端节点向服务器上行发送确认帧。与图8相比，该实施例二中的网络服务器22作为接收方的MAC层时还用来在服务器20进行上行通信时根据所接收上行数据报文的MHDR字段中的MType字段了解到所述上行数据报文是确认帧，并向数据包长度控制单元12回复应答信息。而数据包长度控制单元12作为发送方的MAC层时还用来在终端节点10进行上行通信时收到网络服务器22回复的上一分片的应答信息后，再启动下一分片的处理过程。
上述自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统中，发送方的应用层不需要自己对传输数据进行分片，也不需要关心底层的发送数据速率（DataRate），传输数据的分片由发送方的底层（例如MAC层）进行处理，保证数据报文长度符合LoRaWAN协议标准。接收方的应用层也不需要自己对传输数据进行重组，传输数据的重组由接收方的底层（例如MAC层）进行处理。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤S202：发送方获取当前的扩频因子SF值，判断传输数据的长度是否可在当前扩频因子SF值对应的一个数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将传输数据通过一个数据报文发送；如果否，则根据当前扩频因子SF值对应的数据报文净荷从传输数据中确定第一分片，同时在当前数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述第一分片；
步骤S204：接收方接收数据报文，通过解析其中的分片标识了解到是完整的数据还是分片的数据，进行保存；对于分片的数据还保存分片编号；
步骤S206：发送方再次获取当前的扩频因子SF值，判断传输数据的剩余部分长度是否可在当前扩频因子SF值对应的一个数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将传输数据的剩余部分通过一个数据报文发送；如果否，则根据当前扩频因子SF值对应的数据报文净荷从传输数据的剩余部分中确定下一分片，同时在当前数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述下一分片；
步骤S208：重复步骤S204至步骤S206，直至接收方收到传输数据的最后一个分片；此时接收方将所有分片的数据根据分片编号重组为完整的传输数据。
2.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述发送方具体指发送方的MAC层，所述接收方具体指接收方的MAC层；
当所述发送方为服务器时，发送方的MAC层为服务器中的网络服务器，所述接收方为终端节点，接收方的MAC层为终端节点中的数据包长度控制单元；
当所述发送方为终端节点时，发送方的MAC层为终端节点中的数据包长度控制单元，所述接收方为服务器，接收方的MAC层为服务器中的网络服务器。
3.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述步骤S202中，所述第一分片的长度为当前扩频因子SF值对应的最长报文净荷；所述步骤S206中，所述下一分片的长度为当前扩频因子SF值对应的最长报文净荷。
4.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述传输数据为确认帧；
所述步骤S204中，接收方根据MHDR字段中的MType字段了解到所述数据报文是确认帧，并向发送方回复应答信息；
所述步骤S206中，接收方在收到发送方回复的上一分片的应答信息后，再处理下一分片。
5.根据权利要求4所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述步骤S206中，当发送方未收到接收方回复的应答消息，则重复发送同一分片；当发送方对一个分片重发n次均未收到接收方回复的应答信息，则认为整个报文发送失败。
6.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述方法还包括在LoRaWAN数据报文中增加分片标识、末片标识和分片编号；
所述分片标识用来表示LoRaWAN数据报文是否为分片的数据报文；
所述末片标识用来表示当为分片的数据报文时是否为最后一个分片；
所述分片编号用来表示当为分片的数据报文时的分片的前后顺序。
7.根据权利要求5所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述分片标识、末片标识和分片编号均在MAC层数据结构中增加，也就是在PHYPayload字段中增加。
8.根据权利要求5所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，使用MHDR字段中的RFU字段的第二比特位作为分片标识；使用MHDR字段中的RFU字段的第三比特位作为末片标识；使用FHDR字段中的FOpts字段作为分片编号。
9.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述方法还包括：当接收方收到一个新的上行或下行数据的第一分片，而之前所接收的上行或下行数据未能收到最后一个分片，则表明之前的接收失败，接收方丢弃之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。
10.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述方法还包括：当接收方收到一个上行或下行数据的某个分片，而与之前所接收的分片的分片编号不连续，则表明本轮接收失败，接收方丢弃该分片以及之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。
11.根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述方法还包括：当接收方在预定时间内未能收到一个上行或下行数据的下一分片，则表明本轮接收失败，接收方丢弃之前接收的未能组成一个完整上行或下行数据的所有分片。
12. 根据权利要求1所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统实现方法，其特征是，所述方法还包括：在C类型Class C应用场景下，服务器在终端节点接入成功之后的任意时刻对一个报文进行分片下发；在A类型Class A应用场景下，服务器仅在终端节点上传数据后的指定下行接收窗口进行分片下发；在B类型Class B应用场景下，服务器除了在终端节点上传数据后的指定下行接收窗口进行分片下发，还在双方协商好的下行窗口进行分片下发。
13.一种自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统，其特征是，包括终端节点和服务器；所述终端节点进一步包括数据包长度控制单元和应用单元；所述服务器进一步包括网络服务器和应用服务器；
所述数据包长度控制单元用来在终端节点进行上行通信时获取当前的扩频因子SF值，判断上行数据长度或其剩余部分长度是否可以在当前扩频因子SF值对应的一个上行数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将上行数据或其剩余部分通过一个上行数据报文发送；如果否，则根据当前扩频因子SF值对应的上行数据报文净荷从上行数据中确定当前分片，同时在当前上行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述当前分片；
所述数据包长度控制单元还用来在终端节点进行下行通信时接收下行数据报文，通过解析其中的分片标识了解到是完整的下行数据还是分片的下行数据，进行保存；如果是分片的下行数据还保存分片编号；当接收到分片的下行数据的最后一个分片，则将所有分片重组为完整的下行数据；
所述网络服务器用来在服务器进行下行通信时获取当前的扩频因子SF值，判断下行数据长度或其剩余部分长度是否可以在当前扩频因子SF值对应的一个下行数据报文净荷中发送完毕；如果是，则将下行数据或其剩余部分通过一个下行数据报文发送；如果否，则根据当前扩频因子SF值对应的下行数据报文净荷从下行数据中确定当前分片，同时在当前下行数据报文中的分片标识、末片标识、分片编号均做相应标记，再发送所述当前分片；
所述网络服务器还用来在服务器进行上行通信时接收上行数据报文，通过解析其中的分片标识了解到是完整的上行数据还是分片的上行数据，进行保存；如果是分片的上行数据还保存分片编号；当接收到分片的上行数据的最后一个分片，则将所有分片重组为完整的上行数据。
14.根据权利要求13所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统，其特征是，所述数据包长度控制单元还用来在终端节点进行下行通信时根据所接收下行数据报文的MHDR字段中的MType字段了解到所述下行数据报文是确认帧时，向网络服务器回复应答信息；所述网络服务器还用来在服务器进行下行通信时收到数据包长度控制单元回复的上一分片的应答信息后，再启动下一分片的处理过程。
15.根据权利要求13所述的自动调整数据报文长度的LoRaWAN系统，其特征是，所述网络服务器还用来在服务器进行上行通信时根据所接收上行数据报文的MHDR字段中的MType字段了解到所述上行数据报文是确认帧时，向数据包长度控制单元回复应答信息；所述数据包长度控制单元还用来在终端节点进行上行通信时收到网络服务器回复的上一分片的应答信息后，再启动下一分片的处理过程。
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