CN111132287A - 一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，包括以下步骤：S1、Lora网关通过服务信道下发信标帧；已入网的Lora节点定时接收信标帧进行同步；S2、Lora节点通过入网交互信息获取网络信标时间，被分配信道下的地址编号、分组数目以及信道射频参数等信息；S3、根据S2步骤所得信息，计算下行侦听基准时间和侦听周期。本发明内容中除CAD侦听和接收时序外，其余时间段Lora芯片均处于休眠状态，MCU被允许休眠，如无其他业务需要执行，MCU即可进入低功耗模式，很大程度上降低了通讯模组的功耗。

Description

一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制。
背景技术
物联网为人们在信息与通信技术的领域中，提供了一个新的沟通维度。低功耗、广覆盖、大容量、低成本是物联网技术的发展方向，同时，智能物联网系统还须具备感知、决策和执行等要素。
Lora是一种长距离无线通信技术，实现了低功耗条件下超长距离的无线通信。LoraWan是由Lora联盟推出的一种基于Lora技术的低功耗广域网通信协议规范，协议将终端分为三种类型：CLASS A，CLASS B，CLASS C。其中CLASS A类型的终端功耗最低，但是只能支持下行跟随上行传输，不能支持主动下行通信，CLASS B和CLASS C支持主动下行，但却大大增加了终端的功耗，不能满足低功耗应用的场景。
因此，亟需一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，要求Lora终端通过Lora网关的信标帧进行严格的时钟校准，在时钟校准误差不大于3ms的条件下，Lora终端周期性的唤醒，利用CAD的方式侦听下行信号，达到降低功耗和快速响应的效果。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，包括以下步骤：
S1、Lora网关上电后通过服务信道下发信标帧，信标帧下发周期BeaconPeriod；已注册的Lora节点定时接收信标帧进行同步，确保Lora节点与Lora网关的时钟误差不超过3ms；
S2、Lora节点上电后，首先向Lora网关发起入网请求，收到入网应答帧后，首先记录下接收完成的时刻lastRxDone，从入网应答帧中获取Lora网关开始发送应答帧的时刻距之后最近一次信标帧开始下发时刻的延时nextBeaconDelay、分配信道下的节点分组数ChGrpNum、分配信道下的射频参数chSf和在分配信道下的地址编号chNum，其中，chSf∈{7,8,12}；根据入网应答帧的长度和Lora芯片接收模式下的射频参数计算入网应答帧的空中传播时间rxTimeOnAir；获取当前本地时间currTime；
S3、计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，每个信标周期被划分为2N(N＞0)个业务周期BusiPeriod，即
BeaconPeriod＝BusiPeriod*2N+BA+GA。
作为本发明的一种优选技术方案，射频参数包括扩频因子、前导码长度、带宽参数。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S3中计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，具体包括以下步骤：
S31、计算从入网应答帧开始发送时刻到当前时刻已经过去了多少时间elapsedTime，elapsedTime＝elapsed(lastRxDoneTime)+rxTimeOnAir；
S32、计算距当前最近之后的一次的信标帧的延时时间NextBeaconDelay，
如果elapsedTime＞nextBeaconDelay，则
NextBeaconDelay＝BeaconPeriod-(elapsedTime-nextBeaconDelay)；
如果elapsedTime≤nextBeaconDelay，则
NextBeaconDelay＝nextBeaconDelay-elapsedTime；
S33、计算分配信道下的基本下行业务周期dnlinkBusiPeriod；
DnlinkBusiPeriod＝2m*BusiPeriod；
m∈[1,3]；如果chSf＝7，则m＝2；如果chSf＝12，则m＝3；
S34、计算下行侦听间隔dnlinkCADInterval；
dnlinkCADInterval＝ChGrpNum*dnlinkBusiPeriod；
ChGrpNum＝2l(l∈[0,N-m])；
S35、计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，
dnlinkBasedTime＝currTime+NextBeaconDelay+BA+(ChNum％ChGrpNum)*dnlinkBusiPeriod。
作为本发明的一种优选技术方案，使能下行侦听定时器在dnlinkBasedTime时刻唤醒，在每次唤醒后的侦听服务中，计算下次唤醒时刻的延时：
P1、计算当前时刻所处的业务周期编号；
dnBusiPeriodNum＝[(elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod)/dnlinkCADInterval]；
P2、计算一个信标周期下容纳的下行侦听周期个数；
sumDnBusiPeriod＝[BeaconPeriod/dnlinkCADInterval]；
P3、如果dnBusiPeriodNum≥sumDnBusiPeriod，则
nextWakeupDelay＝
BeaconPeriod-elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod-elapsed；
如果dnBusiPeriodNum＜sumDnBusiPeriod，则
nextWakeupDelay＝dnlinkCADInterval-
(elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod)％dnlinkCADInterval；
设置CAD定时器的延时时间为nextWakeupDelay，使能CAD定时器；侦听服务根据入网后被分配的信道参数设置Lora射频芯片，并使能CAD功能，侦听下行Lora信号；如果没有侦听到Lora信号，设置Lora芯片为休眠模式，同时允许MCU休眠；如果侦测到了Lora信号，切换Lora芯片到接收模式，接收下行唤醒帧。
作为本发明的一种优选技术方案，解析下行唤醒帧，有3种唤醒帧类型，包括广播唤醒、多点唤醒和单点唤醒，且所有唤醒帧的负载均含有开窗时间和接收信道信息，唤醒帧使用TLV格式定义。
作为本发明的一种优选技术方案，唤醒帧解析执行步骤如下：
Q1、唤醒帧为广播帧时，从负载中解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，在接收信道下打开接收窗并设置接收超时时间为rxSlotTime，接收下行广播数据帧；
Q2、唤醒帧为多点唤醒帧时，首先从负载中解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，，然后解析负载中携带的位图信息，判断本节点是否是被唤醒的节点，如果不是被唤醒的节点，则设置Lora芯片为休眠模式，允许MCU休眠；如果是被唤醒节点，则计算本节点在位图中被标记的次序n(n>＝0)，等待n*rxSlotTime时间后，在接收信道下打开接收窗并设置超时时间为rxSlotTime，接收下行数据帧；
Q3、唤醒帧为单点唤醒帧时，首先从负载中解析二级地址secondAddress和接收信道rxCh，与本节点二级地址对比，如果不相同，则设置Lora芯片为休眠模式，允许MCU休眠；如果相同，则解析接收槽长度rxSlotTime，在接收信道下打开接收窗并设置接收超时时间为rxSlotTime，接收下行数据帧。
本发明的有益效果是：支持主动下行快速响应，本发明中除CAD侦听和接收时序内，其余时间段Lora芯片均处于休眠状态，且MCU被允许休眠，如无其他业务需要执行，MCU即可进入低功耗模式，这种机制很大程度上降低了通讯模组的功耗。如果应用场景中不需要下行的快速响应，可以适当加大业务周期，进一步的降低节点功耗。
附图说明
图1是本发明中Beacon周期划分图；
图2是本发明中广播唤醒和单点唤醒时序图。
图3是本发明中多点唤醒时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
为了达到本发明的目的，在本发明的其中一种实施方式中提供基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，包括以下步骤：
S1、Lora网关上电后通过服务信道下发信标帧，信标帧下发周期BeaconPeriod；已注册的Lora节点定时接收信标帧进行同步，确保Lora节点与Lora网关的时钟误差不超过3ms；
S2、Lora节点上电后，首先向Lora网关发起入网请求，收到入网应答帧后，首先记录下接收完成的时刻lastRxDone，从入网应答帧中获取Lora网关开始发送应答帧的时刻距之后最近一次信标帧开始下发时刻的延时nextBeaconDelay(单位ms)、分配信道下的节点分组数ChGrpNum、分配信道下的射频参数chSf和在分配信道下的地址编号chNum，其中，chSf∈{7,8,12}，其中，射频参数包括扩频因子、前导码长度、带宽参数；根据入网应答帧的长度和Lora芯片接收模式下的射频参数计算入网应答帧的空中传播时间rxTimeOnAir(单位ms)；获取当前本地时间currTime(单位ms)；
S3、计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，每个信标周期被划分为2N(N＞0)个业务周期BusiPeriod，即
BeaconPeriod＝BusiPeriod*2N+BA+GA，如附图1所示,BA为信标时区(BeaconArea)，GA为保留时区(Guard Area)，BOTA为信标帧的空中传播时间(Beacon Time OnAir)。
本实施例的步骤S3中计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，具体包括以下步骤：
S31、计算从入网应答帧开始发送时刻到当前时刻已经过去了多少时间elapsedTime，elapsedTime＝elapsed(lastRxDoneTime)+rxTimeOnAir；
S32、计算距当前最近之后的一次的信标帧的延时时间NextBeaconDelay，
如果elapsedTime＞nextBeaconDelay，则
NextBeaconDelay＝BeaconPeriod-(elapsedTime-nextBeaconDelay)；
如果elapsedTime≤nextBeaconDelay，则
NextBeaconDelay＝nextBeaconDelay-elapsedTime；
S33、计算分配信道下的基本下行业务周期dnlinkBusiPeriod；
DnlinkBusiPeriod＝2m*BusiPeriod；
m∈[1,3]；如果chSf＝7，则m＝2；如果chSf＝12，则m＝3；
S34、计算下行侦听间隔dnlinkCADInterval；
dnlinkCADInterval＝ChGrpNum*dnlinkBusiPeriod；
ChGrpNum＝2l(l∈[0,N-m])；
S35、计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，
dnlinkBasedTime＝currTime+NextBeaconDelay+BA+(ChNum％ChGrpNum)*dnlinkBusiPeriod，其中BA为图1所示信标时区。
具体的，使能下行侦听定时器在dnlinkBasedTime时刻唤醒，在每次唤醒后的侦听服务中，计算下次唤醒时刻的延时：
P1、计算当前时刻所处的业务周期编号；
dnBusiPeriodNum＝[(elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod)/dnlinkCADInterval]
P2、计算一个信标周期下容纳的下行侦听周期个数；
sumDnBusiPeriod＝[BeaconPeriod/dnlinkCADInterval]
P3、如果dnBusiPeriodNum≥sumDnBusiPeriod，则
nextWakeupDelay＝
BeaconPeriod-elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod-elapsed
如果dnBusiPeriodNum＜sumDnBusiPeriod，则
nextWakeupDelay＝dnlinkCADInterval-(elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod)％dnlinkCADInterval
设置CAD定时器的延时时间为nextWakeupDelay，使能CAD定时器；侦听服务根据入网后被分配的信道参数设置Lora射频芯片，并使能CAD功能，侦听下行Lora信号；如果没有侦听到Lora信号，设置Lora芯片为休眠模式，同时允许MCU休眠；如果侦测到了Lora信号，切换Lora芯片到接收模式，接收下行唤醒帧。
具体的，解析下行唤醒帧，有3种唤醒帧类型，包括广播唤醒、多点唤醒和单点唤醒，且所有唤醒帧的负载均含有开窗时间和接收信道信息，唤醒帧使用TLV格式定义，帧头定义如表1所示。表2为唤醒帧负载定义，其中#标记字段为可选项，*标记字段为必选项。
表1 帧头定义
Figure BDA0002326197740000081
表2 唤醒帧负载定义
Figure BDA0002326197740000091
表2中，rx channel为指定的接收信道编号，rx slot time为被唤醒节点需要打开接收窗的时间长度，单位为ms。
具体的，唤醒帧解析执行步骤如下：
Q1、唤醒帧为广播帧时，从负载中解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，在接收信道下在打开接收窗并设置接收超时时间为rxSlotTime，接收下行广播数据帧，接收时序如图2所示，Dnlink Data Area等于rxSlotTime；
Q2、唤醒帧为多点唤醒帧时，首先从负载中解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，然后解析负载中携带的位图信息，判断本节点是否是被唤醒的节点，如果不是被唤醒的节点，则设置Lora芯片为休眠模式，允许MCU休眠；如果是被唤醒节点，则计算本节点在位图中被标记的次序n(n>＝0)，等待n*rxSlotTime时间后，在接收信道下打开接收窗并设置超时时间为rxSlotTime，接收下行数据帧，接收时序如图3所示，Waiting Area的时区长度等于n*rxSlotTime；
Q3、唤醒帧为单点唤醒帧时，首先从负载中解析二级地址secondAddress，与本节点二级地址对比，如果不相同，则设置Lora芯片为休眠模式，允许MCU休眠；如果相同，则解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，在接收信道下打开接收窗并设置接收超时时间为rxSlotTime，接收下行数据帧，接收时序如图2所示。
本发明中除CAD侦听和接收时序内，其余时间段Lora芯片均处于休眠状态，MCU被允许休眠，如无其他业务需要执行，MCU即可进入低功耗模式，这种机制很大程度上降低了通讯模组的功耗。如果应用场景中不需要下行的快速响应，可以适当加大下行业务周期，进一步的降低节点功耗。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，其特征在于，包括以下步骤：
S1、Lora网关上电后通过服务信道下发信标帧，信标帧下发周期BeaconPeriod；已注册的Lora节点定时接收信标帧进行同步，确保Lora节点与Lora网关的时钟误差不超过3ms；
S2、Lora节点上电后，首先向Lora网关发起入网请求，收到入网应答帧后，首先记录下接收完成的时刻lastRxDone，从入网应答帧中获取Lora网关开始发送应答帧时刻距之后最近一次信标帧开始下发时刻的延时nextBeaconDelay、分配信道下的节点分组数ChGrpNum、分配信道下的射频参数chSf和在分配信道下的地址编号chNum，其中，chSf∈{7,8,12}；根据入网应答帧的长度和Lora芯片接收模式下的射频参数计算入网应答帧的空中传播时间rxTimeOnAir；获取当前本地时间currTime；
S3、计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，每个信标周期被划分为2N(N＞0)个业务周期BusiPeriod，即
BeaconPeriod＝BusiPeriod*2N+BA+GA。
2.根据权利要求1所述的基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，其特征在于，射频参数包括扩频因子、前导码长度、带宽参数。
3.根据权利要求1所述的基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，其特征在于，步骤S3中计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，具体包括以下步骤：
S31、计算从入网应答帧开始发送时刻到当前时刻已经过去了多少时间elapsedTime，
elapsedTime＝elapsed(lastRxDoneTime)+rxTimeOnAir；
S32、计算距当前最近之后的一次的信标帧的延时时间NextBeaconDelay，
如果elapsedTime＞nextBeaconDelay，则
NextBeaconDelay＝BeaconPeriod-(elapsedTime-nextBeaconDelay)；
如果elapsedTime≤nextBeaconDelay，则
NextBeaconDelay＝nextBeaconDelay-elapsedTime
S33、计算分配信道下的基本下行业务周期dnlinkBusiPeriod；DnlinkBusiPeriod＝2m*BusiPeriod
m∈[1,3]；如果chSf＝7，则m＝2；如果chSf＝12，则m＝3；
S34、计算下行侦听间隔dnlinkCADInterval；
dnlinkCADInterval＝ChGrpNum*dnlinkBusiPeriod
ChGrpNum＝2l(l∈[0,N-m])
S35、计算下行侦听基准时间dnlinkBasedTime，
dnlinkBasedTime＝currTime+NextBeaconDelay+BA+(ChNum％ChGr pNum)*dnlinkBusiPeriod。
4.根据权利要求1所述的基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，其特征在于，设置下行侦听定时器在dnlinkBasedTime时刻唤醒，在每次唤醒后的侦听服务中，计算下次唤醒时刻的延时：
P1、计算当前时刻所处的业务周期编号；
dnBusiPeriodNum＝[(elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod)/dnlinkCADInterval]
P2、计算一个信标周期下容纳的下行侦听周期个数；
sumDnBusiPeriod＝[BeaconPeriod/dnlinkCADInterval]
P3、如果dnBusiPeriodNum≥sumDnBusiPeriod，则
nextWakeupDelay＝
BeaconPeriod-elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod-elapsed
如果dnBusiPeriodNum＜sumDnBusiPeriod，则
nextWakeupDelay＝dnlinkCADInterval-
(elapsed(dnlinkBasedTime)％BeaconPeriod)％dnlinkCADInterval
设置CAD定时器的延时时间为nextWakeupDelay，使能CAD定时器；侦听服务根据入网后被分配的信道参数设置Lora射频芯片，并使能CAD功能，侦听下行Lora信号；如果没有侦听到Lora信号，设置Lora芯片为休眠模式，同时允许MCU休眠；如果侦测到了Lora信号，切换Lora芯片到接收模式，接收下行唤醒帧。
5.根据权利要求4所述的基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，其特征在于，解析下行唤醒帧，有3种唤醒帧类型，包括广播唤醒、多点唤醒和单点唤醒，且所有唤醒帧的负载均含有开窗时间和接收信道信息，唤醒帧使用TLV格式定义。
6.根据权利要求5所述的基于Lora的低延时低功耗下行通信机制，其特征在于，唤醒帧解析执行步骤如下：
Q1、唤醒帧为广播帧时，从负载中解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，在接收信道下打开接收窗并设置接收超时时间为rxSlotTime，接收下行广播数据帧；
Q2、唤醒帧为多点唤醒帧时，首先从负载中解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，然后解析负载中携带的位图信息，判断本节点是否是被唤醒的节点，如果不是被唤醒的节点，则设置Lora芯片为休眠模式，允许MCU休眠；如果是被唤醒节点，则计算本节点在位图中被标记的次序n(n>＝0)，等待n*rxSlotTime时间后，在接收信道下打开接收窗并设置超时时间为rxSlotTime，接收下行数据帧；
Q3、唤醒帧为单点唤醒帧时，首先从负载中解析二级地址secondAddress，与本节点二级地址对比，如果不相同，则设置Lora芯片为休眠模式，允许MCU休眠；如果相同，则解析接收槽长度rxSlotTime和接收信道rxCh，在接收信道下打开接收窗并设置接收超时时间为rxSlotTime，接收下行数据帧。
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