CN111277679A - 基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，与现有技术相比解决了LoRaWAN网络中的终端设备不可精准管理、LoRaWAN协议与IPv6协议无法直接融合的问题。本发明包括以下步骤：无线传感采集终端IPv6地址的生成；对无线传感采集终端的数据进行打包；IPv6数据包分片；IPv6数据报头的压缩；无线传感数据的发送；无线传感网关的数据接收；接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理。本发明将LoRa终端引入IPv6地址来拟补LoRaWAN设备不可精准管理的不足。

Description

基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体来说是基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法。

背景技术

近年来，随着物联网和信息化的发展，低功耗无线传感网络已经成为应用大数据的重要基础之一。因此，传感数据在网络传输中的高效性、安全性和准确性成为低功耗无线传感网络通信的关键技术。在数据的传输过程中，传感数据通过异构网络的方式、结构和流程是影响整个通信网络优劣的关键因素。

低功耗广域网(LPWAN，Low Power Wide Area Network)是一种远距离低功耗的无线通信网络，由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点适合于大规模的物联网应用部署。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，它基于扩频技术的超远距离无线传输方案，改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，其优秀的远距离、低功耗、大容量的网络系统是其他LPWAN通信技术无法比拟的，但是它自身单一的星型网络架构也限制了其组网能力。

由于IPv4的网络地址资源有限，严重制约了物联网的应用和发展，因此，互联网工程任务组(IETF)设计了用于替代IPv4的IPv6协议，IPv6是英文“Internet ProtocolVersion 6”(互联网协议第6版)的缩写，其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。IPv6的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。

在无线传感网中将具有远距离、低功耗和大容量等优点的LoRaWAN协议与拥有庞大地址池的IPv6协议进行融合，使之具有LoRa优点的同时，还能拥有IPv6网络的丰富灵活组网模式和高效精准的控制能力，能够解决无线传感网络发展的重大问题。

但是，将这两者异构网络进行融合还存在很多技术问题，如：在LoRaWAN网络中并不存在IP地址概念，无法在LoRaWAN的协议终端直接部署IPV6地址；IPv6协议规定数据链路层具有的最小的MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)为1280个字节，而对于LoRaWAN网络而言，数据链路层的MTU远远小于1280个字节；同时，LoRa技术是低功耗广域网通信技术之一，数据传输速率和有效负载较低，采用868MHZ频段时，传输速仅0.3kbps-5kbps，有效负载大小仅有51-242Byte，而IPv6数据报基本首部就多达40Byte，致使LoRaWAN网络传输效率十分低下。

因此，如何开发出一种网络通信方法能够将LoRaWAN与IPv6有效融合已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决LoRaWAN网络中的终端设备不可精准管理、LoRaWAN协议与IPv6协议无法直接融合的问题，提供一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，包括以下步骤：

无线传感采集终端IPv6地址的生成：根据LoRa的设备地址生成无线传感器的IPv6地址；

对无线传感采集终端的数据进行打包：IPv6-LoRaWAN协议将需要传输的数据进行数据打包；

IPv6数据包分片：IPv6-LoRaWAN协议对携带传感数据的IPv6包进行去冗余分片处理；

IPv6数据报头的压缩：将IPv6-LoRaWAN协议栈上的IPv6报头进行动态上下文压缩，形成IPv6数据包；

无线传感数据的发送：发送端无线传感终端通过IPv6-LoRaWAN协议发送IPv6数据包；

无线传感网关的数据接收：无线传感网关通过IPv6-LoRaWAN协议接收IPv6数据包；

接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理：IPv6-LoRaWAN协议对无线传感网络的IPv6数据包进行解压与去冗余重组处理。

所述无线传感采集终端IPv6地址的生成包括以下步骤：

采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀；通过无状态自动获取方法，读取ICMPv6报文中的IPv6地址前缀通告，作为无线传感器节点的IPv6地址前缀；

根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址：DevAddr是一个类似MAC的全球唯一ID，标识唯一的终端设备，是由一个7位的NwkId和25位的NwkAddr构成的，在32位DevAddr地址的NwkId和NwkAddr中间插入一个16位的0xFFFE构成LoRa终端的伪MAC地址；

由IEEE EUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符：根据IPv6无状态地址获取机制，先将伪MAC地址映射到EUI-64地址，然后对U/L位求反，构成最终的IPv6接口标识符；

结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6-LoRaWAN协议中最终构成完整的IPv6地址。

所述IPv6数据包分片包括以下步骤：

判断IPv6-LoRaWAN网络中IPv6数据报是否满足数据报分片判断公式，数据报分片判断公式如下：

Fv6<PayloadSymbNb<6LPMTU

其中，Fv6为IPv6的有效数据报，其大小由有载荷数据大小决定；

PayloadSymbNb为LoRa网络中数据帧的有效负载符号数，由以下公式计算出：

其中，PL为有效负载的字节数，SF表示当前LoRa设置的扩频因子，H为报头标识，DE为LowDataRateOptimize的标志位，CR标识编码率；

6LPMTU为网络链路的最大传输单元，由以下公式计算出：

其中，PR为前导码，根据实际数据密度来设置它的变量n，HD为报头位数，仅在显式报头模式下进行计算，在隐式报头模式下值0，CRC为效验位，打开CRC效验后为16位长；

当LoRa网络中数据帧的有效负载符号数PayloadSymbNb不满足数据长度判断公式时，对该数据包进行分片处理。

所述IPv6数据报头的压缩包括以下步骤：

IPv6-LoRaWAN网关将传感数据的IPv6报头与压缩模型进行匹配，若匹配到压缩模型则进行对应的压缩，并使用对应的压缩规则编号；

对未匹配到压缩模型的IPv6报头则对该IPv6报头进行解析，记录报头各字段，根据字段生成基础表base_1；

对产生相同base基础表的报文进行重复次数计数；

监测base重复次数达到最大重复数后，对base进行压缩，生成压缩规则表rule_1，同时删除base_1并公布压缩模型rule_1。

所述接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理包括以下步骤：

接收端无线传感器对经过动态上下文压缩后的IPv6数据包进行解压；

对解压后的分片数据进行重组：

IPv6-LoRaWAN网络中监测到分片标志位后，通过分片偏移对分片数据进行重组，分片偏移字段占13位长，以8字节为单位对分片报进行测量，并指定特定相对于原始未分段的IP数据报的开始片段偏移量，在检测到分片MF标志位值为0时，完成分片数据的重组；

对分片数据进行去冗余处理：

在分片标志位中设置EF标志位，使用EF标志位来标识IPv6数据包中的扩展头部分片，对EF标识的分片进行超时释放处理，进行去除冗余的重叠分片。

有益效果

本发明的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，与现有技术相比具有以下明显的技术优势：

(1)本发明通过将LoRa终端引入IPv6地址来拟补LoRaWAN设备不可精准管理的不足；采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀，再根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址，最后再由IEEE EUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符，结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6 over LoRaWAN中最终构成完整的IPv6地址，在最大程度保持LoRaWAN终端不变的程度下，实现IPv6地址的嵌入，保证了协议的适应性和稳定性。

(2)本发明对LoRaWAN协议上的IPv6数据报进行去冗余分片与重组；在实现了LoRaWAN协议能够承载IPv6数据报的同时，去除了网络中的冗余分片，减少了传感网络中的错包和碎片，提高了网络利用率。

(3)本发明采用了动态上下文报头压缩方法，在保证数据在LoRaWAN中正常传输的情况下，根据无线传感网络中的传输数据特征进行动态灵活压缩IPv6报头，从而实现节约信道资源，提高数据传输效率。

(4)将LoRaWAN协议与IPv6协议相融合，使之具有LoRa优点特性的同时，还拥有IPv6网络的丰富灵活组网模式和高效精准的控制能力，还能够用于大规模的LoRa网络。

(5)本发明的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法具有拓展性，不仅适用于无线传感网络，针对基于LoRaWAN的半双工通信网络同样具有优秀的通信能力。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络协议图；

图3为本发明的动态上下文报头压缩流程图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1和图2所示，本发明所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，包括以下步骤：

第一步，LoRaWAN-IPv6协议中终端地址的生成，即无线传感采集终端IPv6地址的生成。根据LoRa的设备地址生成无线传感器的IPv6地址；地址规范的统一是实现异构网络之间数据互通的关键，IPv6地址是IPv6协议的关键所在，但在LoRaWAN中并不存在IP地址的概念，LoRa的设备地址是根据7位的NwkId和25位的NwkAddr来生成一个32位的DevAddr，这个DevAddr是一个类似IEEE EUI-64的全球唯一ID，在LoRaWAN中标识唯一的终端设备，因此无法满足在规模化的无线传感网中进行精细化管理，在此将LoRa终端引入IPv6地址来拟补LoRaWAN的不足。最终的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络是以IPv6地址作为通信的唯一标识符，采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀，再根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址，最后再由IEEE EUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符，结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6 overLoRaWAN中最终构成完整的IPv6地址。

其具体步骤如下：

(1)采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀；通过无状态自动获取方法，读取ICMPv6报文中的IPv6地址前缀通告，作为无线传感器节点的IPv6地址前缀。

(2)根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址：DevAddr是一个类似MAC的全球唯一ID，标识唯一的终端设备，是由一个7位的NwkId和25位的NwkAddr构成的，在32位DevAddr地址的NwkId和NwkAddr中间插入一个16位的0xFFFE构成LoRa终端的伪MAC地址。

(3)由IEEE EUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符：根据IPv6无状态地址获取机制，先将伪MAC地址映射到EUI-64地址，然后对U/L位求反，构成最终的IPv6接口标识符。

(4)结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6-LoRaWAN协议中最终构成完整的IPv6地址。

第二步，对无线传感器数据进行打包：IPv6-LoRaWAN协议利用传统方法将需要传输的数据进行数据打包。

第三步，IPv6数据包分片。

IPv6-LoRaWAN协议对携带传感数据的IPv6包进行去冗余分片处理。IPv6协议规定数据链路层必须具有的最小的MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)为1280个字节，而对于LoRaWAN网络而言，数据链路层的MTU远远小于1280个字节。针对此问题，设计对IPv6报进行分片重组，对于IPv6数据报长度大于LoRaWAN数据帧的MTU时，进行分片处理，将一个IPv6数据报切分成若干个满足LoRaWAN数据帧MTU大小的IPv6数据报进行发送，并且在接收端进行重组。其具体步骤如下：

(1)判断IPv6-LoRaWAN网络中IPv6数据报是否满足数据报分片判断公式，数据报分片判断公式如下：

Fv6<PayloadSymbNb<6LPMTU

其中，Fv6为IPv6的有效数据报，其大小由有载荷数据大小决定；

PayloadSymbNb为LoRa网络中数据帧的有效负载符号数，由以下公式计算出：

其中，PL为有效负载的字节数，SF表示当前LoRa设置的扩频因子，H为报头标识，DE为LowDataRateOptimize的标志位，CR标识编码率；

6LPMTU为网络链路的最大传输单元，由以下公式计算出：

其中，PR为前导码，根据实际数据密度来设置它的变量n，HD为报头位数，仅在显式报头模式下进行计算，在隐式报头模式下值0，CRC为效验位，打开CRC效验后为16位长。

(2)当LoRa网络中数据帧的有效负载符号数PayloadSymbNb不满足数据报分片判断公式时，对该数据包进行分片处理。与传统分片方式不同的是，在LoRaWAN-IPv6协议中新增EF(Extended head Fragment)标志位，使用EF来标识数据包中的扩展头部分片。

第四步，IPv6数据报头的压缩：将IPv6-LoRaWAN协议栈上的IPv6报头进行动态上下文压缩。在保证数据在LoRaWAN中正常传输的情况下，根据温室大棚无线传感网中的传输数据特征，动态灵活压缩IPv6报头，从而实现节约信道资源，提高数据传输效率。如图3所示，其具体步骤如下：

(1)IPv6-LoRaWAN网关将传感数据的IPv6报头与压缩模型进行匹配，若匹配到压缩模型则进行对应的压缩，并使用对应的压缩规则编号。

(2)对未匹配到压缩模型的IPv6报头则对该IPv6报头进行解析，记录报头各字段，根据字段生成基础表base_1。

(3)对产生相同base基础表的报文进行重复次数计数。

(4)监测base重复次数达到最大重复数后，对base进行压缩，生成压缩规则表rule_1。

(5)删除base_1。

(6)公布压缩模型rule_1。

第五步，无线传感器的数据发送：发送端无线传感器通过IPv6-LoRaWAN协议发送IPv6数据包。

第六步，无线传感器的数据接收：接收端无线传感器通过IPv6-LoRaWAN协议接收IPv6数据包。

第七步，接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理：

IPv6-LoRaWAN协议栈对无线传感器的IPv6数据包进行去冗余重组与解压处理。其具体步骤如下：

(1)对分片数据进行重组：

IPv6-LoRaWAN网络中监测到分片标志位MF置1后，通过分片偏移对分片数据进行重组，分片偏移字段占13位长，以8字节为单位对分片报进行测量，并指定特定相对于原始未分段的IP数据报的开始片段偏移量，在检测到分片MF标志位值为0时，完成分片数据的重组；

(2)对分片数据进行去冗余处理：

在分片标志位中设置EF标志位，使用EF标志位来标识IPv6数据包中的扩展头部分片，对EF标识的分片进行超时释放处理，进行去除冗余的重叠分片，从而来解决由于重叠带来的错包和碎片过多问题；

(3)接收终端对经过动态上下文压缩后的IPv6报头进行解压；

IPv6-LoRaWAN网关将传感数据的IPv6报头与压缩模型进行匹配，若匹配到压缩模型则进行对应的解压。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)无线传感采集终端IPv6地址的生成：根据LoRa的设备地址生成无线传感器的IPv6地址；

12)对无线传感采集终端的数据进行打包：IPv6-LoRaWAN协议将需要传输的数据进行数据打包；

13)IPv6数据包分片：IPv6-LoRaWAN协议对携带传感数据的IPv6包进行去冗余分片处理；

14)IPv6数据报头的压缩：将IPv6-LoRaWAN协议栈上的IPv6报头进行动态上下文压缩，形成IPv6数据包；

15)无线传感数据的发送：发送端无线传感终端通过IPv6-LoRaWAN协议发送IPv6数据包；

16)无线传感网关的数据接收：无线传感网关通过IPv6-LoRaWAN协议接收IPv6数据包；

17)接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理：IPv6-LoRaWAN协议对无线传感网络的IPv6数据包进行解压与去冗余重组处理。

2.根据权利要求1所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，所述无线传感采集终端IPv6地址的生成包括以下步骤：

21)采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀；通过无状态自动获取方法，读取ICMPv6报文中的IPv6地址前缀通告，作为无线传感器节点的IPv6地址前缀；

22)根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址：DevAddr是一个类似MAC的全球唯一ID，标识唯一的终端设备，是由一个7位的NwkId和25位的NwkAddr构成的，在32位DevAddr地址的NwkId和NwkAddr中间插入一个16位的0xFFFE构成LoRa终端的伪MAC地址；

23)由IEEE EUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符：根据IPv6无状态地址获取机制，先将伪MAC地址映射到EUI-64地址，然后对U/L位求反，构成最终的IPv6接口标识符；

24)结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6-LoRaWAN协议中最终构成完整的IPv6地址。

3.根据权利要求1所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，所述IPv6数据包分片包括以下步骤：

31)判断IPv6-LoRaWAN网络中IPv6数据报是否满足数据报分片判断公式，数据报分片判断公式如下：

Fv6<PayloadSymbNb<6LPMTU

其中，Fv6为IPv6的有效数据报，其大小由有载荷数据大小决定；

PayloadSymbNb为LoRa网络中数据帧的有效负载符号数，由以下公式计算出：

其中，PL为有效负载的字节数，SF表示当前LoRa设置的扩频因子，H为报头标识，DE为LowDataRateOptimize的标志位，CR标识编码率；

6LPMTU为网络链路的最大传输单元，由以下公式计算出：

其中，PR为前导码，根据实际数据密度来设置它的变量n，HD为报头位数，仅在显式报头模式下进行计算，在隐式报头模式下值0，CRC为效验位，打开CRC效验后为16位长；

32)当LoRa网络中数据帧的有效负载符号数PayloadSymbNb不满足数据长度判断公式时，对该数据包进行分片处理。

4.根据权利要求1所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，所述IPv6数据报头的压缩包括以下步骤：

41)IPv6-LoRaWAN网关将传感数据的IPv6报头与压缩模型进行匹配，若匹配到压缩模型则进行对应的压缩，并使用对应的压缩规则编号；

42)对未匹配到压缩模型的IPv6报头则对该IPv6报头进行解析，记录报头各字段，根据字段生成基础表base_1；

43)对产生相同base基础表的报文进行重复次数计数；

44)监测base重复次数达到最大重复数后，对base进行压缩，生成压缩规则表rule_1，同时删除base_1并公布压缩模型rule_1。

5.根据权利要求1所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，所述接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理包括以下步骤：

51)接收端无线传感器对经过动态上下文压缩后的IPv6数据包进行解压；

52)对解压后的分片数据进行重组：

IPv6-LoRaWAN网络中监测到分片标志位后，通过分片偏移对分片数据进行重组，分片偏移字段占13位长，以8字节为单位对分片报进行测量，并指定特定相对于原始未分段的IP数据报的开始片段偏移量，在检测到分片MF标志位值为0时，完成分片数据的重组；

53)对分片数据进行去冗余处理：

在分片标志位中设置EF标志位，使用EF标志位来标识IPv6数据包中的扩展头部分片，对EF标识的分片进行超时释放处理，进行去除冗余的重叠分片。

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