CN111278141A - 一种基于LoRa组网的通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LoRa组网的通信方法及系统。该方法包括：获取基于LoRa组网的数据传输的时帧；时帧包括固定时隙、共享时隙和重传时隙；获取数据传输节点的优先级；对核心节点分配固定时隙；对普通节点分配共享时隙；普通节点采用CSMA/CA机制对共享时隙进行竞争；当数据传输失败时，数据传输失败的节点采用重传时隙进行数据重传；数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧；每个数据传输节点根据同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步数据传输节点与网关的时钟。本发明可以提高数据传输的吞吐量，提高LoRa组网中数据传输的效率。

Description

一种基于LoRa组网的通信方法及系统

技术领域

本发明涉及LoRa组网通信领域，特别是涉及一种基于LoRa组网的通信方法及系统。

背景技术

近年来，物联网行业发展迅速。随着无线通信技术的发展和移动通信设备的普及，传统的移动蜂窝通信技术无法满足物联网节点设备的通信特性和长距离、低功耗、大规模连接的需求，在这种情况下，小型无线自组网的需求越来越大。无线自组网因其具有简单易用且低功耗的特点，被普遍应用于生活中的各个领域。物联网应用领域中常用的无线技术有LoRa、Zigbee、WIFI和NB-IOT等。但是，ZigBee和WIFI是短距离的无线通信技术，不适用于远程传输场景，基于蜂窝通信的NB-IOT和其他解决方案可以提供更广泛的覆盖范围，但是这种方式增加了运营成本。为了解决这些问题，美国Semtech公司提出了一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案即LoRa技术，该技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性。目前在LoRa组网中，TDMA(Timedivision multiple access)是最常用的一种接入方法，现有技术中有的方案使用了一种具有动态重传和差异服务机制的TDMA固定时隙分配算法，设计了新的时帧结构，利用重传时隙提高通信的可靠性。还有方案提出了一种改进的动态TDMA固定时隙分配算法，该算法根据节点数目的改变，按照各个节点的等级动态调整时隙分配策略，提高传输效率。还有方案提出了一种基于固定和动态时隙相融合的TDMA时隙分配算法，采用固定时隙分配算法和动态时隙分配算法相结合的方式进行时隙分配，提高了数据链路系统的时隙利用率。但是随着当前无线传输性能要求的提升，传统改进的固定时隙分配算法不能根据当前节点数目的变化动态调整时隙分配方案，会产生空时隙，造成时隙的浪费，降低数据传输的吞吐量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LoRa组网的通信方法及系统，以提高数据传输的吞吐量，提高LoRa组网中数据传输的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于LoRa组网的通信方法，包括：

获取基于LoRa组网的数据传输的时帧；所述时帧包括固定时隙、共享时隙和重传时隙；当数据传输节点数据传输失败时，所述数据传输节点采用所述重传时隙进行数据重传；

获取数据传输节点的优先级；所述数据传输节点包括核心节点和普通节点，所述核心节点的优先级高于所述普通节点的优先级；

对所述核心节点分配所述固定时隙；所述固定时隙用于所述核心节点申请入网，进行与所述LoRa组网的网关的数据传输；

对所述普通节点分配所述共享时隙；所述共享时隙用于进行所述普通节点申请入网，进行与所述网关的数据传输；所述普通节点采用CSMA/CA机制对所述共享时隙进行竞争；

数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧；每个数据传输节点根据所述同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步所述数据传输节点与所述网关的时钟。

可选的，所述重传时隙包括第一重传时隙、第二重传时隙和第三重传时隙，所述第一重传时隙的时隙个数为所述第二重传时隙的个数的4倍，所述第二重传时隙的个数为所述第三重传时隙的个数的4倍；所述固定时隙的数量为所述核心节点的数量；所述共享时隙的数量为所述固定时隙的数量的4倍；所述固定时隙的数量为所述第一重传时隙的数量的4倍。

可选的，所述对所述普通节点分配所述共享时隙，之后还包括：

所述普通节点侦听信道是否空闲；

当所述信道空闲时，所述普通节点向所述网关发送入网请求，申请入网；

当所述信道忙碌时，所述普通节点随机延时；

随机延时结束后，返回所述普通节点侦听信道是否空闲步骤，申请重新入网。

可选的，所述随机延时结束后，返回所述普通节点侦听信道是否空闲步骤，再次申请入网，之后还包括：

当所述普通节点申请入网成功时，开始进行所述普通节点与所述网关的数据传输；

当所述普通节点申请重新入网三次后，且所述普通节点申请入网失败时，记录失败信息。

可选的，所述对所述核心节点分配所述固定时隙和对所述普通节点分配所述共享时隙，之后还包括：

所述数据传输节点按照分配的时隙进行数据传输；所述核心节点按照所述固定时隙进行数据传输，所述普通节点按照竞争得到的共享时隙进行数据传输；

当数据传输失败时，所述数据传输节点采用所述重传时隙进行重新上报；

当重新上报三次失败后，所述网关记录所述数据传输节点节点的网络状态为离线，所述数据传输节点等待下一上报周期再进行数据传输。

可选的，所述数据传输节点按照分配的时隙进行数据传输，之后还包括：

利用公式f(t)＝f(t₀)+L₀+t_t+t_d计算所述数据传输节点的下一次数据上报的时间；其中，f(t)为数据传输节点t下一次数据上报的时间，f(t₀)为所述数据传输节点对应的时隙起点时钟，L₀为所述数据传输节点对应的时隙长度，t_t为所述数据传输节点空中传输数据帧的时间，t_d为所述数据传输节点发送数据帧与网关接收数据帧的延时时间。

可选的，所述数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧，之后还包括：

所述数据传输节点收到所述同步数据帧后，根据所述数据传输节点向网关传输数据的参数，利用公式L＝(T₁-T₀)/2+(T₃-T₄)/2计算传输时延；其中，T₀为所述数据传输节点上报数据的时刻，T₁为网关收到传输数据的时刻，T₃为网关回复ACK的时刻，T₄为所述数据传输节点收到ACK的时刻，L为所述数据传输节点的传输时延；

利用公式Δt＝(T₁-T₀)/2-(T₃-T₄)/2计算所述数据传输节点与网关的时钟偏差；Δt为节点与网关的时钟偏差；

根据所述传输时延和所述时钟偏差对所述数据传输节点的本地实时时钟进行时钟补偿，校准所述数据传输节点的本地时钟。

可选的，所述数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧，之后还包括：

判断数据传输过程中，所述普通节点随机延时的时长是否大于退避时间阈值；

当所述普通节点随机延时的时长大于退避时间阈值时，减少所述固定时隙的数量，增加所述共享时隙的数量；

当所述普通节点随机延时的时长不大于退避时间阈值时，增加所述固定时隙的数量，减少所述共享时隙的数量。

本发明还提供一种基于LoRa组网的通信系统，包括：

时帧获取模块，用于获取基于LoRa组网的数据传输的时帧；所述时帧包括固定时隙、共享时隙和重传时隙；当数据传输节点数据传输失败时，所述数据传输节点采用所述重传时隙进行数据重传；

节点优先级获取模块，用于获取所述数据传输节点的优先级；所述数据传输节点包括核心节点和普通节点，所述核心节点的优先级高于所述普通节点的优先级；

固定时隙分配模块，用于对所述核心节点分配所述固定时隙；所述固定时隙用于所述核心节点申请入网，进行与所述LoRa组网的网关的数据传输；

共享时隙分配模块，用于对所述普通节点分配所述共享时隙；所述共享时隙用于进行所述普通节点申请入网，进行与所述网关的数据传输；所述普通节点采用CSMA/CA机制对所述共享时隙进行竞争；当数据传输失败时，所述数据传输失败的节点采用所述重传时隙进行数据重传；

同步模块，用于当数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧；每个数据传输节点根据所述同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步所述数据传输节点与所述网关的时钟。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明在传统时隙分配算法的基础上重新设计了时帧结构，加入了重传时隙，提高了LoRa自组网通信的可靠性；相比于同频组网中常用的固定时隙分配算法，本发明加入了共享时隙提高了传输过程中的时隙利用率。此外，在时隙分配的基础上增加了动态调整机制，优化了单时隙分配算法在网络传输过程中的延迟和数据丢包，能够提升多种组网通信中数据传输的效率和稳定性,在嵌入式物联网领域有着良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于LoRa组网的通信方法的流程示意图；

图2为本发明基于LoRa组网的通信方法的中时帧示意图；

图3为本发明基于LoRa组网的通信方法的时钟同步示意图；

图4为本发明基于LoRa组网的通信方法的优先级调整框架；

图5为本发明具体实施案例的流程示意图；

图6为本发明仿真实例的测试平台框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于LoRa组网的通信方法的流程示意图。如图1所示，本发明基于LoRa组网的通信方法包括以下步骤：

步骤100：获取基于LoRa组网的数据传输的时帧。本发明将一个完整的时帧划分为三个部分：固定时隙、共享时隙和重传时隙，固定时隙用于核心节点进行数据上报，共享时隙用于普通节点的数据上报，重传时隙用于节点数据通信失败后重新进行数据上报，核心节点的优先级高于普通节点的优先级。在进行节点划分时，每个节点被赋予一定的优先级，核心节点与普通节点的硬件结构是相同的，不同的是传输数据的优先级，因此，为了区分优先级高的节点和优先级低的节点，将优先级高的节点定义为核心节点，优先级低的节点定义为普通节点。图2为本发明基于LoRa组网的通信方法的中时帧示意图，如图2所示，固定时隙的数量标记为1～F，固定时隙的数量F为核心节点的数量；共享时隙的数量标记为1～C；重传时隙的数量标记为1～R。根据TCP协议的快速重传机制，本发明采用三个重传时隙进行数据重传，其中R1为第一重传时隙的个数，R2是第二重传时隙的个数，R3是第三重传时隙的个数，即1～R1为第一重传时隙的数量标记，1～R2为第二重传时隙的数量标记，1～R3为第三重传时隙的数量标记。

由于节点的业务需求不同，固定时隙和共享时隙之间的比率以及重传时隙的数量在时隙分配中也不一样。例如，可以将固定时隙和共享时隙的比例设置为1：4，即共享时隙的数量为固定时隙的数量的4倍，C＝4F。固定时隙的数量为第一重传时隙的数量的4倍，即F＝4R1。第一重传时隙的时隙个数为第二重传时隙的个数的4倍，即R1＝4R2；第二重传时隙的个数为第三重传时隙的个数的4倍，即R2＝4R3。此时，对于固定时隙区域[1，F]来说，其是共享时隙区域[1，C]的1/4，是第一次重传时隙[1，R1]的4倍，是第二次重传时隙[1，R2]的16倍，是第三次重传时隙[1，R3]的64倍。

步骤200：获取数据传输节点的优先级。数据传输节点包括核心节点和普通节点，核心节点的优先级高于普通节点的优先级。基于步骤100中的介绍，数据传输节点包括两类节点，优先级高的节点和优先级低的节点，优先级高的节点即为核心节点，优先级低的节点即为普通节点。由于不同的节点对应的时隙不同，因此，首先需要确定数据传输节点是核心节点还是普通节点。

步骤300：对核心节点分配固定时隙。固定时隙用于核心节点申请入网，进行与LoRa组网的网关的数据传输。当数据传输失败时，数据传输失败的核心节点采用重传时隙进行数据重传。

步骤400：对普通节点分配共享时隙。共享时隙用于进行普通节点申请入网，进行与网关的数据传输；普通节点采用CSMA/CA机制对共享时隙进行竞争；当数据传输失败时，数据传输失败的普通节点采用重传时隙进行数据重传。

在对数据传输节点分配时隙时，首先节点广播时隙申请数据包，网关收到终端节点广播的时隙申请数据包后，按照节点的优先级为每个核心节点分配固定时隙，优先级较低的普通节点采用CSMA/CA机制对共享时隙进行竞争，最终为普通节点完成共享时隙分配。分配完成后网关广播时隙申请响应数据包ACK，ACK中包括节点个数N、时隙周期T、时隙起点时钟f(t₀)、时帧长度L₀、时隙号和上报周期等信息。

对所有数据传输节点分配了相应的时隙后，节点开始申请入网。核心节点采用固定时隙入网，普通节点采用竞争共享时隙的方式进行入网。普通节点入网时，首先侦听信道是否空闲。如果信道空闲，则普通节点向网关发送入网请求，申请入网；如果信道忙碌，则普通节点采用随机延时退避算法随机延时一段时间，随机延时结束后，再申请重新入网。具体可分为三种情况：

情况一：节点发送入网请求后，先接收到“噪声数据帧”后收到“回应数据帧”。原因是：其它节点也在发送请求帧。解决方法：在整个等待期间忽略其它信息，只接收自己的应答数据帧。

情况二：节点在整个等待周期都没有收到任何信息。原因是：网关丢失了请求帧，或者冲突毁坏通信链路。解决方法：采用随机延时退避算法。

情况三：节点在整个等待周期接收到噪声但没有接收到回应数据帧。原因是：有其他节点发送请求帧并且破坏了网关回应的数据帧。解决方法：采用随机延时退避算法。

节点入网的具体方法为：节点广播时隙申请数据包请求入网，网关收到节点广播的时隙申请数据包后，按照节点预先的优先级为每个核心节点分配相应的时隙，普通节点采用竞争时隙的方式对共享时隙进行竞争，分配完成后网关回复给节点ACK信号并广播时隙申请响应数据包，表示该节点已经入网成功，如果节点未收到网关的ACK信号，则会进行三次重新入网，全部失败后记录失败信息，入网成功后开始进行数据传输。

数据传输过程：节点申请入网成功后，按照分配的时隙进行数据传输，如果数据传输失败则进入重传时隙进行重新上报，首先会进入第一重传时隙进行数据重传，一次重传失败后，再进入第二重传时隙进行数据重传，二次重传失败后进入第三重时隙再进行重传，三次重传均失败后网关记录该节点的网络状态为离线，节点等待下一上报周期再进行数据上报，数据传输成功后节点和网关进行时钟同步。

在数据传输过程中节点需要计算自己下一次数据上报的时间。具体方法为：按照收到的网关响应包和传输延迟来计算下一次数据上报的时间，网关响应数据包包括下发的节点个数N、时隙周期T、节点对应的时隙起点时钟f(t₀)、节点对应的时隙长度L₀、时隙号，传输时延包括节点空中传输数据帧的时间t_t和节点发送数据帧与网关接收数据帧的延时时间t_d，根据上述信息计算得出节点t下一次上报的时间f(t)为：

f(t)＝f(t₀)+L₀+t_t+t_d。

步骤500：数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧。每个数据传输节点根据同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步数据传输节点与网关的时钟。在LoRa同频组网中要避免通信冲突一般采用时分复用的方式，要求在同一时间内子网中只有一个节点向网关上报数据，为了降低数据冲突需要对网络进行时钟同步，由于LoRa无线网络是一个单跳的星型网络，结构比较简单，因此在组网中用网关来控制网络的时钟同步。具体的，通过节点每次上报数据的过程来完成时钟同步。

图3为本发明基于LoRa组网的通信方法的时钟同步示意图，如图3所示，在数据传输完成后节点和网关需要进行时钟同步，在时钟同步过程中，网关需要三个步骤来完成发送同步数据帧，同步数据帧中包括本地RTC和时隙分配结果，具体过程如下：

1)读取网关硬件的RTC(实时时钟)值。

2)按照预先的时隙规划为各个节点分配时隙。

3)生成数据帧并广播发送给所有节点。

为了保证RTC时钟的实时性，网关在时钟同步之前需要先关闭所有中断，同步数据帧发送完成后，再打开所有中断，保证操作的原子性，上述三个步骤不能被打断，否则会造成时钟误差。

数据传输节点在收到网关的同步数据帧后，需要根据节点的节点上报数据的时刻T₀、网关收到传输数据的时刻T₁、网关回复ACK时刻T₃、节点接收到ACK信息的时刻T₄，估算出数据在空中的传播的时延和节点与网关的时钟偏差。

根据节点和网关记录的时刻可以算出节点的传输时延L为：

L＝(T₁-T₀)/2+(T₃-T₄)/2；

节点与网关的时钟偏差Δt为：

Δt＝(T₁-T₀)/2-(T₃-T₄)/2。

根据计算的时钟误差和传输时延，每个节点在同步时钟时对本地RTC进行时钟补偿，校准自身时钟，同步完成后节点进入睡眠模式，等待下一周期的唤醒。

网关在接收完所有的数据并与节点进行时钟同步后，会对网络的整体情况进行调整。图4为本发明基于LoRa组网的通信方法的优先级调整框架，如图4所示，根据不同的网络情况，动态调整固定时隙与共享时隙的比例，方法为：通过CSMA/CA算法中发生数据碰撞时节点的退避时延来判断网络的拥塞程度，进而调节节点的优先级。具体如下：

判断数据传输过程中，普通节点随机延时的时长是否大于退避时间阈值。

当所述普通节点随机延时的时长大于退避时间阈值时，降低核心节点的优先级，由于固定时隙的数量为核心节点的个数，因此会减少所述固定时隙的数量，增加所述共享时隙的数量，进而降低固定时隙与共享时隙的比例。

当所述普通节点随机延时的时长不大于退避时间阈值时，通过增加普通节点的优先级来增加固定时隙的数量，减少共享时隙的数量，进而增加固定时隙与共享时隙的比例。

通过上述调整节点的优先级动态调整固定时隙与共享时隙的个数从而优化网络的吞吐量和传输时延。

本发明还提供了一种基于LoRa组网的通信系统，包括以下结构：

时帧获取模块，用于获取基于LoRa组网的数据传输的时帧；所述时帧包括固定时隙、共享时隙和重传时隙。

节点优先级获取模块，用于获取数据传输节点的优先级；所述数据传输节点包括核心节点和普通节点，所述核心节点的优先级高于所述普通节点的优先级。

固定时隙分配模块，用于对所述核心节点分配所述固定时隙；所述固定时隙用于所述核心节点申请入网，进行与所述LoRa组网的网关的数据传输。

共享时隙分配模块，用于对所述普通节点分配所述共享时隙；所述共享时隙用于进行所述普通节点申请入网，进行与所述网关的数据传输；所述普通节点采用CSMA/CA机制对所述共享时隙进行竞争；当数据传输失败时，所述数据传输失败的节点采用所述重传时隙进行数据重传。

同步模块，用于当数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧；每个数据传输节点根据所述同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步所述数据传输节点与所述网关的时钟。

下面提供一个具体实施案例进一步说明本发明的方案，图5为本发明具体实施案例的流程示意图。如图5所示，本具体实施案例的过程如下：

1)时隙划分：将一个完整的时帧分成三个部分，固定时隙、共享时隙和重传时隙，确定时帧的长度L，数据上报周期T等参数，划分完成后节点开始进行入网。

2)节点入网:节点(Node)在入网时优先级高的核心节点采用固定时隙进行入网，优先级低的普通节点采用竞争共享时隙的方式进行入网，普通节点在竞争入网之前，(LoRa节点打开CAD检测)先侦听信道是否空闲，如果信道空闲则立即发送入网请求，当侦听到信道忙碌时，随机延时一段时间后再申请入网。

节点入网的具体方法为：节点广播时隙申请数据包请求入网，网关收到终端节点广播的时隙申请数据包后，按照节点预先的优先级为每个核心节点分配相应的时隙，普通节点采用竞争时隙的方式对共享时隙进行竞争，分配完成后网关回复给节点ACK信号并广播时隙申请响应数据包，表示该节点已经入网成功，如果节点未收到网关的ACK信号，则会进行三次重新入网，全部失败后记录失败信息，入网成功后开始进行数据传输。

3)数据传输：节点入网成功后，按照分配的时隙进行数据传输，如果数据传输失败则进入重传时隙进行重新上报，三次重传失败后网关记录该节点的网络状态为离线，节点等待下一上报周期再进行数据上报，数据传输成功后节点和网关进行时钟同步。在数据传输过程中节点需要计算自己下一次上报的时间。

4)时钟同步:在数据传输完成后节点和网关需要进行时钟同步，在时钟同步过程中，网关需要以下三个步骤来完成发送包含有包含本地RTC和时隙分配的数据帧：

1)读取网关硬件的RTC(实时时钟)值；

2)按照预先的时隙规划为各个节点分配时隙；

3)生成数据帧并广播发送给所有节点。

为了保证RTC时钟的实时性，网关在时钟同步之前需要先关闭所有中断，同步数据发送完成后，再打开所有中断，保证操作的原子性，这三个步骤不能被打断，否则会造成时钟误差。

节点在收到网关的同步数据帧后，需要根据节点的上报时刻、网关收到消息时刻、网关回复ACK时刻、节点接收到ACK信息，估算出数据在空中的传播的时延和节点与网关的时钟偏差，根据节点和网关记录的时刻可以计算时钟误差和传输时延，根据时钟误差和传输时延，每个节点在同步时钟时对本地RTC进行时钟补偿，校准自身时钟，同步完成后节点进入睡眠模式，等待下一周期的唤醒，网关根据当前的网络情况动态调整节点的优先级。

5)动态调整：网关在接收完所有的数据并与节点进行时钟同步后，会对网络的整体情况进行调整，根据不同的网络情况，动态调整固定时隙与共享时隙的比例，具体方法为：通过CSMA/CA算法中发生数据碰撞时节点的退避时延来判断网络的拥塞程度，根据退避算法中节点的退避时间设置阈值，当随机延时超过或者低于设置的阈值时，通过调整节点的优先级动态调整固定时隙与共享时隙的个数从而优化网络的吞吐量和传输时延。

本发明在固定时隙的基础上增加共享时隙和重传时隙，并根据网络状况动态调整固定时隙和共享时隙的比例，从而提高了整个网络的吞吐量，减少了数据传输延迟，相比已有技术，降低了数据传输的时延,提升了LoRa自组网在物联网应用方面的网络性能。

为了验证本发明的数据传输性能，下面提供一个仿真和实测实验，在MATLAB2016a环境下对本发明的混合时隙分配算法和现有的固定时隙分配算法进行了稳定性分析和时延仿真，本次仿真在理想信道下进行忽略信道中的误码率，各个节点的发包速率相等，实验中分别设定了2-10个星型分布的节点，并与固定时隙算法进行了对比分析。具体仿真参数如表1所示。

表1仿真环境参数设置

参数名称	参数值
		节点数目(个)	2-10
SlotTime(时隙长度/ms)	20
		TotalTime(时隙个数/个)	10
数据速率(kb/s)	20
		数据包长度(byte)	64
固定时隙数(个)	3

在相同的环境下，当节点数为2-10时，混合时隙分配算法的传输时延为100-610ms，丢包率为19％-33％。固定时隙分配算法的传输延迟为250-950毫秒，丢包率为29％-38％。

在实际测试中，本发明设计了一个硬件测试平台，图6为本发明仿真实例的测试平台框图，如图6所示，该平台由主控电路、射频电路和外围电路组成。主控芯片采用ST公司的STM8L151低功耗芯片，射频芯片采用SX1278 LoRa芯片。外围电路包括电源、传感器、显示模块等。由每个节点和网关组成的星型网络定期将传感器和本地时钟采集到的数据报告给网关，并通过串口助手将传输的数据保存到文件中。利用上述硬件平台对混合时隙分配算法进行了测试和分析。网关和节点LoRa的测试频率为433Mhz，LoRa的其他参数如表2所示。

表2 LoRa参数设置

参数	配置值
		信号带宽(BW)	250Khz
发射功率(Power)	20dbm
		扩频因子(SF)	12
编码率(CR)	2
		数据包大小	64Byte

在测试中，通过测量多节点与网关之间的数据通信来确定网络的传输延迟和丢包率。试验是在室外开放空间内进行。测试距离为1000m，共有1000个数据包。重复测试20次后，取平均值。根据通过串口助手窗口接收到的数据包数量和文件中节点与网关的时钟差，进一步分析网络的传输时延和丢包率。在相同的环境下，当有2-10个节点时，混合时隙分配算法的传输时延为500-900ms，固定时隙分配算法的传输延迟为700-1400ms，混合时隙分配算法的丢包率为15％-25％。固定时隙分配算法的丢包率为25％-55％，通过比较MATLAB仿真和固定时隙分配算法的实际测试，可以得出，在相同环境下，数据传输时延和数据可靠性方面，本发明提出的基于LoRa组网的TDMA混合时隙分配算法要优于固定时隙分配算法，更适合LoRa网络在物联网中的应用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，包括：

获取基于LoRa组网的数据传输的时帧；所述时帧包括固定时隙、共享时隙和重传时隙；当数据传输节点数据传输失败时，所述数据传输节点采用所述重传时隙进行数据重传；

获取数据传输节点的优先级；所述数据传输节点包括核心节点和普通节点，所述核心节点的优先级高于所述普通节点的优先级；

对所述核心节点分配所述固定时隙；所述固定时隙用于所述核心节点申请入网，进行与所述LoRa组网的网关的数据传输；

对所述普通节点分配所述共享时隙；所述共享时隙用于进行所述普通节点申请入网，进行与所述网关的数据传输；所述普通节点采用CSMA/CA机制对所述共享时隙进行竞争；

数据传输完成后，向所述数据传输节点发送同步数据帧；每个数据传输节点根据所述同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步所述数据传输节点与所述网关的时钟。

2.根据权利要求1所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述重传时隙包括第一重传时隙、第二重传时隙和第三重传时隙，所述第一重传时隙的时隙个数为所述第二重传时隙的个数的4倍，所述第二重传时隙的个数为所述第三重传时隙的个数的4倍；所述固定时隙的数量为所述核心节点的数量；所述共享时隙的数量为所述固定时隙的数量的4倍；所述固定时隙的数量为所述第一重传时隙的数量的4倍。

3.根据权利要求1所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述对所述普通节点分配所述共享时隙，之后还包括：

所述普通节点侦听信道是否空闲；

当所述信道空闲时，所述普通节点向所述网关发送入网请求，申请入网；

当所述信道忙碌时，所述普通节点随机延时；

随机延时结束后，返回所述普通节点侦听信道是否空闲步骤，申请重新入网。

4.根据权利要求3所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述随机延时结束后，返回所述普通节点侦听信道是否空闲步骤，再次申请入网，之后还包括：

当所述普通节点申请入网成功时，开始进行所述普通节点与所述网关的数据传输；

当所述普通节点申请重新入网三次后，且所述普通节点申请入网失败时，记录失败信息。

5.根据权利要求4所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述对所述核心节点分配所述固定时隙和对所述普通节点分配所述共享时隙，之后还包括：

所述数据传输节点按照分配的时隙进行数据传输；所述核心节点按照所述固定时隙进行数据传输，所述普通节点按照竞争得到的共享时隙进行数据传输；

当数据传输失败时，所述数据传输节点采用所述重传时隙进行重新上报；

当重新上报三次失败后，所述网关记录所述数据传输节点的网络状态为离线，所述数据传输节点等待下一上报周期再进行数据传输。

6.根据权利要求5所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述数据传输节点按照分配的时隙进行数据传输，之后还包括：

利用公式f(t)＝f(t₀)+L₀+t_t+t_d计算所述数据传输节点的下一次数据上报的时间；其中，f(t)为数据传输节点t下一次数据上报的时间，f(t₀)为所述数据传输节点对应的时隙起点时钟，L₀为所述数据传输节点对应的时隙长度，t_t为所述数据传输节点空中传输数据帧的时间，t_d为所述数据传输节点发送数据帧与网关接收数据帧的延时时间。

7.根据权利要求1所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧，之后还包括：

所述数据传输节点收到所述同步数据帧后，根据所述数据传输节点向网关传输数据的参数，利用公式L＝(T₁-T₀)/2+(T₃-T₄)/2计算传输时延；其中，T₀为所述数据传输节点上报数据的时刻，T₁为网关收到传输数据的时刻，T₃为网关回复ACK的时刻，T₄为所述数据传输节点收到ACK的时刻，L为所述数据传输节点的传输时延；

利用公式Δt＝(T₁-T₀)/2-(T₃-T₄)/2计算所述数据传输节点与网关的时钟偏差；Δt为节点与网关的时钟偏差；

根据所述传输时延和所述时钟偏差对所述数据传输节点的本地实时时钟进行时钟补偿，校准所述数据传输节点的本地时钟。

8.根据权利要求3所述的基于LoRa组网的通信方法，其特征在于，所述数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧，之后还包括：

判断数据传输过程中，所述普通节点随机延时的时长是否大于退避时间阈值；

当所述普通节点随机延时的时长大于退避时间阈值时，减少所述固定时隙的数量，增加所述共享时隙的数量；

当所述普通节点随机延时的时长不大于退避时间阈值时，增加所述固定时隙的数量，减少所述共享时隙的数量。

9.一种基于LoRa组网的通信系统，其特征在于，包括：

时帧获取模块，用于获取基于LoRa组网的数据传输的时帧；所述时帧包括固定时隙、共享时隙和重传时隙；当数据传输节点数据传输失败时，所述数据传输节点采用所述重传时隙进行数据重传；

节点优先级获取模块，用于获取所述数据传输节点的优先级；所述数据传输节点包括核心节点和普通节点，所述核心节点的优先级高于所述普通节点的优先级；

固定时隙分配模块，用于对所述核心节点分配所述固定时隙；所述固定时隙用于所述核心节点申请入网，进行与所述LoRa组网的网关的数据传输；

共享时隙分配模块，用于对所述普通节点分配所述共享时隙；所述共享时隙用于进行所述普通节点申请入网，进行与所述网关的数据传输；所述普通节点采用CSMA/CA机制对所述共享时隙进行竞争；

同步模块，用于当数据传输完成后，向数据传输节点发送同步数据帧；每个数据传输节点根据所述同步数据帧对本地实时时钟进行时钟补偿，同步所述数据传输节点与所述网关的时钟。

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