CN111432494A - 一种时隙自动分配方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时隙自动分配方法及装置，该方法包括请求节点自动发送工作模式和时隙编号请求；服务器根据请求指令向请求节点下发工作模式指令和时隙编号；请求节点进入时隙分配工作模式，在时间同步的基础上以同一时间为基准点，根据发送数据的周期序号和被分配的时隙编号选取时间片和信道，按固定时隙发送数据。该方法在保证各节点时间同步的基础上以同一时间为基准点进行时间分片，由于每个发送周期都有一个绝对的序号，时间片的随机分配与绝对的发送周期序号和被分配的时隙编号相关。这样在每个发送周期内，每个时间片只会被使用一次，有效降低了碰撞概率，时隙分配过程灵活可靠，高效解决了LoRaWAN常规使用中无法高频次发包的痛点。

Description

一种时隙自动分配方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体的说是涉及一种时隙自动分配方法及装置。
背景技术
目前，LoRaWAN作为新兴的通信技术，常与LBT机制(监听避让机制)配合应用。LBT作为一种高效的通信调度机制，可以有效的避免无线冲突，其基础为IEEE 802.15.2协议的关键技术“冲突避免的载波多路侦听技术”。在LoRaWAN的低频次通信的应用场景中，LBT这种竞争机制，可以有效提高信道资源的利用率，保证整个无线系统的丢包率较低。
但是，在高频次的无线通信场景中，系统底噪整体增加，节点的监听效果较差；同时，由于节点设备部署位置较远时，LBT机制基本失效，高频次发包直接导致网络容量骤降，信道冲突加剧，丢包严重。
因此，如何提供一种可以对LoRaWAN的无线信道和通信时间进行高效分配的时隙自动分配方案是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种时隙自动分配方法，该方法通过自动时隙分配方案，解决了LoRaWAN常规使用中无法高频次发包的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种时隙自动分配方法，该方法包括：
发送请求：请求节点自动发送工作模式和时隙编号请求；
时隙分配：服务器根据请求指令向请求节点下发工作模式指令和时隙编号；
数据发送：请求节点进入时隙分配工作模式，在时间同步的基础上以同一时间为基准点，根据发送数据的周期序号和被分配的时隙编号选取时间片和信道，并按固定时隙发送数据。
本发明的有益效果是：该方法在保证各节点时间同步的基础上以同一时间为基准点进行时间分片，由于每一个发送周期都有一个绝对的序号，时间片的随机分配与绝对的发送周期序号和被分配的时隙编号相关。这样，在每一个发送周期内，每一个时间片只会被使用一次，有效降低了碰撞概率，时隙分配过程灵活、可靠，高效的解决了LoRaWAN常规使用中无法高频次发包的痛点。
进一步地，所述时隙分配的过程，具体包括：
实时接收节点发送的数据；
判断接收数据是否为节点请求指令；
在确定接收数据为节点请求指令后，向请求节点下发工作模式指令和时隙编号。
采用上述进一步方案的有益效果是：服务器采用数据被动接收的工作方式，一直处于接收和等待接收的状态，在请求节点(即终端设备)数据结果LoRaWAN链路上报数据之后，平台通过应用层协议区分是终端应用数据还是请求指令。对于请求指令的处理，是为了兼容应用中设备的增加和删减的情况，同时要求服务器可以实时下发时隙编号等信息，这样可以兼容大多数使用场景，便于前期的安装和后期的维护。
进一步地，所述数据发送的过程具体包括：
接收服务器下发的工作模式指令和时隙编号数据；
对接收到的数据进行解析；
判断是否进入LBT工作模式；
在确定未进入LBT工作模式后，进入时隙分配模式；
根据时隙编号和发送数据的周期序号计算时隙；
与服务器进行同步时间；
判断是否到定时器中断；
在确定未到定时器中断后，以固定时隙发送数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：终端设备(即请求节点)上电后具有自动请求工作模式和时隙编号的功能，大大降低了现场安装人员的操作难度，增强了设备工作的稳定性和灵活性。固定周期时间同步，可以保证在极端工作环境中，晶振温漂达到最大的情况下仍能保持时隙不错乱，时隙编号之间不干扰。同时较长的同步时间也有效降低了下行数据带宽压力，增强了系统的健壮性。
此外，本发明还公开了一种时隙自动分配装置，该装置使用上述的一种时隙自动分配方法，实现对LoRaWAN的无线信道和通信时间的高效分配功能。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种时隙自动分配方法的流程示意图；
图2附图为本发明实施例中无线信号在时间和信道上的分布实例示意图；
图3附图为本发明实施例中LoRaWAN系统的结构架构示意图；
图4附图为本发明实施例中服务器进行时隙编号下发过程的工作流程示意图；
图5附图为本发明实施例中终端设备完成数据发送过程的工作流程示意图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，本发明实施例公开了一种时隙自动分配方法，该方法包括：
S1：发送请求：请求节点自动发送工作模式和时隙编号请求；
S2：时隙分配：服务器根据请求指令向请求节点下发工作模式指令和时隙编号；
S3：数据发送：请求节点进入时隙分配工作模式，在时间同步的基础上以同一时间为基准点，根据发送数据的周期序号和被分配的时隙编号选取时间片和信道，按固定时隙发送数据。
该方法可以满足在LoRaWAN协议的情况下，节点的发送数据的周期为5s，此时单个网关的网络容量可以达到80个，适用于高频次发包的应用场景。
在本实施例中，时间片和信道的选取采用伪随机算法，软件上可以通过特殊的伪随机算法设计，使碰撞概率接近0％。由于每一个发送周期都有一个绝对的序号，时间片的随机分配于绝对的发送周期序号和设备被分配的时隙编号相关。因此，在每一个发送周期内，每一个时间片只会被使用一次。无线信号在时间和信道上的分布具体可以参见附图2中提供的一个实例。
在本实施例中，完整的LoRaWAN系统中包括终端设备、LoRaWAN标准网关、LoRaWAN标准网络服务器和应用平台四部分，如图3所示。
LoRaWAN系统中应用平台为时隙分配的大脑，主导整个系统的工作业务逻辑：区分设备工作状态、管理设备编号、统筹不同应用下的设备信息、协调各个子系统之间的关联。
具体地，参见附图4，时隙分配的过程，具体包括：
实时接收节点发送的数据；
判断接收数据是否为节点请求指令；
在确定接收数据为节点请求指令后，向请求节点下发工作模式指令和时隙编号。
服务器采用数据被动接收的工作方式，一直处于接收和等待接收的状态，在请求节点(即终端设备)数据结果LoRaWAN链路上报数据之后，平台通过应用层协议区分是终端应用数据还是请求指令。对于请求指令的处理，是为了兼容应用中设备的增加和删减的情况，同时要求服务器可以实时下发时隙编号等信息，这样可以兼容大多数使用场景，便于前期的安装和后期的维护。
具体地，参见附图5，数据发送的过程具体包括：
接收服务器下发的工作模式指令和时隙编号数据；
对接收到的数据进行解析；
判断是否进入LBT工作模式；
在确定未进入LBT工作模式后，进入时隙分配模式；
根据时隙编号和发送数据的周期序号计算时隙；
与服务器进行同步时间；
判断是否到定时器中断；
在确定未到定时器中断后，以固定时隙发送数据。
在LoRaWAN系统中，上述数据发送的过程通过终端设备(即请求节点)完成，终端设备实现数据采集、无线射频通信等功能，同时实现了时间片和信道的选取采用伪随机算法。终端设备上电后自动请求工作模式和时隙编号的功能，大大降低了现场安装人员的操作难度，增强了设备工作的稳定性和灵活性。固定周期时间同步，可以保证在极端工作环境中，晶振温漂达到最大的情况下仍能保持时隙不错乱，时隙编号之间不干扰。同时较长的同步时间也有效降低了下行数据带宽压力，增强系统的健壮性。
LoRaWAN网关为标准半/全双工网关，可有效实现LoRaWAN数据的收集和透传，是数据上行和下行的关键中心环节。
网络服务器可支持标准的LoRaWAN协议，进行有效的设备管理、数据解析、数据流控制等，是整个系统的核心引擎。为了增加网络容量，优化协议中ADR机制，网络服务器累计最近通信数据的信号质量，通过算法高效灵活的调节节点速率。节点在不同环境和距离下使用不同的速率传输数据，在LoRaWAN协议，速率的计算公式如下：
Figure BDA0002428337870000051
其中，4/5为编码率，Bw为通信带宽，常为125KHz，即速率Rb和扩频因子SF相关。网络服务器通过调节系统中节点的扩频因子，可以充分利用无线资源。对于无线信号质量较好的节点会调节为高速率的通信方式，缩短通信时间，提高通信效率。同时，不同的SF在不同的信道中是正交的，表明信道相同、SF不同通信是不会相互影响的，这样极大的提高了网络容量，降低了无线冲突导致的丢包率。
本发明实施例公开的方法在LoRaWAN系统中实现了自动时隙分配功能，该方法灵活、可靠，高效的解决了LoRaWAN常规使用中无法高频次发包的痛点，有效的和低频次发包中使用的LBT机制形成有效的互补。该方案保证在LoRaWAN系统中，将终端设备的部署问题简化，高效利用时间和信道资源，最终实现单网关可以携带80个快速发包节点的应用场景。
此外，本发明还公开了一种时隙自动分配装置，该装置使用上述的一种时隙自动分配方法，实现对LoRaWAN的无线信道和通信时间的高效分配功能。该时隙分配方案为非竞争发包机制，高效的利用了时间和信道资源，充分发挥LoRaWAN远距离传输和低功耗的特点。同时解决了高频次发包导致网络容量降低、冲突加剧等问题，有效保证系统的稳定性，降低系统性丢包的难题。将该系统实现为自动化，是将理论与实践有效结合的产物，将方案产品化、自动化，可以方便客户和安装人员的现场作业，大大降低了学习成本，提高了工作效率，规范化作业可有效降低施工成本。
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。对于实施例公开的装置而言，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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种时隙自动分配方法，其特征在于，包括：
发送请求：请求节点自动发送工作模式和时隙编号请求；
时隙分配：服务器根据请求指令向请求节点下发工作模式指令和时隙编号；
数据发送：请求节点进入时隙分配工作模式，在时间同步的基础上以同一时间为基准点，根据发送数据的周期序号和被分配的时隙编号选取时间片和信道，并按固定时隙发送数据。
2.根据权利要求1所述的一种时隙自动分配方法，其特征在于，所述时隙分配的过程，具体包括：
实时接收节点发送的数据；
判断接收数据是否为节点请求指令；
在确定接收数据为节点请求指令后，向请求节点下发工作模式指令和时隙编号。
3.根据权利要求1所述的一种时隙自动分配方法，其特征在于，所述数据发送的过程具体包括：
接收服务器下发的工作模式指令和时隙编号数据；
对接收到的数据进行解析；
判断是否进入LBT工作模式；
在确定未进入LBT工作模式后，进入时隙分配模式；
根据时隙编号和发送数据的周期序号计算时隙；
与服务器进行同步时间；
判断是否到定时器中断；
在确定未到定时器中断后，以固定时隙发送数据。
4.一种时隙自动分配装置，其特征在于，所述装置使用如权利要求1-3任一项所述的一种时隙自动分配方法。
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