CN111479269A - 一种可实现同步的Lora节点入网方法 - Google Patents

一种可实现同步的Lora节点入网方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可实现同步的Lora节点入网方法，属于Lora入网机制技术领域。所述可实现同步的Lora节点入网方法不仅涵盖上述OTAA入网的过程，还在入网交互帧中加入了同步信息；入网成功后，同时实现了Lora节点与Lora网关之间的同步。本发明的入网机制不仅适用于节点向SX1301型的Lora网关进行注册，而且也适用于向由SX1278或者SX1276组成的轻量型Lora网关进行注册。

Description

一种可实现同步的Lora节点入网方法
技术领域
本发明涉及Lora入网机制技术领域，特别涉及一种可实现同步的Lora节点入网方法。
背景技术
Lora(Long range radio)技术有效解决了无线通信领域内低功耗和远距离的矛盾，为长距离物联网的发展奠定了技术基础。Lora网络中节点的入网方式有两种方式，OTAA(Over-The-Air Activation)和ABP(Activation By Personalization)。ABP的方式在设备部署前将入网信息烧写在设备上，设备上电后无需入网操作。OTAA的方式为设备上电后，处于非入网的状态，需要进行入网操作。一般OTAA的入网过程包括：节点请求入网；基站或者服务器判断入网节点的合法性，并生成入网应答帧下发给节点；服务器和入网节点，根据入网交互信息生成通讯会话密钥。目前基于Lora技术的OTAA入网方式，并不能在入网过程中实现同步，而网路同步是在低功耗条件下实现主动下行通信的技术保障，因此有必要对入网过程中实现同步的方法进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Lora节点入网方法，以解决节点在入网过程中的网络同步问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种可实现同步的Lora节点入网方法，包括：
步骤S1，Lora网关定时发送信标帧，用于入网后的Lora节点时钟校准，Lora节点上电后，随机向Lora网关发送入网请求；
步骤S2，Lora网关和Lora节点在部署之前统一烧录网络公共密钥，记为NwKey；NwKey与入网请求帧的随机码，共同生成入网交互报文的加解密密钥；
步骤S3，Lora网关接收到Lora节点的入网请求帧，通过NwKey与入网请求帧中的随机码，生成解密密钥；完成解密操作后，通过入网请求帧尾部的CRC校验信息，对入网请求帧进行数据完整性校验：
步骤S31，如果校验失败，则拒绝本次入网请求；如果校验成功，检查节点ID是否为合法设备；
步骤S32，如果检查为不合法设备，则拒绝本次入网请求；如果为合法设备，Lora网关则生成对应的入网应答帧和通信会话密钥；
步骤S4，Lora网关将对应Lora节点的设备地址参与计算入网应答帧的CRC校验信息，当Lora节点接收到入网应答帧时，通过本地设备地址与入网应答帧负载内容进行CRC校验；
步骤S41，如果校验通过，Lora节点则解析入网应答帧；如果校验失败，则本次入网操作失败，继续尝试入网；
步骤S5，Lora节点和Lora网关根据入网交互信息帧中的节点设备地址、网关设备地址、以及入网交互信息帧中携带的随机码，共同生成对应Lora节点的网络通讯会话密钥，记为NwSkey；
步骤S6，Lora节点接收到入网应答帧后，首先通过NwKey与入网应答帧中的随机码字段生成解密密钥；完成对入网应答帧的解密操作后，对入网应答帧内容进行CRC校验，如校验成功，解析帧中的内容，并做相应的操作；
步骤S7，Lora节点将网关地址保存在本地，作为上行数据通信的目标地址；将UTC字段解析出来，设置到本地的UTC服务中；
步骤S8，通过入网应答帧接收完成时刻RxDoneTime、入网应答帧空中传播时间RxWinTime以及入网应答帧中携带的WaitBeaconTime，计算下次信标帧下发时刻，使能节点的校准服务，在对应beacon帧下发的时刻，接收beacon帧，进行本地时钟校准；
步骤S9，Lora节点解析入网应答帧中的信息参数，根据信息参数和信标帧的下发时刻信息，对Lora节点的侦听时隙，接收时隙和发送时隙进行划分，可根据需要，使能节点的侦听服务；
步骤S10，Lora节点入网请求采取随机退避的方式，Lora节点上电后，首先产生一个随机延时，随机延时结束后，打开Lora射频芯片的CAD功能，如果没有在上行信道侦听到Lora信号，则发送入网请求帧，如果侦听到了上行Lora信号，则使用加权随机算法，产生一次随机延时，延时结束后，再次尝试入网；如果入网尝试失败次数超过了设定的阈值，则放弃本次入网。
可选的，所述网络公共密钥NwKey以密文的形式存于参与部署的网关和节点上。
可选的，所述入网应答帧接收完成的时刻RxDoneTime通过Lora节点记录，所述入网应答帧的空中传播时间RxWinTime根据入网应答帧的长度、Lora接收的射频参数计算得到。
可选的，所述入网应答帧中的信息参数包括下次信标帧的计数器值NextBeaconCounter，二级地址SecondAdress，业务信道编号BusinessChannelNum，三级地址ThirdAddress，可使用的信道数目AvaliableChannelNum，以及可使用信道的扩频因子列表SFList。
在本发明提供了一种可实现同步的Lora节点入网方法，不仅涵盖上述OTAA入网的过程，还在入网交互帧中加入了同步信息；入网成功后，同时实现了Lora节点与Lora网关之间的同步。本发明的入网机制不仅适用于节点向SX1301型的Lora网关进行注册，而且也适用于向由SX1278或者SX1276组成的轻量型Lora网关进行注册。
附图说明
图1是Lora节点入网时序示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种可实现同步的Lora节点入网方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
Lora节点与Lora网关组成了星型拓扑结构的网络。本发明提供了一种可实现同步的Lora节点入网方法，具体步骤如下：
Lora网关定时发送信标帧，用于入网后的Lora节点时钟校准；Lora节点上电后，随机的向Lora网关发送入网请求帧，表1为入网请求帧的负载内容；其中，源ID(即source ID)是8个字节的设备地址(即device ID)，作为节点设备的唯一标识，有效载荷(即payload)为节点属性(即node property)，用于标识节点是遥控端还是遥测端，2个字节的随机码(即nonce)则用于生成本报文的加解密密钥；
Figure BDA0002448527010000041
表1入网请求帧的负载内容
Lora网关和Lora节点在部署之前统一烧录网络公共密钥，记为NwKey；NwKey以密文的形式存于参与部署的Lora网关和Lora节点上。NwKey与入网请求帧的随机码nonce，共同生成入网交互报文的加解密密钥；
Lora网关接收到Lora节点的入网请求帧，首先通过NwKey与入网请求帧中的随机码nonce字段，生成解密密钥；完成解密操作后，通过入网请求帧尾部的CRC校验信息，对入网请求帧进行数据完整性校验：
如果校验失败，则拒绝本次入网请求；如果校验成功，检查节点ID是否为合法设备；
如果检查为不合法设备，则拒绝本次入网请求；如果为合法设备，Lora网关则生成对应Lora节点的入网应答帧和与通信会话密钥；其中，入网应答帧的数据内容如表2所示，各字段的含义如下：
GateWay Address:Lora网关地址，为2个字节，Lora节点根据Lora网关地址计算网络会话秘钥，并保存网关地址；
UTC:当前北京时间的UTC时间戳，为4个字节；
Wait beacon time:Lora网关使能发送入网应答帧时刻到之后最近一次信标帧下发时刻的时间长度，单位为ms，为4个字节；
Next beacon Counter:入网应答帧之后最近一次信标帧的计数器值，1个字节，取值范围0～63，用于动态的计算定时上报周期；
Second Address:Lora节点二级地址，为2个字节，高字节高4位bit7～4，表示节点被分配的信道编号，高字节低4位bit3～0，与低字节组成一个12位的无符号整数，表示Lora节点在被分配信道下的相对地址；
ACN:Available Channel Number，可用频道号，1个字节，表示Lora网关有多少个信道可以被节点使用；
SF List:扩频因子列表，该字段所占字节与ACN值相关，所占字节长度
Figure BDA0002448527010000051
每2位表示一个信道的扩频因子，字段内信道对应位取值与扩频因子的对应关系如下：0:SF7；1:SF9；2:SF12；3：保留；
Nonce:随机码，为2个字节，用于计算网络通讯会话密钥NwSkey，防止重放攻击；
Figure BDA0002448527010000052
表2入网应答帧的数据内容
Lora网关将对应Lora节点的设备地址参与计算入网应答帧的CRC校验信息，当Lora节点接收到入网应答帧时，通过本地设备地址与入网应答帧负载内容进行CRC校验；如果校验通过，Lora节点则解析入网应答帧；如果校验失败，则本次入网操作失败，继续尝试入网；
Lora节点和Lora网关根据入网交互信息帧中的节点设备地址、网关设备地址、以及入网交互信息帧(所述入网交互信息帧包括入网请求帧和入网应答帧)中携带的随机码，共同生成对应Lora节点的网络通讯会话密钥，记为NwSkey；
Lora节点接收到入网应答帧后，首先通过NwKey与入网应答帧中的随机码nonce字段生成解密密钥；完成对入网应答帧的解密操作后，对入网应答帧内容进行CRC校验，如校验成功，解析帧中的内容，并做相应的操作；
将网关地址保存在Lora节点本地，作为上行数据通信的目标地址；将UTC字段解析出来，设置到本地的UTC服务中；
Lora节点记录了入网应答帧接收完成的时刻，记为RxDoneTime；根据入网应答帧的长度、Lora接收的射频参数，计算入网应答帧的空中传播时间，此处从Lora节点的角度，将入网应答帧的空中传播时间，记为RxWinTime。通过入网应答帧接收完成的时刻RxDoneTime、入网应答帧的空中传播时间RxWinTime以及入网应答帧中携带的WaitBeaconTime，计算出下次信标帧下发的时刻，使能节点的校准服务，在对应beacon帧下发时刻，接收beacon帧，进行本地时钟校准；其中WaitBeaconTime为入网应答帧发送时刻，距最近一次的信标帧的时间；
Lora节点解析入网应答帧中的信息参数，根据信息参数和信标帧的下发时刻信息，对Lora节点的侦听时隙，接收时隙和发送时隙进行划分，可根据需要，使能节点的侦听服务；其中入网应答帧中的信息参数包括下次信标帧的计数器值NextBeaconCounter，二级地址SecondAdress，业务信道编号BusinessChannelNum，三级地址ThirdAddress，可使用的信道数目AvaliableChannelNum，以及可使用信道的扩频因子列表SFList；
Lora节点入网请求采取随机退避的方式，Lora节点上电后，首先产生一个随机延时，随机延时结束后，打开Lora射频芯片的CAD功能，如果没有在上行信道侦听到Lora信号，则发送入网请求帧，此过程的时序如图1所示，图1中GW为Lora网关，Node为Lora节点。如果侦听到了上行Lora信号，则使用加权随机算法，产生一次随机延时，延时结束后，再次尝试入网；如果入网尝试失败次数超过了设定的阈值，则放弃本次入网。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种可实现同步的Lora节点入网方法，其特征在于，包括：
步骤S1，Lora网关定时发送信标帧，用于入网后的Lora节点时钟校准，Lora节点上电后，随机向Lora网关发送入网请求；
步骤S2，Lora网关和Lora节点在部署之前统一烧录网络公共密钥，记为NwKey；NwKey与入网请求帧的随机码，共同生成入网交互报文的加解密密钥；
步骤S3，Lora网关接收到Lora节点的入网请求帧，通过NwKey与入网请求帧中的随机码，生成解密密钥；完成解密操作后，通过入网请求帧尾部的CRC校验信息，对入网请求帧进行数据完整性校验：
步骤S31，如果校验失败，则拒绝本次入网请求；如果校验成功，检查节点ID是否为合法设备；
步骤S32，如果检查为不合法设备，则拒绝本次入网请求；如果为合法设备，Lora网关则生成对应的入网应答帧和通信会话密钥；
步骤S4，Lora网关将对应Lora节点的设备地址参与计算入网应答帧的CRC校验信息，当Lora节点接收到入网应答帧时，通过本地设备地址与入网应答帧负载内容进行CRC校验；
步骤S41，如果校验通过，Lora节点则解析入网应答帧；如果校验失败，则本次入网操作失败，继续尝试入网；
步骤S5，Lora节点和Lora网关根据入网交互信息帧中的节点设备地址、网关设备地址、以及入网交互信息帧中携带的随机码，共同生成对应Lora节点的网络通讯会话密钥，记为NwSkey；
步骤S6，Lora节点接收到入网应答帧后，首先通过NwKey与入网应答帧中的随机码字段生成解密密钥；完成对入网应答帧的解密操作后，对入网应答帧内容进行CRC校验，如校验成功，解析帧中的内容，并做相应的操作；
步骤S7，Lora节点将网关地址保存在本地，作为上行数据通信的目标地址；将UTC字段解析出来，设置到本地的UTC服务中；
步骤S8，通过入网应答帧接收完成时刻RxDoneTime、入网应答帧空中传播时间RxWinTime以及入网应答帧中携带的WaitBeaconTime，计算下次信标帧下发时刻，使能节点的校准服务，在对应beacon帧下发的时刻，接收beacon帧，进行本地时钟校准；
步骤S9，Lora节点解析入网应答帧中的信息参数，根据信息参数和信标帧的下发时刻信息，对Lora节点的侦听时隙，接收时隙和发送时隙进行划分，可根据需要，使能节点的侦听服务；
步骤S10，Lora节点入网请求采取随机退避的方式，Lora节点上电后，首先产生一个随机延时，随机延时结束后，打开Lora射频芯片的CAD功能，如果没有在上行信道侦听到Lora信号，则发送入网请求帧，如果侦听到了上行Lora信号，则使用加权随机算法，产生一次随机延时，延时结束后，再次尝试入网；如果入网尝试失败次数超过了设定的阈值，则放弃本次入网。
2.如权利要求1所述的可实现同步的Lora节点入网方法，其特征在于，所述网络公共密钥NwKey以密文的形式存于参与部署的网关和节点上。
3.如权利要求1所述的可实现同步的Lora节点入网方法，其特征在于，所述入网应答帧接收完成的时刻RxDoneTime通过Lora节点记录，所述入网应答帧的空中传播时间RxWinTime根据入网应答帧的长度、Lora接收的射频参数计算得到。
4.如权利要求1所述的可实现同步的Lora节点入网方法，其特征在于，所述入网应答帧中的信息参数包括下次信标帧的计数器值NextBeaconCounter，二级地址SecondAdress，业务信道编号BusinessChannelNum，三级地址ThirdAddress，可使用的信道数目AvaliableChannelNum，以及可使用信道的扩频因子列表SFList。
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