CN111491335A - 一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，属于广域物联网技术领域。Lora节点入网后，从网关获取同步信息、通信信道和网关信道列表；Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区；上行通信采用TDMA与CSMA机制相结合的方式，在信标周期划分了定时上报时隙和竞争上报时隙；统计信道占空比ηc、单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn和信道平衡因子为θ；若信道占空比ηc超过设定的信道超载阈值H，且信道平衡因子θ小于设定的信道平衡因子阈值Θ，调整节点的通信通道；当满足信道负载统计条件时，网关每隔1分钟做一次数据统计，并判断是否存在节点需要调整通信信道。

Description

一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法
技术领域
本发明涉及广域物联网技术领域，特别涉及一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法。
背景技术
Lora技术的诞生给低功耗广域网的发展带来了许多机遇和挑战。目前部署的Lora网络中，多采用SX1301构成8上1下的通信网关，同时也存在由SX1278或SX1276组成的多路上行和多路下行的轻量级网关。不管是哪种Lora网关，均存在多路上行的通信信道；所以，在Lora网络部署的应用环境内，可能存在单个网关的信道负载不均衡的问题。因此有必要对该问题进行研究，进而提高Lora网络的响应速度和并发性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，以解决目前单个网关的信道负载不均衡、影响网络的响应速度和并发性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，包括：
Lora节点入网后，从网关获取同步信息、通信信道和网关信道列表；Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区；
上行通信采用TDMA与CSMA机制相结合的方式，在信标周期划分了定时上报时隙和竞争上报时隙；
统计信道占空比ηc、单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn和信道平衡因子为θ；
若信道占空比ηc超过设定的信道超载阈值H，且信道平衡因子θ小于设定的信道平衡因子阈值Θ，调整节点的通信通道；
当满足信道负载统计条件时，网关每隔1分钟做一次数据统计，并判断是否存在节点需要调整通信信道。
可选的，Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区包括：
Lora节点在分配信道下进行通信，并根据同步信息，计算得到Lora节点本身定时上报的时区和竞争上报的时区。
可选的，所述定时上报时隙和所述竞争上报时隙的总时长占整个信标周期的60％，去除发送之前的CAD侦听时隙，发送时隙的总时长不超过信标周期的50％，即网关的单个上行信道占空比不超过50％。
可选的，统计信道占空比ηc包括：
Lora网关接收到节点的数据包后，根据接收射频参数和接收包长度，计算本次接收时长，记为τ；并将节点ID、通信信道编号和接收时长信息保存在本地；网关通过迭代的方式统计1小时内的信道负载总时长，记为∑τ，单位为s；信道占空比
Figure BDA0002448525450000021
统计单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn包括：
假设节点ID为i，记∑τi为该节点在1个小时内的总通信时长，那么
Figure BDA0002448525450000022
统计信道平衡因子为θ包括：
平衡因子θ为最小信道占空比ηc_min与最大信道占空比ηc_max的比值，用公式表示为
Figure BDA0002448525450000023
由此可知θ的值越接近1，表示网络中信道负载均衡性能越好；θ的值越接近0，表示网络中信道负载均衡性能较差。
可选的，调整节点的通信通道包括：
记最大负载信道为chl_max，最小负载信道为chl_min；首先网关需要从最大负载信道为chl_max内甄选出上行负载最大的节点，记为nodel_max；
然后网关向nodel_max下发更改信道的命令，命令nodel_max的通信信道由chl_max转变为chl_min，同时网关把nodel_max从chl_max信道上注销，并将nodel_max注册在chl_min信道下；nodel_max的会话秘钥也随着信道的改变而改变。
可选的，所述信道超载阈值H＝0.2；单个网关最大信道负载不能超过最小信道负载的2倍，所述信道平衡因子阈值Θ＝0.5。
在本发明中提供了一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，Lora节点入网后，从网关获取同步信息、通信信道和网关信道列表；Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区；上行通信采用TDMA与CSMA机制相结合的方式，在信标周期划分了定时上报时隙和竞争上报时隙；统计信道占空比ηc、单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn和信道平衡因子为θ；若信道占空比ηc超过设定的信道超载阈值H，且信道平衡因子θ小于设定的信道平衡因子阈值Θ，调整节点的通信通道；当满足信道负载统计条件时，网关每隔1分钟做一次数据统计，并判断是否存在节点需要调整通信信道。本发明能够实时调节单个网关的信道负载，从而提高网络的响应速度和并发性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明提出的一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡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。
实施例一
本发明提供了一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，包括如下步骤：
Lora节点入网后，从网关获取同步信息、通信信道和网关信道列表；Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区；
上行通信采用TDMA与CSMA机制相结合的方式，在信标周期划分了定时上报时隙和竞争上报时隙；
统计信道占空比ηc、单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn和信道平衡因子为θ；
若信道占空比ηc超过设定的信道超载阈值H，且信道平衡因子θ小于设定的信道平衡因子阈值Θ，调整节点的通信通道；
当满足信道负载统计条件时，网关每隔1分钟做一次数据统计，并判断是否存在节点需要调整通信信道。
步骤1、Lora节点入网成功后，从网关获取到了同步信息、通信信道和网关信道列表等信息；Lora节点在分配信道下进行通信，并根据同步信息，计算得到Lora节点本身定时上报的时区和竞争上报的时区；
步骤2、上行通信采用TDMA与CSMA机制相结合的方式，在信标周期划分了定时上报时隙和竞争上报时隙，所述定时上报时隙和所述竞争上报时隙的总时长占整个信标周期的60％，去除发送之前的CAD侦听时隙(CAD：Channel Activity Detection，即信道活动检测)，发送时隙的总时长不超过信标周期的50％，即网关的单个上行信道占空比不超过50％；
步骤3、记网关上行信道占空比为ηc，记单节点占单信道内总通信负载的比例为ηn，记某一时间段内最大的上行信道占空比为ηc_max，记某一时间段内最小的上行信道占空比为ηc_min，记信道平衡因子为θ。
统计网关上行信道占空比为ηc：Lora网关接收到节点的数据包后，根据接收射频参数和接收包长度，计算本次接收时长，记为τ；并将节点ID、通信信道编号和接收时长信息保存在本地；网关通过迭代的方式统计1小时内的信道负载总时长，记为∑τ，单位为s；信道占空比
Figure BDA0002448525450000041
统计单节点占单信道内总通信负载的比例为ηn：假设节点ID为i，记∑τi为该节点在1个小时内的总通信时长，那么
Figure BDA0002448525450000042
统计信道平衡因子为θ：平衡因子θ为最小信道占空比ηc_min与最大信道占空比ηc_max的比值，用公式表示为
Figure BDA0002448525450000043
由此可知θ的值越接近1，表示网络中信道负载均衡性能越好；θ的值越接近0，表示网络中信道负载均衡性能较差。
判断是否需要调整节点的通信信道。网关根据两个条件判断是否需要调整节点的通信信道，第1个条件：存在信道占空比ηc超过设定的信道超载阈值H；第2个条件：信道平衡因子θ小于设定的信道平衡因子阈值Θ，即需要调整节点通信信道的条件可表述为：ηc_max＞H且θ＜Θ。由于低功耗广域网具有低数据率的特点，根据步骤2对上行通信特点的描述，此处定义信道超载归一化阈值为20％，即H＝0.2；单个网关，最大信道负载不能超过最小信道负载的2倍，所以，此处定义平衡因子阈值为0.5，即Θ＝0.5；
当网关判断需要调整节点的通信信道时，就要合理的调整某些节点的通信信道。记最大负载信道为chl_max，最小负载信道为chl_min；首先网关需要从最大负载信道为chl_max内甄选出上行负载最大的节点，记为nodel_max；
然后网关向nodel_max下发更改信道的命令，命令nodel_max的通信信道由chl_max转变为chl_min，同时网关把nodel_max从chl_max信道上注销，并将nodel_max注册在chl_min信道下；nodel_max的会话秘钥也随着信道的改变而改变；
当满足信道负载统计条件时，网关每隔1分钟做一次数据统计，并判断是否存在节点需要调整通信信道。
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 (6)

1.一种基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，其特征在于，包括：
Lora节点入网后，从网关获取同步信息、通信信道和网关信道列表；Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区；
上行通信采用TDMA与CSMA机制相结合的方式，在信标周期划分了定时上报时隙和竞争上报时隙；
统计信道占空比ηc、单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn和信道平衡因子为θ；
若信道占空比ηc超过设定的信道超载阈值H，且信道平衡因子θ小于设定的信道平衡因子阈值Θ，调整节点的通信通道；
当满足信道负载统计条件时，网关每隔1分钟做一次数据统计，并判断是否存在节点需要调整通信信道。
2.如权利要求1所述的基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，其特征在于，Lora节点进行通信并计算定时上报的时区和竞争上报的时区包括：
Lora节点在分配信道下进行通信，并根据同步信息，计算得到Lora节点本身定时上报的时区和竞争上报的时区。
3.如权利要求1所述的基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，其特征在于，所述定时上报时隙和所述竞争上报时隙的总时长占整个信标周期的60％，去除发送之前的CAD侦听时隙，发送时隙的总时长不超过信标周期的50％，即网关的单个上行信道占空比不超过50％。
4.如权利要求1所述的基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，其特征在于，统计信道占空比ηc包括：
Lora网关接收到节点的数据包后，根据接收射频参数和接收包长度，计算本次接收时长，记为τ；并将节点ID、通信信道编号和接收时长信息保存在本地；网关通过迭代的方式统计1小时内的信道负载总时长，记为∑τ，单位为s；信道占空比
Figure FDA0002448525440000011
统计单位时间内信道内各节点通信时长占信道总通信时长的比例ηn包括：
假设节点ID为i，记∑τi为该节点在1个小时内的总通信时长，那么
Figure FDA0002448525440000021
统计信道平衡因子为θ包括：
平衡因子θ为最小信道占空比ηc_min与最大信道占空比ηc_max的比值，用公式表示为
Figure FDA0002448525440000022
θ∈[0,1]；由此可知θ的值越接近1，表示网络中信道负载均衡性能越好；θ的值越接近0，表示网络中信道负载均衡性能较差。
5.如权利要求1所述的基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，其特征在于，调整节点的通信通道包括：
记最大负载信道为chl_max，最小负载信道为chl_min；首先网关需要从最大负载信道为chl_max内甄选出上行负载最大的节点，记为nodel_max；
然后网关向nodel_max下发更改信道的命令，命令nodel_max的通信信道由chl_max转变为chl_min，同时网关把nodel_max从chl_max信道上注销，并将nodel_max注册在chl_min信道下；节点通信的会话秘钥也随着信道的改变而改变。
6.如权利要求1所述的基于多路上行Lora网关的信道负载均衡方法，其特征在于，所述信道超载阈值H＝0.2；单个网关最大信道负载不能超过最小信道负载的2倍，所述信道平衡因子阈值Θ＝0.5。
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