CN111836332A - 一种Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信系统 - Google Patents

一种Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信系统 Download PDF

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CN111836332A CN201910681767.8A CN201910681767A CN111836332A CN 111836332 A CN111836332 A CN 111836332A CN 201910681767 A CN201910681767 A CN 201910681767A CN 111836332 A CN111836332 A CN 111836332A
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Abstract

本发明提供一种Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信系统，该方法应用于Lora链形网络通信系统中，Lora链形网络通信系统包括至少两个依次分布的Lora节点；该方法包括下述步骤：参考节点在其侦听时间窗侦听其对应的下级Lora节点上传的数据，且在参考节点的上传时间窗，将参考节点收集的数据进行上传至参考节点的上级Lora节点或者Lora网关；其中，参考节点为任一Lora节点；任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。实施本发明可以降低网络系统的功耗。

Description

一种Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信 系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信系统。
背景技术
在隧道环境中，由于隧道两端距离很长，环境不空旷，Lora(Long Range Radio，远距离无线电)网络的传输距离有限，且隧道中一般没有4G等连接外网的信号，所以无法将Lora网关布置在隧道中间，只能将Lora网关布置在靠近隧道一端出口处。
目前在在隧道中，一般采用的通信方法是，利用一个Lora网关加多个低功耗Lora节点，构建成星型网络，在星型网络中，要考虑到距离Lora网关最远的Lora节点也能正常通信，这样就导致了Lora节点的波特率必须很小，从而导致Lora节点发送数据所需的时间较长，整个网络系统的功耗较高。
发明内容
本发明提供一种Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信系统，可以降低网络系统的功耗。
本发明提供的一种Lora链形网络通信方法，其应用于Lora链形网络通信系统中，所述Lora链形网络通信系统包括至少两个依次分布的Lora节点；
所述方法包括下述步骤：
参考节点在其侦听时间窗侦听其对应的下级Lora节点上传的数据，且在所述参考节点的上传时间窗，将所述参考节点收集的数据进行上传至所述参考节点的上级Lora节点或者Lora网关；其中，所述参考节点为任一Lora节点；任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
优选地，还包括下述步骤：
所述参考节点接收其对应的上级Lora节点或者所述Lora网关下发的指令堆，并在所述指令堆中选择执行属于自己的指令，且将该指令从所述指令堆中的删除，得到新的指令堆，再将新的指令堆下发至所述参考节点的下级Lora节点。
优选地，还包括下述步骤：
所述参考节点获取其对应的时间窗信息；其中，所述时间窗信息包含有两个时间窗；所述两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗。
优选地，所述参考节点获取其对应的时间窗信息，具体包括下述步骤：
所述参考节点向其上级Lora节点或者所述Lora网关请求所述参考节点及其所有下级Lora节点的节点信息；其中，Lora节点的节点信息包括该Lora节点的时间窗信息以及节点参数信息。
优选地，还包括下述步骤：
所述参考节点获取初始的本地时间T1后，再发送标准帧至所述参考节点的下一级Lora节点，并获取所述下一级Lora节点的回传标准帧对应的接收时间T2，且在接收到所述回传标准帧之后，再获取本地时间T3，还根据所述本地时间T1、所述接收时间T2以及所述本地时间T3计算同步时间，再将所述同步时间发送至所述下一级Lora节点。
优选地，还包括下述步骤：
所述参考节点在其对应的两个连续的时间窗外进入睡眠状态。
优选地，还包括下述步骤：
所述参考节点判断其对应的上级Lora节点是否发生故障，若是，则
控制所述参考节点休眠至最靠近所述参考节点且未发生故障的上级Lora节点对应的侦听时间窗后，再将收集的数据上传至该未发生故障的上级Lora节点；
或者，直接将收集的数据上传至所述Lora网关。
本发明还提供一种Lora网关，其包括：
时间窗分配模块，用于给Lora节点组合中的每一Lora节点分配两个时间窗，并将所述Lora节点组合中每一Lora节点对应的时间窗信息，发送至所述Lora节点组合中的一个Lora节点；
其中，所述Lora节点组合包含有至少两个依次分布的Lora节点；所述两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗；且任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
优选地，还包括：
指令下发模块，用于给所述Lora节点组合中的每一Lora节点分配指令，并将包含有所述Lora节点组合中所有Lora节点对应指令的指令堆发送至所述Lora节点组合中的一个Lora节点。
本发明还提供一种Lora链形网络通信系统，其包括至少两个依次分布的Lora节点；每一Lora节点，包括：
数据侦听上传模块，用于在其对应Lora节点的侦听时间窗侦听该Lora节点的下级Lora节点上传的数据，且在所述数据侦听上传模块对应Lora节点的上传时间窗，将所述数据侦听上传模块对应Lora节点收集的数据上传至所述数据侦听上传模块对应Lora节点的上级Lora节点或者Lora网关；
其中，任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
优选地，每一Lora节点还包括：
配置模块，用于获取其对应Lora节点的时间窗信息；其中，所述时间窗信息包含有两个时间窗；所述两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗。
优选地，每一Lora节点，还包括：
指令执行模块，用于接收其对应Lora节点的上级Lora节点或者所述Lora网关下发的指令堆，并在所述指令堆中选择执行属于自己的指令，且将该指令从所述指令堆中的删除，得到新的指令堆，再将新的指令堆下发至所述指令执行模块对应Lora节点的下级Lora节点。
优选地，所述配置模块，进一步地用于向其对应Lora节点的上级Lora节点或者所述Lora网关请求所述配置模块对应Lora节点及其所有下级Lora节点的节点信息；其中，Lora节点的节点信息包括该Lora节点的时间窗信息以及节点参数信息。
优选地，每一Lora节点，还包括：
同步时间计算模块，用于获取初始的本地时间T1后，再发送标准帧至所述同步时间计算模块对应Lora节点的下一级Lora节点，并获取所述下一级Lora节点的回传标准帧对应的接收时间T2，且在接收到所述回传标准帧之后，再获取本地时间T3，还根据所述本地时间T1、所述接收时间T2以及所述本地时间T3计算同步时间，再将所述同步时间发送至所述下一级Lora节点。
本发明提供的Lora链形网络通信方法、Lora网关及Lora链形网络通信系统中，可以将Lora网关设置在隧道一端出口处，让Lora节点依次排布在隧道中，形成Lora链形网络，相邻两个Lora节点之间可以在其对应的时间窗进行通信，每一个Lora节点可以将其收集的数据上传至上级Lora节点，然后逐级上传，最终上传至Lora网关，不需要每一个Lora节点都与Lora网关通信，这样可以通过合理布置Lora节点的位置，让相邻两个Lora节点之间的距离较小，从而能够采用更高的波特率进行数据传输，减少了Lora节点的发射接收时间，降低了功耗。
附图说明
图1是本发明提供的Lora链形网络通信系统的示意图；
图2是本发明提供的Lora链形网络通信方法的流程图；
图3是本发明提供的给Lora节点分配的时间窗示意图；
图4是本发明提供的Lora节点进行数据上传的示意图；
图5是本发明提供的Lora节点指令下发的示意图；
图6是本发明提供的Lora节点进行时间同步的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，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，并不限定本发明的应用范围，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图将本发明应用于其他类似场景。
本发明提供一种Lora链形网络通信方法，其应用于如图1所示的Lora链形网络通信系统中，Lora链形网络通信系统包括至少两个依次分布的Lora节点，节点N是最上级Lora节点，节点1是最下级Lora节点。这里，所有的Lora节点的参数均相同，两个Lora节点之间可以互相通信。这里，该至少两个依次分布的Lora节点的分布方式可以是依次排列。
如图2所示，Lora链形网络通信方法包括下述步骤：
参考节点在其侦听时间窗侦听参考节点的下级Lora节点上传的数据，且在参考节点的上传时间窗，将参考节点收集的数据进行上传至参考节点的上级Lora节点或者Lora网关。
其中，参考节点为任一Lora节点；如图3所示，任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
具体地，参考节点收集的数据包括自己采集的数据以及参考节点的下级Lora节点上传的数据，当参考节点为最低一级的Lora节点时，参考节点收集的数据只有其采集的数据。一般的，参考节点上传数据时，是逐级上传。
节点数据采用集总帧的模式：如图4所示，数据上传时，最末端节点(即节点1)将自己的数据(即数据1)发送给次末端节点(即节点2)，次末端节点再将本身数据(即数据2)加入，再把两个节点的数据(数据1+数据2)都发送给上级的节点，依次循环，保证到达网关的数据包含所有的信息。
当参考节点是最上级Lora节点时(即节点N，最靠近Lora网关的节点)，参考节点将收集的数据(即数据1+数据2+……+数据N)上传至Lora网关，当参考节点不是最上级Lora节点时，参考节点将收集的数据上传至它的上级Lora节点。
Lora链形网络通信方法还包括下述步骤：
参考节点接收其对应的上级Lora节点或者Lora网关下发的指令堆，并在指令堆中选择执行属于自己的指令，且将该指令从指令堆中的删除，得到新的指令堆，再将新的指令堆下发至参考节点的下级Lora节点；指令下发时，可以逐级传送，即相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点在接收到指令堆后，从中选择属于自己的指令执行并删除该条已执行的指令，再将新的指令堆下发至下一级Lora节点，指令数据越来越短，保证每个节点都不会错过对自己的指令。
当参考节点为最上级Lora节点，则参考节点接收Lora网关下发的指令堆，当参考节点不是最上级Lora节点，则参考节点接收上一级Lora网关下发的指令堆。
可参考图5，节点N接收到的指令堆中包含有指令1、指令2、……、指令N，节点N-1接收到的指令堆中的包含有指令1、指令2、……、指令N-1，节点1接收到的指令堆中只包含有指令1。
在相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点可以在其对应的侦听时间窗将指令堆下发给下一级Lora节点。
Lora链形网络通信方法还包括下述步骤：
参考节点获取其对应的时间窗信息；其中，时间窗信息包含有两个时间窗；两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗；这两个时间窗可以是连续的两个时间窗。
参考节点获取其对应的时间窗信息，具体包括下述步骤：
参考节点向其上级Lora节点或者Lora网关请求参考节点及其所有下级Lora节点的节点信息；具体的，参考节点可以向上级Lora节点发送登录请求，请求上级Lora节点下发参考节点及其所有下级Lora节点的节点信息；其中，Lora节点的节点信息包括该Lora节点的时间窗信息以及节点参数信息。
上述的Lora链形网络通信方法还包括下述步骤：
可参考图6，参考节点获取初始的本地时间T1后，再发送标准帧至参考节点的下一级Lora节点，并获取下一级Lora节点的回传标准帧对应的接收时间T2，且在接收到回传标准帧之后，再获取本地时间T3，还根据本地时间T1、接收时间T2以及本地时间T3计算同步时间，再将同步时间发送至下一级Lora节点。其中，计算的同步时间设为T0，T0＝[T3+(T2-T1)/2]，在节点的同步时间启动对应的节点，可以有效保证数据的传输。
由于信号发送和接收的延时，在相邻两个Lora节点中，如果下一级Lora节点直接用上一级Lora节点的时间，则会造成一定的偏差，所以要先测量两个节点一次发送和接收延时，校正时间后再进行时间的同步(为了方式数据长度不一致造成的延时不同，上一级Lora节点发送的标准帧和下一级Lora节点回传的标准帧的长度均相等)。
Lora链形网络通信方法还包括下述步骤：
参考节点在其对应的两个连续的时间窗外进入睡眠状态。
Lora链形网络通信方法还包括下述步骤：
参考节点判断其对应的上级Lora节点是否发生故障，若是，则
控制参考节点休眠至最靠近参考节点且未发生故障的上级Lora节点对应的侦听时间窗后，再将收集的数据上传至该未发生故障的上级Lora节点；
或者，直接将收集的数据上传至Lora网关。
具体的，当不存在最靠近参考节点且未发生故障的上级Lora节点时，那么参考节点则直接将收集的数据上传至Lora网关，否则，就控制参考节点休眠至最靠近参考节点且未发生故障的上级Lora节点对应的侦听时间窗后，再将收集的数据上传至该未发生故障的上级Lora节点。
一般的，参考节点判断其对应的上级Lora节点是否发生故障的方法是，参考节点将其收集的数据上传至上级Lora节点，若没有收到上级Lora节点返回的数据上传成功的响应，则再将获得的数据重新上传至上级Lora节点，若重新上传数据的次数超过设定次数后，还没有接收到上级Lora节点返回的数据上传成功的响应，则判断参考节点的上级Lora节点发生故障。
上述的通信方法中，所有的Lora节点在传输周期整点进行数据采集，在自己的时间窗进行数据通信，其他时间处于睡眠状态，降低功耗，其中没有一个Lora节点一直处于唤醒状态需要外部供电，通过合理布置节点的位置，可以让相邻两个节点之间的距离较小，这样能够采用更高的波特率进行数据传输，减少了节点发射接收时间，同样也降低了功耗。然而在星型网络中，要考虑距离网关最远的节点也能正常通信，这样导致波特率必然很小，发送时间长，整个系统的功耗上升。
本发明还提供一种Lora网关，其包括：时间窗分配模块。
时间窗分配模块用于给Lora节点组合中的每一Lora节点分配两个时间窗，并将Lora节点组合中每一Lora节点对应的时间窗信息，发送至Lora节点组合中的一个Lora节点。优选地，时间窗分配模块将每一Lora节点对应的时间窗信息发送给最上级Lora节点。
其中，Lora节点组合包含有至少两个依次分布的Lora节点；两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗；且任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
上述的Lora网关还包括：指令下发模块。
指令下发模块用于给Lora节点组合中的每一Lora节点分配指令，并将包含有Lora节点组合中所有Lora节点对应指令的指令堆发送至Lora节点组合中的一个Lora节点。优选地，时间窗分配模块将指令堆发送给最上级Lora节点。
本发明还提供一种Lora链形网络通信系统，其包括：至少两个依次分布的Lora节点；每一Lora节点包括数据侦听上传模块。
数据侦听上传模块用于在其对应Lora节点的侦听时间窗侦听该Lora节点的下级Lora节点上传的数据，且在数据侦听上传模块对应Lora节点的上传时间窗，将数据侦听上传模块对应Lora节点收集的数据上传至数据侦听上传模块对应Lora节点的上级Lora节点或者Lora网关。
其中，任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
每一Lora节点还包括：配置模块。
配置模块用于获取其对应Lora节点的时间窗信息；其中，时间窗信息包含有两个时间窗；这两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗。
每一Lora节点还包括：指令执行模块。
指令执行模块用于接收其对应Lora节点的上级Lora节点或者Lora网关下发的指令堆，并在指令堆中选择执行属于自己的指令，且将该指令从指令堆中的删除，得到新的指令堆，再将新的指令堆下发至指令执行模块对应Lora节点的下级Lora节点。
配置模块进一步地用于向其对应Lora节点的上级Lora节点或者Lora网关请求配置模块对应Lora节点及其所有下级Lora节点的节点信息；其中，Lora节点的节点信息包括该Lora节点的时间窗信息以及节点参数信息。
每一Lora节点还包括：同步时间计算模块；同步时间计算模块用于获取初始的本地时间T1后，再发送标准帧至同步时间计算模块对应Lora节点的下一级Lora节点，并获取下一级Lora节点的回传标准帧对应的接收时间T2，且在接收到回传标准帧之后，再获取本地时间T3，还根据本地时间T1、接收时间T2以及本地时间T3计算同步时间，再将同步时间发送至下一级Lora节点。
数据侦听上传模块还用于判断其对应Lora节点的上级Lora节点是否发生故障，若是，则控制数据侦听上传模块对应的Lora节点休眠至最靠近该Lora节点且未发生故障的上级Lora节点对应的侦听时间窗后，再将收集的数据上传至该未发生故障的上级Lora节点；或者，直接将收集的数据上传至Lora网关。
在其他的实施例中，Lora链形网络通信系统可以同时包括上述至少两个依次分布的Lora节点以及上述的Lora网关。
上述的通信系统的网络拓扑相对比较简单，而且易于扩展，有新的需求可以直接在依次排列的Lora节点的末端再增加节点即可。
上述的Lora节点均可采用电池供电，不用走线，节点在时间窗时处于唤醒状态进行数据通信，其余时间处于睡眠状态；且在侦听时间窗口侦听下级节点上传的数据，在上传时间窗将收集的数据上传给上级节点，这样每个节点只用唤醒两个时间窗的时间就可以实现数据的依次上传。相邻的节点之间采用应答模式进行通信，即数据发送后会收到一个响应，如果没有收到响应，就重传；为了提升系统的鲁棒性，避免一个节点故障导致传递链断裂，当一个节点故障时，它的下一级节点经预定次数的重试仍然不能够得到回应，该下一级节点就休眠到他的上上级节点的侦听时间窗口，再开始数据传输。节点大部分时间处于睡眠状态，只在自己的时间窗唤醒。除最末端节点外，其他节点既可以作为中继，也作为数据采集用节点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种Lora链形网络通信方法，其特征在于，应用于Lora链形网络通信系统中，所述Lora链形网络通信系统包括至少两个依次分布的Lora节点；
所述方法包括下述步骤：
参考节点在其侦听时间窗侦听其对应的下级Lora节点上传的数据，且在所述参考节点的上传时间窗，将所述参考节点收集的数据进行上传至所述参考节点的上级Lora节点或者Lora网关；其中，所述参考节点为任一Lora节点；任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
2.根据权利要求1所述的Lora链形网络通信方法，其特征在于，还包括下述步骤：
所述参考节点接收其对应的上级Lora节点或者所述Lora网关下发的指令堆，并在所述指令堆中选择执行属于自己的指令，且将该指令从所述指令堆中的删除，得到新的指令堆，再将新的指令堆下发至所述参考节点的下级Lora节点。
3.根据权利要求1所述的Lora链形网络通信方法，其特征在于，还包括下述步骤：
所述参考节点获取其对应的时间窗信息；其中，所述时间窗信息包含有两个时间窗；所述两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗。
4.根据权利要求3所述的Lora链形网络通信方法，其特征在于，所述参考节点获取其对应的时间窗信息，具体包括下述步骤：
所述参考节点向其上级Lora节点或者所述Lora网关请求所述参考节点及其所有下级Lora节点的节点信息；其中，Lora节点的节点信息包括该Lora节点的时间窗信息以及节点参数信息。
5.根据权利要求1所述的Lora链形网络通信方法，其特征在于，还包括下述步骤：
所述参考节点获取初始的本地时间T1后，再发送标准帧至所述参考节点的下一级Lora节点，并获取所述下一级Lora节点的回传标准帧对应的接收时间T2，且在接收到所述回传标准帧之后，再获取本地时间T3，还根据所述本地时间T1、所述接收时间T2以及所述本地时间T3计算同步时间，再将所述同步时间发送至所述下一级Lora节点。
6.根据权利要求1所述的Lora链形网络通信方法，其特征在于，还包括下述步骤：
所述参考节点在其对应的两个连续的时间窗外进入睡眠状态。
7.根据权利要求1所述的Lora链形网络通信方法，其特征在于，还包括下述步骤：
所述参考节点判断其对应的上级Lora节点是否发生故障，若是，则
控制所述参考节点休眠至最靠近所述参考节点且未发生故障的上级Lora节点对应的侦听时间窗后，再将收集的数据上传至该未发生故障的上级Lora节点；
或者，直接将收集的数据上传至所述Lora网关。
8.一种Lora网关，其特征在于，包括：
时间窗分配模块，用于给Lora节点组合中的每一Lora节点分配两个时间窗，并将所述Lora节点组合中每一Lora节点对应的时间窗信息，发送至所述Lora节点组合中的一个Lora节点；
其中，所述Lora节点组合包含有至少两个依次分布的Lora节点；所述两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗；且任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
9.根据权利要求8所述的Lora网关，其特征在于，还包括：
指令下发模块，用于给所述Lora节点组合中的每一Lora节点分配指令，并将包含有所述Lora节点组合中所有Lora节点对应指令的指令堆发送至所述Lora节点组合中的一个Lora节点。
10.一种Lora链形网络通信系统，其特征在于，包括至少两个依次分布的Lora节点；每一Lora节点，包括：
数据侦听上传模块，用于在其对应Lora节点的侦听时间窗侦听该Lora节点的下级Lora节点上传的数据，且在所述数据侦听上传模块对应Lora节点的上传时间窗，将所述数据侦听上传模块对应Lora节点收集的数据上传至所述数据侦听上传模块对应Lora节点的上级Lora节点或者Lora网关；
其中，任意相邻两个Lora节点中，上一级Lora节点的侦听时间窗与下一级Lora节点的上传时间窗重合。
11.根据权利要求10所述的Lora链形网络通信系统，其特征在于，每一Lora节点还包括：
配置模块，用于获取其对应Lora节点的时间窗信息；其中，所述时间窗信息包含有两个时间窗；所述两个时间窗中，前一个时间窗为侦听时间窗，后一个时间窗为上传时间窗。
12.根据权利要求10所述的Lora链形网络通信系统，其特征在于，每一Lora节点，还包括：
指令执行模块，用于接收其对应Lora节点的上级Lora节点或者所述Lora网关下发的指令堆，并在所述指令堆中选择执行属于自己的指令，且将该指令从所述指令堆中的删除，得到新的指令堆，再将新的指令堆下发至所述指令执行模块对应Lora节点的下级Lora节点。
13.根据权利要求10所述的Lora链形网络通信系统，其特征在于，所述配置模块，进一步地用于向其对应Lora节点的上级Lora节点或者所述Lora网关请求所述配置模块对应Lora节点及其所有下级Lora节点的节点信息；其中，Lora节点的节点信息包括该Lora节点的时间窗信息以及节点参数信息。
14.根据权利要求10所述的Lora链形网络通信系统，其特征在于，每一Lora节点，还包括：
同步时间计算模块，用于获取初始的本地时间T1后，再发送标准帧至所述同步时间计算模块对应Lora节点的下一级Lora节点，并获取所述下一级Lora节点的回传标准帧对应的接收时间T2，且在接收到所述回传标准帧之后，再获取本地时间T3，还根据所述本地时间T1、所述接收时间T2以及所述本地时间T3计算同步时间，再将所述同步时间发送至所述下一级Lora节点。
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