CN112511994B - 一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，涉及物联网技术领域。包括以下步骤：对节点进行分组，分配组内序号；分配一会话密钥；采用对应分组的会话密钥进行加密，在报文的FHDR字段中增加组播识别码和组内序号识别码；对应分组的节点解码密文得到报文；解析报文内容，根据组播识别码判断该报文是否为组播报文；根据组内序号识别码判断该组播报文针对该分组内不同组内序号的有效性；对应组内序号为有效的节点，执行报文指令，并回发ACK报文；对应组内序号为无效的节点，忽略此报文。本发明可以通过分组设计，将组播报文准确下发到相应分组的节点内，并将各自的ACK报文发回至服务端，解决了批量操作节点需要确认条件下的时效性问题。

Description

一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法。

背景技术

随着物联技术的发展，边缘计算、边缘服务已广泛应用于各行业，如消防、安防等行业。这些行业应用在很多时候都要求，在无公网的情况下，系统也能正常运行；同时，无线技术也在快速替代传统的有线技术。在此背景下，具有网络管理功能的无线技术方案被广泛需求。

LoRaWan是一种具备网络管理功能的物联网技术。它以LoRa射频为依托，形成以节点、网关以及服务的组网技术。当服务端需要下发指令报文给1个或者多个节点时，如图1所示，采用轮询下发报文的方法，同时可以依据需求接收对应节点的ACK报文；或者如图2所示，采用发送1个广播报文给对应节点的方法，无需ACK报文。

在工程应用中，LoRaWan网络节点数量少则几个，多则上万。在报文需要确认应答的情况下，轮询下发指令实时性无法得到保证。如果使用现有的广播机制，协议上并没有ACK机制，单纯的让节点直接发送ACK报文，必然导致网络拥塞、报文丢失等情况。并且，服务端每次收到的ACK报文具有随机性。同时，服务端无法针对未收到的节点进行重发，即每次重发的报文都会被所有相关节点接收，且又会同时给出ACK，服务端又会随机收到部分节点的ACK。如此情况下，即使报文多次重发，服务端也无法确保所有节点都收到了此条广播报文。所以在报文需要确认应答的要求下，节点数量的增长，导致了目前的LoRaWan协议无法满足需求的问题。

本文中相关技术术语的名词解释：

LoRa：Long Range，一种低功耗远距离无线标准；

LoRaWan：一种基于LoRa的低功耗广域网规范；

LoRaWan Service：LoRaWan服务端程序；

Node：节点；

GW：Gateway，网关；

ACK：Acknowledge character，确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符，表示发来的数据已确认接收；

bps：bit per second，每秒传输位数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，解决了以上背景技术中提到的至少一个技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，包括以下步骤：

S1，对节点进行分组，分配组内序号；同时，针对同一分组的节点，分配一会话密钥；

S2，下发报文时，采用对应分组的会话密钥进行加密，并在报文的FHDR字段中增加组播识别码和组内序号识别码；

S3，对应分组的节点解码密文得到报文，其余分组无法解码密文而将其丢弃；

S4，解析报文内容，根据组播识别码判断该报文是否为组播报文；若是组播报文，则根据组内序号识别码判断该组播报文针对该分组内不同组内序号的有效性；若不是组播报文，则作单播报文处理；

S5，对应组内序号为有效的节点，执行报文指令，并回发ACK报文；对应组内序号为无效的节点，忽略此报文。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以通过分组设计，将组播报文准确下发到相应分组的节点内，并将各自的ACK报文发回至服务端，解决了批量操作节点需要确认条件下的时效性问题。

进一步的，所述S1的具体内容如下：

针对属于同一分组的节点，服务器每隔一段时间，生成唯一密钥，作为该分组的会话密钥；

当服务器检测到节点上线时，服务器识别该节点合法并且分组时，将该分组对应的会话密钥分配给该节点，同时分发一个未被使用的组内序号给该节点；

当服务器检测到节点掉线时，回收该节点的组内序号；

当服务器更新会话密钥时，将更新后的会话密钥重新下发至对应分组的节点。

进一步的，针对会话密钥重新下发失败的节点，当该节点下一次数据上传时，触发密钥更新或直接触发重连，重新获取会话密钥。

进一步的，所述组播识别码包括组播标识位和组内序号标识码长度位；所述组播标识位为1时，表示该报文为组播报文，组播标识位为0时，表示该报文为单播报文；所述组内序号标识码长度位记录了组内序号识别码的长度。

进一步的，所述组内序号识别码的高位字节在前，低位字节在后；组内序号由低位字节向高位字节递增，每一位对应一个组内序号；当某一位的数值为1时，表示其对应的组内序号有效；当某一位的数值为0时，表示其对应的组内序号无效。

进一步的，回发ACK报文的方法如下：

S61，监测空闲的频段；

S61，若有空闲的频段，则立即用此频段发出报文；否则以随机频段发送报文，并根据组内序号和扩频因子系数计算ACK报文对应的延时发送时间。

进一步的，所述延时发送时间的具体计算方法如下：

其中，

为ACK报文的延时发送时间；

为常数；

为待发送的ACK报文的长度；

为当前扩频因子系数下的传输速率；

为待发送的ACK报文的序号。

附图说明

图1为现有的LoRaWan轮循下发机制示意图。

图2为现有的LoRaWan广播机制示意图。

图3为本发明一实施例的LoRaWan组播ACK机制示意图。

图4为本发明一实施例的组播组流程图。

图5为标准LoRaWan协议FHDR字段示意图。

图6为本发明基于LoRaWan的组播协议FHDR字段示意图。

图7为本发明一实施例的组播识别码字段示意图。

图8为本发明一实施例的组内序号标识码字段示意图。

图9为本发明一实施例的组播报文ACK发送流程图。

具体实施方式

下面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。

请参阅图3和图4，本实施例提供一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，包括以下步骤：

S1，对节点进行分组，分配组内序号；同时，针对同一分组的节点，分配一会话密钥。具体内容如下：

分组是服务端的概念，对于节点来说，无需关心自身从属于哪一组，只需关心在组内的序号。针对属于同一分组的节点，服务器每隔一段时间，生成唯一密钥，作为该分组的会话密钥。如图3三中的节点Node1和节点Node2属于同一分组，而节点Node3和节点Node4属于另一分组。

当服务器检测到节点上线时，服务器识别该节点合法并且分组时，将该分组对应的会话密钥分配给该节点，同时分发一个未被使用的组内序号给该节点；而当服务器检测到节点掉线时，回收该节点的组内序号。

为了增加网络的安全性能，服务器定时对会话密钥进行更新。当服务器更新会话密钥时，将更新后的会话密钥重新下发至对应分组的节点。针对会话密钥重新下发失败的节点，当该节点下一次数据上传时，触发密钥更新或直接触发重连，重新获取会话密钥。

S2，下发报文时，采用对应分组的会话密钥进行加密，并在报文的FHDR字段中增加组播识别码和组内序号识别码；

当组播内的节点接收到组播报文时，需要给出ACK应答。当众多节点在同一时刻发出ACK报文时，会导致LoRaWan网络用塞，产生报文丢失的现象。此时，需要有一个高效的重发机制，使得让ACK报文丢失的节点重新发送ACK报文，因此报文的协议显得至关重要。

如图5所示，标准LoRaWan协议FHDR字段包括4字节的节点短地址DevAddr，1字节的帧控制域字段FCtrl，2字节的帧计数器FCnt以及最多15字节的帧选项字段。如图6所示，本实施例在FHDR字段中增加2个新字段，即1字节的组播识别码MRecg和最大127字节的组内序号识别码MIdx，用来支持组播的ACK报文。

如图7所示，所述组播识别码MRecg包括1位组播标识位MRecgFlag和7位组内序号标识码长度位MIdxLen。所述组播标识位为1时，表示该报文为组播报文，组播标识位为0时，表示该报文为非组播报文，即单播报文。所述组内序号标识码长度位MIdxLen记录了组内序号识别码MIdx的长度。最长7Bit位支持127字节，既可支持127X8=1016个组内序号，也相当于1个组播组最多可以支持1016个节点。实际数量可依据具体场景和硬件性能来合理分配组内节点数，也可以使用多组管理的方式来合理设计报文长度。

如图8所示，所述组内序号识别码MIdx的字段长度由组内序号标识码长度位MIdxLen指定，高位字节在前，低位字节在后。组内序号由低位字节向高位字节递增，每一位对应一个组内序号；当某一位的数值为1时，表示其对应的组内序号有效；当某一位的数值为0时，表示其对应的组内序号无效。

S3，对应分组的节点解码密文得到报文，其余分组无法解码密文而将其丢弃。当一个报文下发时，因为数据是采用当前组的会话密钥进行加密，只有当前分组内的节点可以正确解码此密文报，而其他节点因无法解密此报文进而将其丢弃，从而实现了组播报文精准下发的功能。

S4，解析报文内容，根据组播识别码判断该报文是否为组播报文；若是组播报文，则根据组内序号识别码MIdx判断该组播报文针对该分组内不同组内序号的有效性；若不是组播报文，则作单播报文处理。

例如：现有1个组播组，组内数量为23个，分发的组内序号为0-22。下发一个组播报文，其中组播识别码为0x83，二进制为10000011，表示组播报文生效，且接下去3个字节为组内序号识别码MIdx。3个字节数据分别为0x52,0xA1,0x84，对应二进制为01010010,10100001,10000100，表示此组播报文是针对组内序号为2,7,8,13,15,17,20,22的节点的。

组内序号识别码MIdx的目的是为了指明此组播报文对具体节点的节点是否有效。当节点接收到组播报文时，如果对应的组内序号标识位为0，则忽略此报文；如果对应的组内序号标识位为1，则结合对应的报文FCnt号来判断是否为重发报文。如果为重发报文，则不执行报文指令，只给出ACK，否则执行报文指令，同时也给出ACK。此设计可以使组播报文精准的控制组内节点成员，使组播报文也可以实现单播报文的功能。同时，在应对组播报文节点ACK丢包的问题，服务端可以剔除掉已经收到ACK的节点，只指定未收到ACK的组内序号标识位，确保了组播报文重发机制的可行性。

S5，对应组内序号为有效的节点，执行报文指令，并回发ACK报文；对应组内序号为无效的节点，忽略此报文。

组播报文的设计解决了重发可行性问题，但是对于ACK丢包问题并无任何效果。同一时刻给出的ACK会导致同频干扰，造成无线数据包丢失的问题。随着节点数量的增长，丢包率会越来越高，导致服务端重发次数增多，造成网络性能低下的后果。

在LoRaWan频段划分中，上行通道划分为96个频段，节点ACK可以借助此96个通道来实现频分。如图9所示，为了提升网络性能，提出一种基于频分和时分机制的回发ACK报文的方法，具体如下：

S61，监测空闲的频段；

S61，若有空闲的频段，则立即用此频段发出报文；否则以随机频段发送报文。

同时，根据组内序号和扩频因子系数计算ACK报文对应的延时发送时间。所述延时发送时间的具体计算方法如下：

其中，

为ACK报文的延时发送时间；

为常数；

为待发送的ACK报文的长度；

为当前扩频因子系数下的传输速率；

为待发送的ACK报文的序号。

所述延时发送时间实现同组内的节点错开发送时刻的功能。依据以上的频分和时分机制，可以使ACK报文的成功率得到极大提升，最终实现组播ACK机制的实时性性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对节点进行分组，分配组内序号；同时，针对同一分组的节点，分配一会话密钥；

S2，下发报文时，采用对应分组的会话密钥进行加密，并在报文的FHDR字段中增加组播识别码和组内序号识别码；

S3，对应分组的节点解码密文得到报文，其余分组无法解码密文而将其丢弃；

S4，解析报文内容，根据组播识别码判断该报文是否为组播报文；若是组播报文，则根据组内序号识别码判断该组播报文针对该分组内不同组内序号的有效性；若不是组播报文，则作单播报文处理；

S5，对应组内序号为有效的节点，执行报文指令，并回发ACK报文；对应组内序号为无效的节点，忽略此报文；

所述S1的具体内容如下：

针对属于同一分组的节点，服务器每隔一段时间，生成唯一密钥，作为该分组的会话密钥；

当服务器检测到节点上线时，服务器识别该节点合法并且分组时，将该分组对应的会话密钥分配给该节点，同时分发一个未被使用的组内序号给该节点；

当服务器检测到节点掉线时，回收该节点的组内序号；

当服务器更新会话密钥时，将更新后的会话密钥重新下发至对应分组的节点；

所述S5中，回发ACK报文的方法如下：

S61，监测空闲的频段；

S61，若有空闲的频段，则立即用此频段发出报文；否则以随机频段发送报文，并根据组内序号和扩频因子系数计算ACK报文对应的延时发送时间；

所述延时发送时间的具体计算方法如下：

其中，

为ACK报文的延时发送时间；

为常数；

为待发送的ACK报文的长度；

为当前扩频因子系数下的传输速率；

为待发送的ACK报文的序号。

2.根据权利要求1所述的基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，其特征在于，针对会话密钥重新下发失败的节点，当该节点下一次数据上传时，触发密钥更新或直接触发重连，重新获取会话密钥。

3.根据权利要求1所述的基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，其特征在于，所述组播识别码包括组播标识位和组内序号标识码长度位；所述组播标识位为1时，表示该报文为组播报文，组播标识位为0时，表示该报文为单播报文；所述组内序号标识码长度位记录了组内序号识别码的长度。

4.根据权利要求1或3所述的基于LoRaWan的支持ACK机制的组播实现方法，其特征在于，所述组内序号识别码的高位字节在前，低位字节在后；组内序号由低位字节向高位字节递增，每一位对应一个组内序号；当某一位的数值为1时，表示其对应的组内序号有效；当某一位的数值为0时，表示其对应的组内序号无效。

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