CN112788776A - LoRa数据传输方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

公开了一种LoRa数据传输方法、装置、设备及存储介质。响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口；LoRa节点在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。由此，LoRa节点不是随机发送数据，而是在特定的发送窗口对应的时间段发送数据，因此基于本公开的LoRa数据传输方案实现的LoRaWAN网络可以视为时隙Aloha模型，而根据时隙Aloha模型的理论知识可知，时隙Aloha模型的最大吞吐量是纯Aloha模型的2倍。

Description

LoRa数据传输方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本公开涉及数据传输领域，特别是涉及一种LoRa数据传输方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

LoRaWAN是一种低功耗广域物联网解决方案，是由LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网(LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN)标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供一个低功耗、可扩展的长距离无线网络。

LoRaWAN网络是典型的Aloha模型，LoRaWAN网络的系统吞吐率受制于Aloha模型的吞吐率上限。在Aloha模型中，一般都使用吞吐量S和网络负载G这两个归一化参数。

吞吐量又称为吞吐率，S等于在帧的发送时间T内成功发送的平均帧数。显然，0≤S≤1，而S＝1是极限情况。在S＝1时，帧一个接一个地发送出去，帧与帧之间没有空隙。这种情况虽然使信道的利用最为充分，但在众多用户随机发送帧的情况下是不可能实现的。但是可以用S接近于1的程度来衡量信道的利用率是否充分。当网络系统达到稳定状态时，在时间T内到达网络的平均帧数(即输入负载)应等于吞吐量S。

从网络的角度看，G等于在T0内总共发送的平均帧数。这里包括发送成功的帧和因碰撞未发送成功而重传的帧。显然，G≥S，而只有在不发生碰撞时，G才等于S。还应注意到，G可以远大于1。例如，G＝10，表示在T0时间内网络共发送了10个帧，这当然会导致很多的碰撞。

在稳定状态下，吞吐量S与网络负载G的关系为：S＝G*P_success，其中，P_success表示一帧发送成功的概率。根据Aloha模型符合泊松过程的理论可以得到以下计算公式：S＝Ge^-2G；P_success＝e^-2G。

图1示出了Aloha模型的吞吐量与网络负载的关系曲线示意图。如图1所示，当G＝0.5时，S＝0.5*1/e＝0.184，这是Aloha模型的吞吐量S可能达到的极大值。并且图1所示的曲线在G值大于0.5呈现负的斜率，这段区域是不稳定的。因此，Aloha模型的网络负载G优选地设置为小于或等于0.5。

抄表、工业数据采集等数据采集类应用是LoRaWAN应用的头部领域。在数据采集系统中使用LoRaWAN网络，可以在较低功耗的情况下实现采集数据的远距离通信。但是根据上文描述可知，LoRaWAN网络的吞吐量较低，同样网络负载下支持的节点数也比较少。

发明内容

本公开要解决的一个技术问题是，提供一种能够提升LoRaWAN网络的吞吐量的LoRa数据传输方案。

根据本公开的第一个方面，提出了一种LoRa数据传输方法，包括：响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口；LoRa节点在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

可选地，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口的步骤包括：将第一时间段划分为多个发送窗口，发送窗口对应第二时间段；根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和第二时间段对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；将多个发送窗口中第一数量个发送窗口分配给LoRa节点。

可选地，LoRa节点发送LoRa数据的第一周期小于第一时间段，将多个发送窗口中第一数量个发送窗口分配给LoRa节点的步骤包括：根据第一周期，将多个发送窗口中多组第一数量个发送窗口分配给LoRa节点，其中，相邻两组第一数量个发送窗口之间的时间间隔等于第一周期。

可选地，LoRa节点为多个，其中，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口的步骤包括：将第一时间段划分为多个发送窗口，发送窗口对应第二时间段；根据基站的信道资源和LoRa节点的配置信息，将多个发送窗口分配给多个LoRa节点。

可选地，信道资源包括以下至少一项：基站支持的数据传输通道、数据传输通道支持的扩频因子，并且/或者配置信息包括以下至少一项：LoRa节点的数量、LoRa节点发送LoRa数据的第一周期、LoRa数据的大小、LoRa节点使用的扩频因子。

可选地，将多个发送窗口分配给多个LoRa节点的步骤包括：根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和第二时间段对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；根据基站支持的数据传输通道的第二数量、多个发送窗口的第三数量以及第一数量，为多个LoRa节点中的各个LoRa节点分配数据传输通道以及一组或多组第一数量个发送窗口，其中，发送窗口具有重叠部分的LoRa节点的数据传输通道不同。

可选地，该方法还包括：将基站支持的第二数量个数据传输通道中的一个或多个数据传输通道作为备用通道；在为LoRa节点其分配的数据传输通道不可用的情况下，LoRa节点使用备用通道在对应的发送窗口发送LoRa数据。

可选地，基站周期性地发送信标帧，第一时间段是根据基站发送信标帧的第二周期确定的，第一时间段小于第二周期。

根据本公开的第二个方面，还提出了一种LoRa数据传输方法，包括：响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，根据LoRa节点的标号，确定LoRa节点使用的数据传输通道，以及LoRa节点在第一时间段内占用的一个或多个发送窗口；LoRa节点基于数据传输通道在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

可选地，该方法还包括：通过基站向网络服务器发送第一数据；接收网络服务器通过基站发送的第二数据，第二数据包括标号。

可选地，根据LoRa节点的标号确定LoRa节点使用的数据传输通道以及LoRa节点在第一时间段内所占用的发送窗口的步骤包括：从基站支持的数据传输通道中选择与标号对应的数据传输通道，作为LoRa节点使用的数据传输通道；以及/或者根据LoRa节点的标号，确定与该LoRa节点使用同一数据传输通道的多个LoRa节点中的顺序，基于该顺序从第一时间段内的多个发送窗口中选择一组或多组第一数量个发送窗口，作为该LoRa节点占用的发送窗口，其中，相邻两组第一数量个发送窗口之间的时间间隔等于LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，第一数量等于LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的数量。

可选地，LoRa节点使用的数据传输通道为基站支持的多个数据传输通道中第i个数据传输通道，i等于标号除以基站支持的数据传输通道的数量所得的余数。

根据本公开的第三个方面，还提出了一种数据采集系统的设定方法，包括：根据基站发送信标帧的第二周期，将第二周期内的第一时间段划分为多个发送窗口，发送窗口对应第二时间段；根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和第二时间段对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；根据基站支持的数据传输通道的第二数量、多个发送窗口的第三数量、第一数量以及LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，确定数据采集系统中的LoRa节点的数量。

可选地，n＝m*T/Δt，n为LoRa节点的数量，m为数据传输通道的数量，T为第一周期，Δt为第一数量个发送窗口对应的时长。

可选地，LoRa节点被配置为利用传感器采集数据，将采集到的数据封装为LoRa数据，并在第一数量个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

根据本公开的第四个方面，还提出了一种LoRa数据传输装置，包括：确定模块，用于响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口；发送模块，用于指令LoRa节点在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

根据本公开的第五个方面，还提出了一种LoRa节点，其特征在于，包括：确定模块，用于响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，根据LoRa节点的标号，确定LoRa节点使用的数据传输通道，以及LoRa节点在第一时间段内占用的一个或多个发送窗口；发送模块，用于基于数据传输通道在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

根据本公开的第六个方面，还提出了一种数据采集系统的设定装置，其特征在于，包括：划分模块，用于根据基站发送信标帧的第二周期，将第二周期内的第一时间段划分为多个发送窗口，发送窗口对应第二时间段；第一确定模块，用于根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和第二时间段对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；第二确定模块，用于根据基站支持的数据传输通道的第二数量、多个发送窗口的第三数量、第一数量以及LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，确定数据采集系统中的LoRa节点的数量。

根据本公开的第七个方面，还提出了一种数据采集系统，包括：多个LoRa节点，LoRa节点利用传感器采集数据，将采集到的数据封装为LoRa数据，LoRa节点响应于接收到基站发送的信标帧，确定在第一时间段内的一个或多个发送窗口，并在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

根据本公开的第八个方面，还提出了一种计算设备，包括：处理器；以及存储器，其上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器执行时，使处理器执行如本公开第一个方面至第三个方面中任一个方面述及的方法。

根据本公开的第九个方面，还提出了一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当可执行代码被电子设备的处理器执行时，使处理器执行如本公开第一个方面至第三个方面中任一个方面述及的方法。

在本公开中，LoRa节点不是随机发送数据，而是在特定的发送窗口对应的时间段发送数据，因此基于本公开的LoRa数据传输方案实现的LoRaWAN网络可以视为时隙Aloha模型，而根据时隙Aloha模型的理论知识可知，时隙Aloha模型的最大吞吐量是纯Aloha模型的2倍。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了Aloha模型(也即纯Aloha模型)的吞吐量与网络负载的关系曲线示意图。

图2示出了LoRaWAN中信标帧的时序图。

图3示出了根据本公开一个实施例的LoRa数据传输方法的示意性流程图。

图4示出了时隙Aloha模型和纯Aloha模型的网络负载G和吞吐量S的关系曲线示意图。

图5示出了基于本公开实现的多个LoRa节点的数据发送时序图。

图6示出了根据本公开另一个实施例的LoRa数据传输方法的示意性流程图。

图7示出了根据本公开另一个实施例的LoRa数据传输方法的示意性流程图。

图8示出了根据本公开一个实施例的LoRa数据传输装置的结构的示意性方框图。

图9示出了根据本公开一个实施例的LoRa节点的结构的示意性方框图

图10示出了根据本公开一个实施例的数据采集系统的设定装置的示意性方框图。

图11示出了根据本发明一实施例的计算设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在现有的LoRaWAN协议中，LoRa节点的工作模式分为三种：ClassA、ClassB和ClassC。ClassA是最基本的模式，ClassB和ClassC都要兼容ClassA模式。

ClassB的目的是使得LoRa节点具有在预定时间打开接收窗口(称之为Ping Slot)的能力。一个支持ClassB的网络中的所有的基站(Gateway，也即网关)都必须同步发送信标帧(Beacon)。同一网络中的基站发送Beacon是同时的，这来源于GPS时间的唯一性。因此，LoRa节点有可能收到多个基站的Beacon。

LoRa节点可以以ClassA模式入网，可以由LoRa节点的应用软件决定切换到ClassB。切换流程如下。

节点应用层请求LoRaWAN层切换到ClassB。LoRa节点的LoRaWAN层搜索Beacon并返回结果(BEACON_LOCKED或者BEACON_NOT_FOUND)。LoRaWAN层可使用DeviceTimeReq这一MAC指令加快Beacon搜索过程。

一旦进入ClassB模式，LoRa节点所有上行帧的FCTRL_ClassB都置1，从而告知网络服务器(Network Server，简称NS)本节点已进入ClassB模式。节点MAC层将自动在每个Beacon和Ping时间窗打开接收。节点成功收到Beacon后，LoRaWAN层会把Beacon内容和RSSI传给应用层；节点在Ping Slot成功收到下行后，处理方法同ClassA下行。LoRaWAN层在组织Beacon和Ping时会考虑最大可能时钟偏差。

图2示出了LoRaWAN中信标帧的时序图。

如图2所示，基站发送信标帧的周期是128s。其中，时长3s的Beacon Guard是给上一次Ping用的，用于保证Ping完成后才能进行Beacon发送；Beacon Reserved是给Beacon用的，用于保证Beacon完成后才能进行Ping发送；剩余的122.88s为Ping可用时间，这122.88s被划分为4096个30ms的时间槽(PingSlot)。LoRa节点可以在Ping Slot中打开接收窗口，接收NS下发的数据。

为了提升LoRaWAN网络的吞吐率，本公开发明人在深入研究了LoRa节点的ClassB模式后提出，通过将原本用于充当接收窗口的Ping Slot改造为发送窗口，令LoRa节点在发送窗口发送数据，就可以使得改造后的LoRaWAN网络遵循时隙Aloha模型，与纯Aloha模型相比，可以提高两倍吞吐率上限。

基于上述技术构思，本公开提出了一种LoRa数据传输方案。本公开的LoRa数据传输方案既可以实现为一种基于ClassB模式探索出的新的工作模式，也可以实现为一种针对ClassB模式的改造方案。

换言之，可以基于本公开的LoRa数据传输方案对现有的ClassB模式进行修改，也可以不对ClassB模式进行修改，而是基于本公开的LoRa数据传输方案设计一种新的工作模式。

进一步地，本公开还提出，可以根据实际情况，对LoRa节点的发送窗口做进一步深度定制，以减少乃至避免不同LoRa节点的发送窗口冲突，从而可以进一步提升LoRaWAN网络的吞吐率。

下面就本公开涉及的各方面做进一步说明。

图3示出了根据本公开一个实施例的LoRa数据传输方法的示意性流程图。

参见图3，在步骤S310，响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口。

同一网络中的基站可以同步发送信标帧，基站和LoRa节点可以依靠信标帧校对时间，以确保约定的时间不会错位。其中，基站可以周期性地发送信标帧。在本公开中，信标帧的数据格式、信标帧的发送以及接收过程均可以参照现有LoRaWAN协议，对此本公开不再赘述。

第一时间段是指接收到信标帧之后的一个时间段。第一时间段可以是根据基站发送信标帧的周期(为了便于区分，可以称为第二周期)确定的，第一时间段小于第二周期。例如第一时间段可以是接收到当前信标帧之后到接收到下一个信标帧之前的一个时间段。

第一时间段可以包括多个发送窗口，每个发送窗口对应一个第二时间段。其中，第一时间段所包括的发送窗口的数量以及每个发送窗口对应的

第二时间段的时长均可以是预先设定好的。例如，可以遵循ClassB中Beacon以及Ping可用时间的定义，将信标帧的周期设定为128s，将第一时间段设定为122.88s，并且第一时间段可以包括4096个30ms的发送窗口。

在LoRa节点接收到信标帧后，可以确定LoRa节点在第一时间段内使用的发送窗口。其中，如果不考虑碰撞问题，可以将第一时间段内的多个发送窗口中的任意一个或多个发送窗口设定为LoRa节点的发送窗口；如果考虑碰撞问题，可以根据同一网络中LoRa节点的数量、LoRa节点的数据发送需求以及基站的信道资源，为这多个LoRa节点分配相应的发送窗口，以减少乃至避免数据碰撞，进一步提高吞吐率。

为LoRa节点设定发送窗口的具体实现方式，将在下文详细说明，此处暂不展开描述。

在确定了LoRa节点使用的发送窗口后，就可以执行步骤S320，LoRa节点在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

综上，在本公开中，LoRa节点不是随机发送数据，而是在确定的发送窗口(一个或多个)所对应的时间段发送数据，因此基于本公开的LoRa数据传输方案实现的LoRaWAN网络可以视为时隙Aloha模型，而根据时隙Aloha模型的理论知识可知(例如图4所示)，时隙Aloha模型的最大吞吐量是纯Aloha模型的2倍。

下面就为LoRa节点设定发送窗口的具体实现过程进行示例性说明。

一、不考虑碰撞

在不考虑不同LoRa节点发送的LoRa数据产生碰撞的情况下，可以根据单个LoRa节点的数据发送需求，为其设定发送窗口。

作为示例，可以将第一时间段划分为多个发送窗口，根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和单个发送窗口对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量。由此可以将多个发送窗口中第一数量个发送窗口分配给LoRa节点。其中，第一数量个发送窗口优选地是指在时间上连续的第一数量个发送窗口。

可选地，在LoRa节点周期性地发送数据、且发送数据的周期(为了便于区分，可以称为第一周期)小于第一时间段的情况下，可以根据第一周期，将第一时间段内多个发送窗口中多组第一数量个发送窗口分配给LoRa节点，其中，相邻两组第一数量个发送窗口之间的时间间隔等于第一周期。

可选地，LoRa节点在发送完数据后，可以检测是否发送成功，如果未发送成功，可以在延迟预定时长后，利用后续第一数量个发送窗口重新发送LoRa数据。

二、考虑碰撞

为了减少乃至避免不同LoRa节点发送的LoRa数据产生碰撞，以进一步提升系统的吞吐率，可以根据同一网络中基站的信道资源和LoRa节点的配置信息，将第一时间段内的多个发送窗口分配给该网络中的多个LoRa节点。其中，同一网络可以是指同步发送信标帧的基站及接收该信标帧的LoRa节点构成的网络。

本公开述及的信道资源可以包括但不限于基站支持的数据传输通道和/或数据传输通道支持的扩频因子(SF)。其中，此处述及的数据传输通道也即基站提供的用于与LoRa节点进行通信的信道。以基站使用SX1301/SX1308芯片为例，每片SX1301/SX1308具有10个channel(信道)：8个LoRa channel(固定125KHz带宽，每个通道可同时支持从SF(扩频因子)7到SF12的6个速率，用于和LoRa节点通信)+1个LoRa STD channel(用于基站之间的快速通信，可配置125/250/500KHz带宽，只支持SF7到SF12中的1个固定速率)+1个FSK channel。一般情况下用于与LoRa节点进行通信的信道为8个LoRa channel。

本公开述及的LoRa节点的配置信息可以包括但不限于LoRa节点的数量、LoRa节点发送LoRa数据的第一周期、LoRa数据的大小、LoRa节点使用的扩频因子中的一项或多项。其中，LoRa节点的数量是指接入同一网络中的LoRa节点的数量，也即接收到相同信标帧的LoRa节点的数量。

作为示例，可以根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和单个发送窗口对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；然后根据基站支持的数据传输通道的第二数量、多个发送窗口的第三数量以及第一数量，为多个LoRa节点中的各个LoRa节点分配数据传输通道以及一组或多组第一数量个发送窗口，其中，发送窗口具有重叠部分的LoRa节点的数据传输通道不同。由此，通过根据基站的信道资源以及LoRa节点的配置信息，对多个LoRa节点的发送窗口进行定制，可以减少碰撞，提高吞吐率。

在根据基站的信道资源以及LoRa节点的配置信息，对多个LoRa节点的发送窗口进行定制时，还可以预留一定的信道资源作为备用通道，以使得在LoRa节点使用的信道出现故障时，可以使用备用通道发送数据，由此可以满足不同用户/业务/场景的QoS需求。

也即可以将基站支持的第二数量个数据传输通道中的一个或多个数据传输通道作为备用通道，在为LoRa节点分配的数据传输通道不可用(如出现故障)的情况下，LoRa节点可以使用备用通道在对应的发送窗口发送LoRa数据，由此可以解决信道故障情况下的数据传输问题，提升数据传输成功率。

如图5所示，假设第一时间段包括4096个30ms的发送窗口，同一网络中的基站为8通道网关(即用于与LoRa节点进行通信的信道为8个LoRa channel)，且该网络中存在64个LoRa节点，所有LoRa节点工作在SF7，LoRa节点每0.96s上报一次数据，LoRa节点每次发送总包长64字节(13字节LoRaWAN协议+51字节有效载荷)。那么LoRa节点发送一次数据所需的传输时间是118ms，需要占用4个30ms的发送窗口。因此可以按照图5所示，为这64个LoRa节点分配通道及发送窗口。

如图5所示，在第1次发送周期内，节点1可以使用通道1在第1至第4个发送窗口发送数据；节点2可以使用通道2在第1至第4个发送窗口发送数据；以此类推，节点64可以使用通道8在第29至第32个发送窗口发送数据。

在第2次发送周期内，节点1可以使用通道1在第33个发送窗口至第36个发送窗口发送数据；节点2可以使用通道2在第33个发送窗口至第36个发送窗口发送数据；以此类推，不再赘述。

可见，通过根据基站的信道资源以及LoRa节点的实际配置信息，对同一网络中的多个LoRa节点的发送窗口进行深度定制，可以减少乃至避免不同LoRa节点因使用同一信道在相同发送窗口发送数据产生的碰撞问题，理论上可以达到的最大吞吐量为第一时间段/信标帧周期。

以第一时间段的时长是122.88s，信标帧周期是128s为例，在入网机制、报文格式等遵循LoRaWAN协议的前提下，通过根据LoRa节点的应用情况做深度定制，理论上可以达到的最大吞吐量为122.88s/128s＝0.96，从而使得LoRaWAN用于高频采样要求的工业数据采集等场景成为可行。

需要说明的是，以上是按LoRa节点连续发送非确认帧(Unconfirmed类型的数据帧，即不需要应答的数据帧)来评估的，如果LoRa节点发送一定比例确认帧(Confirmed类型的数据帧，即需要应答的数据帧)和服务端可能的下行一定比例的数据(包括业务指令、MAC指令)，吞吐量不会达到这么高，但是也会比定制这个机制之前有大幅度的提高。

因此，本公开的LoRa数据传输方案可以适用但不限于抄表、工业数据采集等数据采集类应用。换言之，本公开述及的LoRa节点可以用于利用传感器采集数据，并将采集到的数据封装为LoRa数据，利用本公开的LoRa数据传输方案将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。也即，本公开述及的LoRa节点可以实现为一种数据采集设备。

以将本公开的LoRa数据传输方案应用于数据采集类应用场景为例，本公开还提出了一种数据采集系统的设定方案，可以基于该方案设定数据采集系统中的LoRa节点数量(也即数据采集设备的数量)，以充分利用信道资源，使数据采集系统可以获得理论上能够达到的最大吞吐率。

具体来说，首先可以根据基站发送信标帧的第二周期，将第二周期内的第一时间段划分为多个发送窗口。其中，此处述及的基站是指用于为数据采集系统中的LoRa节点提供通信服务的基站。关于信标帧、第二周期、第一时间段以及发送窗口均可以参见上文相关描述，此处不再赘述。

其次可以根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和发送窗口对应的第二时长，确定LoRa节点发送一次LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量。

最后可以根据基站支持的数据传输通道的第二数量、多个发送窗口的第三数量、第一数量以及LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，确定数据采集系统中的LoRa节点的数量。作为示例，n＝m*T/Δt，其中，n为LoRa节点的数量，m为数据传输通道的数量，T为第一周期，Δt为第一数量个发送窗口对应的时长。

在确定了数据采集系统能够支持的最大LoRa节点的数量n后，就可以布置n个LoRa节点，以构建数据采集系统。其中，LoRa节点可以按照本公开的LoRa数据传输方案在特定的发送窗口内发送LoRa数据。

可选地，在确定了数据采集系统中的LoRa节点的数量n后，还可以为各个LoRa节点设定相应的标号，例如可以根据所确定的LoRa节点的数量，在该数量对应的数值范围内为各个LoRa节点设置一个唯一的标号。以LoRa节点为64个为例，可以将1到64之内的数值(如整数值)分别分配给这64个LoRa节点，不同的LoRa节点的标号不同。

LoRa节点在入网后，可以通过预置或与服务端应用协商等方式获取到自己的标号。并且LoRa节点可以基于为其分配的标号，来计算自身使用的数据传输通道以及发送窗口。

下面就LoRa节点基于标号确定使用的数据传输通道以及发送窗口的实现过程进行示例性说明。

图6示出了根据本公开另一个实施例的LoRa数据传输方法的示意性流程图。其中，图6所示的方法可以由LoRa节点执行。

参见图6，在步骤S610，响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，根据LoRa节点的标号，确定LoRa节点使用的数据传输通道，以及LoRa节点在第一时间段内占用的一个或多个发送窗口。

关于信标帧、第一时间段、数据传输通道均可以参见上文相关描述，此处不再赘述。

在步骤S620，LoRa节点基于数据传输通道在发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

可选地，LoRa节点还可以通过基站向网络服务器发送第一数据，并接收网络服务器通过基站发送的第二数据，第二数据包括标号。其中，第一数据可以是一个空包。也就是说，可以从网络服务器获取节点的标号。作为示例，可以由应用服务器(ApplicationServer，简称AS)根据同一网络中LoRa节点的数量，为LoRa分配相应的标号，并将标号下发给网络服务器，以由网络服务器将其下发给LoRa节点。

数据传输通道的确定

作为示例，可以从基站支持的数据传输通道中选择与标号对应的数据传输通道，作为LoRa节点使用的数据传输通道。其中，标号与数据传输通道之间的对应关系可以是事先设定或约定好的，LoRa节点只需按照该对应关系寻找与其标号对应的数据传输通道即可。

例如，LoRa节点使用的数据传输通道可以等于基站支持的多个数据传输通道中第i个数据传输通道，i等于标号除以基站支持的数据传输通道的数量所得的余数。

举例来说，如图5所示，假设基站为8通道网关，LoRa节点的标号为3，那么可以将通道3确定为LoRa节点使用的通道，LoRa节点在发送LoRa数据时，就可以使用与通道3对应的频点发送数据；假设LoRa节点的标号为9，那么可以将通道1确定为LoRa节点使用的通道，LoRa节点在发送LoRa数据时，就可以使用与通道1对应的频点发送数据。

发送窗口的确定

可以根据LoRa节点的标号，确定LoRa节点在与该LoRa节点使用同一数据传输通道的多个LoRa节点中的顺序(可以视为数据发送顺序，也即PingOffset)，基于该顺序从第一时间段内的多个发送窗口中选择一组或多组第一数量个发送窗口，作为该LoRa节点占用的发送窗口，其中，相邻两组第一数量个发送窗口之间的时间间隔等于LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，第一数量等于LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的数量。

仍以图5为例，对于标号为9的使用通道1的LoRa节点(简称节点9)，节点9在使用通道1的多个LoRa节点中排在第2位，也即可以认为节点9在使用通道1的多个LoRa节点中的PingOffset为2。因此在LoRa数据的每个发送周期内，节点9可以使用第2组第一数量个发送窗口发送LoRa数据。

综上所述，LoRa节点的标号可以用于表征同一网络中LoRa节点发送数据的次序，LoRa节点可以基于自身标号所表征的次序，设定使用的数据传输通道以及每个发送周期内占用的第一数量个发送窗口。

需要说明的是，LoRa节点在基于标号确定所使用的数据传输通道以及发送窗口时，还可以基于其他预先设定或约定的规则，也就是说，标号与数据传输通道、发送窗口之间还可以是其他对应关系，对此本公开不再赘述。

应用例

如上文所述，本公开的LoRa数据传输方案可以实现为一种基于ClassB模式探索出的新的工作模式，也可以实现为一种针对ClassB模式的改造方案。

下面以本公开实现为一种针对ClassB模式的改造方案为例进行示例性说明。

图7示出了根据本公开另一个实施例的LoRa数据传输方法的示意性流程图。

如图7所示，网关可以基于获取的GPS时间，组装用于进行时间同步的信标帧，并发送信标帧，其中，信标帧的发送间隔可以是128s。

节点可以以ClassA模式入网，并自行决定切换到ClassB。在切换过程中，LoRa节点可以搜索信标帧，其中，LoRa节点可以可使用DeviceTimeReq这一MAC指令加快Beacon搜索过程。如图7所示，LoRa节点可以通过网关向网络服务器(NS)发送DeviceTimeReq，网络服务器在接收到DeviceTimeReq后，可以获取上行DeviceTimeReq报文中的tmms值(GPS时间)，然后组装DeviceTimeAns作为回复，通过网关发送给节点。节点可以根据DeviceTimeAns计算信标帧。

节点在成功接收到信标帧后，可以返回BEACON_LOCKED，以锁定信标帧。

作为示例，节点可以通过网关向网络服务器发送握手请求(即上文述及的第一数据)，网络服务器在接收到握手请求后，可以将握手请求转发给应用服务器，以由应用服务器返回节点的唯一标号M(即上文述及的第二数据)。其中，M可以是应用服务器根据同一网络中节点的数量为节点设定的，0<M<＝N，N为节点个数。

然后节点可以根据唯一标号M计算本节点发送频点(也即所使用的信道)与发送窗口，具体计算过程不再赘述。

在确定了发送频点节点与发送窗口后，节点就可以在指定的发送窗口通过网关发送上行数据包，其中，所发送的上行数据包可以是无需回复类型的数据包。

在本实施例中，节点端入网后会切换Class B模式，接收Beacon并同步时间，但是相比现有ClassB的不同之处在于，节点在Ping Slot不开接收窗口，而是开发送窗口，并且可以仅在每个Ping Slot开始时发送数据。通过将Ping Slot改造为发送窗口，使得LoRaWAN网络符合时隙Aloha模型，从而可以提高网络的吞吐率。

至此，结合图2至图7详细描述了本公开的LoRa数据传输方案以及数据采集系统的设定方案。

本公开还可以实现为一种数据采集系统。数据采集系统可以包括多个LoRa节点，其中，LoRa节点的数量可以是根据上述方式确定的系统能够支持的最大节点数量。LoRa节点可以利用传感器采集数据，将采集到的数据封装为LoRa数据，并且LoRa节点可以执行本公开的LoRa数据传输方案。也即，LoRa节点可以响应于接收到基站发送的信标帧，确定在第一时间段内的一个或多个发送窗口，并在所确定的一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。关于方案涉及细节部分可以参见上文相关描述，此处不再赘述。

本公开还可以实现为一种LoRa数据传输装置。

图8示出了根据本公开一个实施例的LoRa数据传输装置的结构的示意性方框图。LoRa数据传输装置的功能模块可以由实现本发明原理的硬件、软件或硬件和软件的结合来实现。本领域技术人员可以理解的是，图8所描述的功能模块可以组合起来或者划分成子模块，从而实现上述发明的原理。因此，本文的描述可以支持对本文描述的功能模块的任何可能的组合、或者划分、或者更进一步的限定。

下面就LoRa数据传输装置可以具有的功能模块以及各功能模块可以执行的操作做简要说明，对于其中涉及的细节部分可以参见上文描述，这里不再赘述。

参见图8，LoRa数据传输装置800包括确定模块810和发送模块820。

确定模块810用于响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口。关于具体的确定过程可以参见上文相关描述，此处不再赘述。

发送模块820用于指令LoRa节点在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

图9示出了根据本公开一个实施例的LoRa节点的结构的示意性方框图。LoRa节点的功能模块可以由实现本发明原理的硬件、软件或硬件和软件的结合来实现。本领域技术人员可以理解的是，图9所描述的功能模块可以组合起来或者划分成子模块，从而实现上述发明的原理。因此，本文的描述可以支持对本文描述的功能模块的任何可能的组合、或者划分、或者更进一步的限定。

下面就LoRa节点可以具有的功能模块以及各功能模块可以执行的操作做简要说明，对于其中涉及的细节部分可以参见上文描述，这里不再赘述。

参见图9，LoRa节点900包括确定模块910和发送模块920。

确定模块910用于响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，根据LoRa节点的标号，确定LoRa节点使用的数据传输通道，以及LoRa节点在第一时间段内占用的一个或多个发送窗口。关于具体的确定过程可以参见上文相关描述，此处不再赘述。

发送模块920用于基于数据传输通道在一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

图10示出了根据本公开一个实施例的数据采集系统的设定装置的示意性方框图。设定装置的功能模块可以由实现本发明原理的硬件、软件或硬件和软件的结合来实现。本领域技术人员可以理解的是，图10所描述的功能模块可以组合起来或者划分成子模块，从而实现上述发明的原理。因此，本文的描述可以支持对本文描述的功能模块的任何可能的组合、或者划分、或者更进一步的限定。

下面就设定装置可以具有的功能模块以及各功能模块可以执行的操作做简要说明，对于其中涉及的细节部分可以参见上文描述，这里不再赘述。

参见图10，设定装置1000包括划分模块1010、第一确定模块1020以及第二确定模块1030。

划分模块1010用于根据基站发送信标帧的第二周期，将第二周期内的第一时间段划分为多个发送窗口，发送窗口对应第二时间段。

第一确定模块1020用于根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和第二时间段对应的第二时长，确定LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量。

第二确定模块1030用于根据基站支持的数据传输通道的第二数量、多个发送窗口的第三数量、第一数量以及LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，确定数据采集系统中的LoRa节点的数量。

图11示出了根据本公开一实施例可用于实现上述LoRa数据传输方法或数据采集系统的设定方法的计算设备的结构示意图。

参见图11，计算设备1100包括存储器1110和处理器1120。

处理器1120可以是一个多核的处理器，也可以包含多个处理器。在一些实施例中，处理器1120可以包含一个通用的主处理器以及一个或多个特殊的协处理器，例如图形处理器(GPU)、数字信号处理器(DSP)等等。在一些实施例中，处理器1120可以使用定制的电路实现，例如特定用途集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)或者现场可编程逻辑门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Arrays)。

存储器1110可以包括各种类型的存储单元，例如系统内存、只读存储器(ROM)，和永久存储装置。其中，ROM可以存储处理器1120或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中，永久性存储装置采用大容量存储装置(例如磁或光盘、闪存)作为永久存储装置。另外一些实施方式中，永久性存储装置可以是可移除的存储设备(例如软盘、光驱)。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备，例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外，存储器1110可以包括任意计算机可读存储媒介的组合，包括各种类型的半导体存储芯片(DRAM，SRAM，SDRAM，闪存，可编程只读存储器)，磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中，存储器1110可以包括可读和/或写的可移除的存储设备，例如激光唱片(CD)、只读数字多功能光盘(例如DVD-ROM，双层DVD-ROM)、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡(例如SD卡、min SD卡、Micro-SD卡等等)、磁性软盘等等。计算机可读存储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。

存储器1110上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器1120处理时，可以使处理器1120执行上文述及的LoRa数据传输方法或数据采集系统的设定方法。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的LoRa数据传输方法、数据采集系统的设定方法、数据采集系统、LoRa数据传输装置、LoRa节点以及计算设备。

此外，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本发明的上述方法中限定的上述各步骤的计算机程序代码指令。

或者，本发明还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或计算设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本发明的上述方法的各个步骤。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (21)

1.一种LoRa数据传输方法，其特征在于，包括：

响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定所述LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口；

所述LoRa节点在所述一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

2.根据权利要求1所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，所述确定所述LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口的步骤包括：

将所述第一时间段划分为多个发送窗口，所述发送窗口对应第二时间段；

根据所述LoRa节点发送所述LoRa数据所需的第一时长和所述第二时间段对应的第二时长，确定所述LoRa节点发送所述LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；

将所述多个发送窗口中第一数量个发送窗口分配给所述LoRa节点。

3.根据权利要求2所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，所述LoRa节点发送所述LoRa数据的第一周期小于所述第一时间段，所述将所述多个发送窗口中第一数量个发送窗口分配给所述LoRa节点的步骤包括：

根据所述第一周期，将所述多个发送窗口中多组第一数量个发送窗口分配给所述LoRa节点，其中，相邻两组第一数量个发送窗口之间的时间间隔等于所述第一周期。

4.根据权利要求1所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，所述LoRa节点为多个，其中，所述确定所述LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口的步骤包括：

将所述第一时间段划分为多个发送窗口，所述发送窗口对应第二时间段；

根据所述基站的信道资源和所述LoRa节点的配置信息，将所述多个发送窗口分配给多个所述LoRa节点。

5.根据权利要求4所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，

所述信道资源包括以下至少一项：所述基站支持的数据传输通道、所述数据传输通道支持的扩频因子，并且/或者

所述配置信息包括以下至少一项：所述LoRa节点的数量、所述LoRa节点发送所述LoRa数据的第一周期、所述LoRa数据的大小、所述LoRa节点使用的扩频因子。

6.根据权利要求4所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，所述将所述多个发送窗口分配给多个所述LoRa节点的步骤包括：

根据所述LoRa节点发送所述LoRa数据所需的第一时长和所述第二时间段对应的第二时长，确定所述LoRa节点发送所述LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；

根据所述基站支持的数据传输通道的第二数量、所述多个发送窗口的第三数量以及所述第一数量，为多个所述LoRa节点中的各个所述LoRa节点分配数据传输通道以及一组或多组第一数量个发送窗口，其中，发送窗口具有重叠部分的LoRa节点的数据传输通道不同。

7.根据权利要求6所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，还包括：

将所述基站支持的第二数量个数据传输通道中的一个或多个数据传输通道作为备用通道；

在为所述LoRa节点其分配的数据传输通道不可用的情况下，所述LoRa节点使用所述备用通道在对应的发送窗口发送LoRa数据。

8.根据权利要求1所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，

所述基站周期性地发送所述信标帧，所述第一时间段是根据所述基站发送信标帧的第二周期确定的，所述第一时间段小于所述第二周期。

9.一种LoRa数据传输方法，其特征在于，包括：

响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，根据所述LoRa节点的标号，确定所述LoRa节点使用的数据传输通道，以及所述LoRa节点在第一时间段内占用的一个或多个发送窗口；

所述LoRa节点基于所述数据传输通道在所述一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

10.根据权利要求9所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，还包括：

通过基站向网络服务器发送第一数据；

接收所述网络服务器通过基站发送的第二数据，所述第二数据包括所述标号。

11.根据权利要求9所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，所述根据所述LoRa节点的标号确定所述LoRa节点使用的数据传输通道以及所述LoRa节点在第一时间段内所占用的发送窗口的步骤包括：

从所述基站支持的数据传输通道中选择与所述标号对应的数据传输通道，作为所述LoRa节点使用的数据传输通道；以及/或者

根据所述LoRa节点的标号，确定所述LoRa节点在与该LoRa节点使用同一数据传输通道的多个LoRa节点中的顺序，基于该顺序从所述第一时间段内的多个发送窗口中选择一组或多组第一数量个发送窗口，作为该LoRa节点占用的发送窗口，其中，相邻两组第一数量个发送窗口之间的时间间隔等于LoRa节点发送LoRa数据的第一周期，所述第一数量等于LoRa节点发送LoRa数据需要占用的发送窗口的数量。

12.根据权利要求11所述的LoRa数据传输方法，其特征在于，

所述LoRa节点使用的数据传输通道为所述基站支持的多个数据传输通道中第i个数据传输通道，i等于所述标号除以所述基站支持的数据传输通道的数量所得的余数。

13.一种数据采集系统的设定方法，其特征在于，包括：

根据基站发送信标帧的第二周期，将所述第二周期内的第一时间段划分为多个发送窗口，所述发送窗口对应第二时间段；

根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和所述第二时间段对应的第二时长，确定所述LoRa节点发送所述LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；

根据所述基站支持的数据传输通道的第二数量、所述多个发送窗口的第三数量、所述第一数量以及所述LoRa节点发送所述LoRa数据的第一周期，确定所述数据采集系统中的LoRa节点的数量。

14.根据权利要求13所述的设定方法，其中，

n＝m*T/Δt，

n为所述LoRa节点的数量，m为数据传输通道的数量，T为所述第一周期，Δt为第一数量个发送窗口对应的时长。

15.根据权利要求13所述的设定方法，其特征在于，

所述LoRa节点被配置为利用传感器采集数据，将采集到的数据封装为所述LoRa数据，并在第一数量个发送窗口对应的时间段内将所述LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

16.一种LoRa数据传输装置，其特征在于，包括：

确定模块，用于响应于LoRa节点接收到基站发送的信标帧，确定所述LoRa节点在第一时间段内的一个或多个发送窗口；

发送模块，用于指令所述LoRa节点在所述一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

17.一种LoRa节点，其特征在于，包括：

确定模块，用于响应于所述LoRa节点接收到基站发送的信标帧，根据所述LoRa节点的标号，确定所述LoRa节点使用的数据传输通道，以及所述LoRa节点在第一时间段内占用的一个或多个发送窗口；

发送模块，用于基于所述数据传输通道在所述一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

18.一种数据采集系统的设定装置，其特征在于，包括：

划分模块，用于根据基站发送信标帧的第二周期，将所述第二周期内的第一时间段划分为多个发送窗口，所述发送窗口对应第二时间段；

第一确定模块，用于根据LoRa节点发送LoRa数据所需的第一时长和所述第二时间段对应的第二时长，确定所述LoRa节点发送所述LoRa数据需要占用的发送窗口的第一数量；

第二确定模块，用于根据所述基站支持的数据传输通道的第二数量、所述多个发送窗口的第三数量、所述第一数量以及所述LoRa节点发送所述LoRa数据的第一周期，确定所述数据采集系统中的LoRa节点的数量。

19.一种数据采集系统，其特征在于，包括：多个LoRa节点，所述LoRa节点利用传感器采集数据，将采集到的数据封装为LoRa数据，

所述LoRa节点响应于接收到基站发送的信标帧，确定在第一时间段内的一个或多个发送窗口，并在所述一个或多个发送窗口对应的时间段内将LoRa数据通过基站发送给网络服务器。

20.一种计算设备，包括：

处理器；以及

存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被所述处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求1至15中任何一项所述的方法。

21.一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求1至15中任一项所述的方法。

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