CN113810870B - 一种LoRa自组网的集抄通信方法 - Google Patents

一种LoRa自组网的集抄通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LoRa自组网的集抄通信方法，包括如下步骤：集中器为节点分配网内通信参数；集中器唤醒一组节点；将数据按照预设窗口并行上行；集中器完成网内所有节点的数据交互后，网内全节点数据交互结束。本发明中节点的数据上报紧密排列，能够避免冲突且最大化利用信道，且同时使用多个不同信道进行数据并行传输，有效提升了数据传输效率。数据传输效率的提升对于LoRa自组网络带来的有益效果包括：更少的通讯唤醒，降低了全网节点的通讯电量消耗，利于电池成本的降低及产品小型化设计；可以以更快的速度完成，提升网络内通信时效性；在相同条件下，网络带载量提升，可适应更高密度的应用场景；具有较好的抗射频干扰能力。

Description

一种LoRa自组网的集抄通信方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种LoRa自组网的集抄通信方法。
背景技术
随着物联网行业的迅速发展，物联网技术渗透到越来越多的生产生活领域中，物联网底层通讯技术主要由LoRa、NB-IOT、Zigbee、bluetooth、WIFI等,其中LoRa通信的特点为低功耗、长距离、低速率。基于LoRa通信的小型自组网络具有部署灵活、运营成本低等特点而被无线抄表、无线传感网络等应用广泛使用。
现有LoRa自组网络在进行整体集抄通信时，对于大量节点数据上行的规划主要有两种方案：采用竞争上报方式，即集中器在指定信道开启一定长度的接收窗口，在该期间内，节点自由随机上报数据，通过上报时间的随机化减小数据相互碰撞的概率；采用TDMA(Time division multiple access)接入技术。集中器将通信信道按照时间划分为多个固定的通信时隙，网络内的节点根据预设的规则在对应时隙内进行排序数据上报，从而避免数据的碰撞冲突。但竞争上报方式只能通过随机方式减小碰撞概率，但不能完全避免，当通信占空比较大时，数据包的碰撞会导致丢包率较高。因此带来的数据重传会导致通信功耗开销增大。且现有的通信方式多为单信道通信，缺点在于信道容量有限，数据传输效率低，大量节点通信时耗费时间较长。
如中国专利CN106875661B，公开日2019年12月10日，一种多工作模式的表具通信方法，包括主动上报模式、第一被动接收模式和第二被动接收模式中的一种或者多种；所述主动上报模式包括，以第一速率向上级设备上报表具数据；所述第一被动接收模式包括，以第二速率接收上级设备的第一指令；所述第二被动接收模式包括，以第三速率接收上级设备的第二指令。其采用低速率通信，减少了采集器的数量，降低了抄表网络的建设成本。但是其存在抗干扰性较差，通信时耗费时间较长，数据传输效率低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前的集抄通信方法存在数据传输效率低的技术问题。提出了一种能够提升数据传输效率的LoRa自组网的集抄通信方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种LoRa自组网的集抄通信方法，包括如下步骤：
S1：集中器为节点分配网内通信参数；
S2：集中器唤醒一组节点；
S3：将数据按照预设窗口并行上行；
S4：集中器完成网内所有节点的数据交互后，网内全节点数据交互结束。
在组网阶段，集中器为每个新入网的节点分配网内通信参数：组号(Group)、信道号(ChNum)、时隙号(Slot)。信道号为FDD通信参数，代表节点通信时选择的信道；时隙号为TDD通信参数，决定节点通信时选择的通信时隙；组号为节点分组参数，集中器发起的单次通信帧会指定单组节点进行响应。
在通信阶段，集中器下发广播唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的网内节点，节点唤醒后判断帧内Group号是否与本地参数一致，若不一致则回到低功耗CAD状态；若Group号与本地参数一致，则记录被唤醒时刻Tw，并根据本地Slot号计算得出数据上报时刻Ts。组内每个节点在自身Ts时刻根据自身信道号上报数据。
集中器开启接收窗口并行接收节点的上行数据帧。集中器接收超时后根据组内节点数据的上行情况进行数据重传，即重复上述在组网阶段和通信阶段的步骤，若单组节点通信完成，集中器修改唤醒帧内Group号，再进行其他组号节点的数据通信，集中器完成网内所有节点的数据交互后，一轮完整的网内全节点数据交互结束。
作为优选，所述步骤S2包括如下步骤：
S21：集中器下发广播唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的网内节点；
S22：判断帧内组号是否与本地参数一致，若是，则进入步骤S23，若不是，则进入步骤S24；
S23：节点回到低功耗CAD状态；
S24：记录被唤醒时刻Tw，并根据本地时隙号计算得出数据上报时刻Ts。当网内节点帧内组号即Group号不一致时则回到低功耗CAD状态，若Group号与本地参数一致，则记录被唤醒时刻Tw，并根据本地Slot号计算得出数据上报时刻Ts。
作为优选，所述步骤S3包括如下步骤：
S31：组内每个节点在自身Ts时刻根据自身信道号上报数据；
S32：集中器开启接收窗口并行接收节点的上行数据帧；
S33：集中器接收超时后根据组内节点数据的上行情况进行数据重传。通过上述操作将数据按照预设窗口并行上行。
作为优选，所述步骤S1中所述网内通信参数包括组号、信道号和时隙号。网内通信参数包括组号(Group)、信道号(ChNum)和时隙号(Slot)，其中组号为节点分组参数，集中器发起的单次通信帧会指定单组节点进行响应。
作为优选，所述信道号为FDD通信参数，所述时隙号为TDD通信参数。信道号为FDD通信参数，代表节点通信时选择的信道，时隙号为TDD通信参数，决定节点通信时选择的通信时隙，采用TDD+FDD通信机制，确保通信质量。
作为优选，所述步骤S33包括如下步骤：
A1：判断是否已完成组内节点群抄，若是，则进行步骤A3，若不是，则进行步骤A2；
A2：返回步骤S2；
A3：进行步骤S4。
判断是否已完成组内节点群抄，若是，则继续判断是否已完成所有组节点的集抄，若不是，则步骤S2重新进行集中器唤醒节点管理数据的操作。
作为优选，所述步骤S4包括如下步骤：
S41：判断是否已完成所有组节点的集抄，若是，则进行步骤S43，若不是，则进行步骤S42；
S42：通信组号加1，返回步骤S2；
S43：结束网内全节点数据交互。
完成所有组节点的集抄，实现在三表即电表、水表和气表的集抄或一对多设备数据采集。
本发明的实质性效果是：本方案中节点的数据上报紧密排列，能够避免冲突且最大化利用信道，且同时使用多个不同信道进行数据并行传输，相比CDMA方案，有效提升了数据传输效率。数据传输效率的提升对于LoRa自组网络带来的有益效果包括：更少的通讯唤醒，降低了全网节点的通讯电量消耗，利于电池成本的降低及产品小型化设计；相同的通讯任务，可以以更快的速度完成，提升网络内通信时效性；在相同条件下，网络带载量提升，可适应更高密度的应用场景；具有较好的抗射频干扰能力。
附图说明
图1为本实施例主要步骤的流程示意图；
图2为本实施例的实施步骤示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
一种LoRa自组网的集抄通信方法，如图1、图2所示，包括如下步骤：
S1：集中器为节点分配网内通信参数；所述步骤S1中所述网内通信参数包括组号、信道号和时隙号。网内通信参数包括组号(Group)、信道号(ChNum)和时隙号(Slot)，其中组号为节点分组参数，集中器发起的单次通信帧会指定单组节点进行响应。所述信道号为FDD通信参数，所述时隙号为TDD通信参数。信道号为FDD通信参数，代表节点通信时选择的信道，时隙号为TDD通信参数，决定节点通信时选择的通信时隙，采用TDD+FDD通信机制，确保通信质量。
S2：集中器唤醒一组节点；所述步骤S2包括如下步骤：
S21：集中器下发广播唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的网内节点；
S22：判断帧内组号是否与本地参数一致，若是，则进入步骤S23，若不是，则进入步骤S24；
S23：节点回到低功耗CAD状态；
S24：记录被唤醒时刻Tw，并根据本地时隙号计算得出数据上报时刻Ts。当网内节点帧内组号即Group号不一致时则回到低功耗CAD状态，若Group号与本地参数一致，则记录被唤醒时刻Tw，并根据本地Slot号计算得出数据上报时刻Ts。
S3：将数据按照预设窗口并行上行；所述步骤S3包括如下步骤：
S31：组内每个节点在自身Ts时刻根据自身信道号上报数据；
S32：集中器开启接收窗口并行接收节点的上行数据帧；
S33：集中器接收超时后根据组内节点数据的上行情况进行数据重传。通过上述操作将数据按照预设窗口并行上行。所述步骤S33包括如下步骤：
A1：判断是否已完成组内节点群抄，若是，则进行步骤A3，若不是，则进行步骤A2；
A2：返回步骤S2；
A3：进行步骤S4。
判断是否已完成组内节点群抄，若是，则继续判断是否已完成所有组节点的集抄，若不是，则步骤S2重新进行集中器唤醒节点管理数据的操作。
S4：集中器完成网内所有节点的数据交互后，网内全节点数据交互结束。所述步骤S4包括如下步骤：
S41：判断是否已完成所有组节点的集抄，若是，则进行步骤S43，若不是，则进行步骤S42；
S42：通信组号加1，返回步骤S2；
S43：结束网内全节点数据交互。
完成所有组节点的集抄，实现在三表即电表、水表和气表的集抄或一对多设备数据采集。
通信帧在时域上采用TDD方式划分出32个上行时隙(Slot)，其中每个上行时隙支持8个通信信道的并行数据上行(FDD)，单次通信帧内包含总共32*8＝256个独立的通信窗口，如表1所示。
表1
网络内节点在入网时由集中器统一分配通信参数，通信时可以有序地按照自身参数在帧内指定窗口无碰撞地上报数据，且一次通信帧中，最大支持256个节点的数据上报。
Slot时长可以根据实际应用场景进行灵活调整。例如网内所有设备类型统一，上行数据长度为定长20Byte，则Slot长度可以配置为300ms，保证数据Slot长度满足通信需求并且尽可能提高信道上的通信密度。
另外，若网内设备类型不统一，上行数据长度不固定，则Slot长度也可如下进行优化：帧内存在多种长度的slot时隙，集中器根据节点可能的最大数据包长，安排它们到对应的slot时隙内进行数据上报。
本实施例在组网阶段，集中器为每个新入网的节点分配网内通信参数：组号(Group)、信道号(ChNum)、时隙号(Slot)。信道号为FDD通信参数，代表节点通信时选择的信道；时隙号为TDD通信参数，决定节点通信时选择的通信时隙；组号为节点分组参数，集中器发起的单次通信帧会指定单组节点进行响应。
在通信阶段，集中器下发广播唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的网内节点，节点唤醒后判断帧内Group号是否与本地参数一致，若不一致则回到低功耗CAD状态；若Group号与本地参数一致，则记录被唤醒时刻Tw，并根据本地Slot号计算得出数据上报时刻Ts。组内每个节点在自身Ts时刻根据自身信道号上报数据。
集中器开启接收窗口并行接收节点的上行数据帧。集中器接收超时后根据组内节点数据的上行情况进行数据重传，即重复上述在组网阶段和通信阶段的步骤，若单组节点通信完成，集中器修改唤醒帧内Group号，再进行其他组号节点的数据通信，集中器完成网内所有节点的数据交互后，一轮完整的网内全节点数据交互结束。
本实施例中节点的数据上报紧密排列，能够避免冲突且最大化利用信道，且同时使用多个不同信道进行数据并行传输，相比CDMA方案，有效提升了数据传输效率。数据传输效率的提升对于LoRa自组网络带来的有益效果包括：更少的通讯唤醒，降低了全网节点的通讯电量消耗，利于电池成本的降低及产品小型化设计；相同的通讯任务，可以以更快的速度完成，提升网络内通信时效性；在相同条件下，网络带载量提升，可适应更高密度的应用场景；具有较好的抗射频干扰能力。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种LoRa自组网的集抄通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：集中器为节点分配网内通信参数；
S2：集中器唤醒一组节点；
S3：将数据按照预设窗口并行上行；
S4：集中器完成网内所有节点的数据交互后，网内全节点数据交互结束；
所述步骤S1中所述网内通信参数包括组号、信道号和时隙号，所述信道号为FDD通信参数，所述时隙号为TDD通信参数；
所述步骤S2包括如下步骤：
S21：集中器下发广播唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的网内节点；
S22：判断帧内组号是否与本地参数一致，若是，则进入步骤S23，若不是，则进入步骤S24；
S23：节点回到低功耗CAD状态；
S24：记录被唤醒时刻Tw，并根据本地时隙号计算得出数据上报时刻Ts；
所述步骤S3包括如下步骤：
S31：组内每个节点在自身Ts时刻根据自身信道号上报数据；
S32：集中器开启接收窗口并行接收节点的上行数据帧；
S33：集中器接收超时后根据组内节点数据的上行情况进行数据重传；
所述步骤S33包括如下步骤：
A1：判断是否已完成组内节点群抄，若是，则进行步骤A3，若不是，则进行步骤A2；
A2：返回步骤S2；
A3：进行步骤S4；
所述步骤S4包括如下步骤：
S41：判断是否已完成所有组节点的集抄，若是，则进行步骤S43，若不是，则进行步骤S42；
S42：通信组号加1，返回步骤S2；
S43：结束网内全节点数据交互。
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