CN114126095A - 一种LoRa自组网的大数据分包通信方法 - Google Patents

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张家铭
黄贤景
刘建
王彦凯
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Abstract

本发明公开了一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，包括以下步骤：满足通信条件后发起唤醒；唤醒后发起大数据转发请求；对转发许可的中继进行中继筛选；选取中继进行数据包接收；进行数据转发。上述技术方案通过采用跳频通信机制，避免大数据交互时，长期占用唤醒信道，造成网络堵塞，并且该方案极大地减少唤醒帧发送次数，降低全网功耗开销，提高网络内设备容量，提升网络抗干扰能力。

Description

一种LoRa自组网的大数据分包通信方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种LoRa自组网的大数据分包通信方法。
背景技术
当前社会物联网行业发展迅速，物联网技术在很多行业都得到广泛应用。目前常用的物联网通信技术主要有LoRa、NB-IOT、Zigbee、Bluetooth、WIFI等,其中LoRa具有低功耗、长距离、低速率的特点。因此LoRa常用于具有部署灵活、运营成本低等特点的小规模自组网络。并在无线抄表、无线传感网络等场景广泛应用。
有资料显示，现有LoRa自组网络在对非直连节点群抄时，大量节点数据上行主要为采用直接竞争上报方式，即中继不缓存任何节点数据。中继每收到一包数据，便立即将该数据传递给上一级中继。存在以下缺点：
1、信道占用率高。LoRa自组网大多都是低功耗网络，在进行数据通信时，需要使用长前导码唤醒设备，进行通信。当网络中有多个设备通信时，会导致信道占用率高，设备干扰严重。
2、能耗高，传输效率低。每传输一个小包数据，都需要进行长前导唤醒，导致大量功耗都用在唤醒其他设备。传输能耗高，效率低。
3、单信道通信，设备间干扰严重。单信道下，设备间只能以竞争上报的方式通过随机延时减小碰撞，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。
以上几点往往会限制自组网络的规模、可靠性及通信效率。
中国专利文献CN109067892A公开了一种“Lora通信系统中大数据传输方法、终端及服务器”。采用了在上行方向上，Lora终端将大数据分片为固定长度的，Lora通信系统能够传输的短报文，连续传输给服务器端，分片完整接收后，服务器端进行报文重装。在下行方向上，服务器端将大数据分片为固定长度的，Lora通信系统能够传输的短报文，并通过SX1301以连续的方式传输给Lora终端，终端完整接收到来自服务器端的分包后，进行报文重装。上述技术方案单信道下，设备间只能以竞争上报的方式通过随机延时减小碰撞，通信占空比较大时，数据包的碰撞会导致丢包率较高。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案信道占用率高，能耗高，传输效率低的技术问题，提供一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，通过采用跳频通信机制，避免大数据交互时，长期占用唤醒信道，造成网络堵塞，并且该方案极大地减少唤醒帧发送次数，降低全网功耗开销，提高网络内设备容量，提升网络抗干扰能力。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1满足通信条件后发起唤醒；
S2唤醒后发起大数据转发请求；
S3对转发许可的中继进行中继筛选；
S4选取中继进行数据包接收；
S5进行数据转发。通信过程中申请帧和许可帧收发和大数据数据分包通信在不同信道上进行。实际若将这两个过程合并在相同信道下完成。
作为优选，所述的步骤S1通信条件为：当末端中继完成对设终端节点的采集或大数据包缓存满时，开启大数据包通信流程，申请中继发送唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的高等级空闲中继。
作为优选，所述的步骤S2申请中继发送大数据转发请求帧，并开启N个时间片窗口等待接收转发许可帧，接收到申请帧的中继，综合评估符合接收条件，选择slot在CHA信道发送许可帧，许可帧包含大数据交互信道CHx信息。
作为优选，所述的步骤S3网内任何空闲的上级中继在收到转发请求，发送大数据转发许可帧后，随后跳转到协商信道，等待大数据通信帧上行，申请中继接收多个转发许可帧，并综合评估选取最优空闲中继进行转发。防止长期占用唤醒信道，造成通信堵塞。申请转发时可以接收多个空闲中继的转发许可，如果此处改为只接受一个设备的转发许可，也可以实现类似的效果。
作为优选，所述的步骤S4被选择的中继会持续接收，直到接收到最后一个数据包，或者接收超时；被选择的中继在超时时间到后，重新回到休眠状态。
作为优选，所述的步骤S4完成接收后，中继返回应答帧，应答帧中包含是否丢包情况，并回到接收，若应答帧包含丢包情况，申请中继收到应答后，重新补发丢包，直到收完所有数据包。
作为优选，所述的步骤S5上行中继在收完所有数据包后，开启大数据包向上转发流程，重复步骤S1到S5直到数据被送达集中器。
本发明的有益效果是：
1、更少的通讯唤醒，降低了全网设备的通讯电量消耗，利于电池成本的降低及产品小型化设计。
2、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，利于用户体验的提升。
3、相同条件下，网络带载量提升，可适应更高密度的应用场景。另外该方案内通信频点的离散化，有利于提升系统整体的抗射频干扰能力。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是本发明的一种设备交互管道图。
图3是本发明的一种跳频通信信道占用时序图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：
1.末端中继完成对设终端节点的采集或大数据包缓存满时，会开启大数据包通信流程，向上级传输数据。
2.申请中继会发送唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的高等级空闲中继。
3.申请中继会发送大数据转发请求帧，并开启N个时间片窗口等待接收转发许可帧。
4.网内任何空闲的上级中继在收到转发请求时，会发送大数据转发许可帧，随后跳转到协商信道，等待大数据通信帧上行。防止长期占用唤醒信道，造成通信堵塞。
5.申请中继可接收多个转发许可帧，并综合评估选取最优空闲中继进行转发。
6.未被选择的中继会在超时时间到后，重新回到休眠状态。
7.被选择的中继会持续接收，知道接收到最后一个数据包，或者接收超时。
8.完成接收后，中继返回应答帧，应答帧包含丢包情况，并回到接收。
9.申请中继收到应答后，重新补发丢包。
10.重复7-8，直到收完所有数据包。
11.上行中继在收完所有数据包后，会开启大数据包向上转发流程。
12.重复过程2-11，直到数据被送达集中器。
如图3所示，跳频通信流程介绍：
为避免大数据交互时，长期占用唤醒信道，造成网络堵塞。大数据包交互是采用跳频通信机制。另外该方案极大减少唤醒帧发送次数，降低全网功耗开销。跳频通信的具体流程如下：
1.申请设备在唤醒信道CH0完成对高等级空闲中继的唤醒。并且在唤醒帧中包含接下来发送申请帧的工作信道CHA。被唤醒设备解析后，在指定时刻对CHA信道监听。
2.唤醒帧发送结束，申请设备在信道CHA发送申请帧。
3.接收到申请帧的中继，综合评估符合接收条件，则选择slot在CHA信道发送许可帧，许可帧包含大数据交互信道CHx信息
4.申请设备对接收到的多个许可帧进行筛选，选择最优中继(假定该中继工作在CHB信道)。
5.申请设备跳转CHB信道进行大数据的分帧传输，直到所有数据送达被选取设备。
优选方案：1、本发明的通信过程中申请帧和许可帧收发和大数据数据分包通信在不同信道上进行。实际若将这两个过程合并在相同信道下完成，也可实现类似的效果。
2、本发明的通信过程中，申请转发时可以接收多个空闲中继的转发许可，如果此处改为只接受一个设备的转发许可，也可以实现类似的效果。
3、本发明的虽是基于LoRa调制作为物理层进行描述，但移植到FSK或其他物理层，仍能达到类似的效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了唤醒、请求、等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1满足通信条件后发起唤醒；
S2唤醒后发起大数据转发请求；
S3对转发许可的中继进行中继筛选；
S4选取中继进行数据包接收；
S5进行数据转发。
2.根据权利要求1所述的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，所述步骤S1通信条件为：当末端中继完成对设终端节点的采集或大数据包缓存满时，开启大数据包通信流程，申请中继发送唤醒帧唤醒处于低功耗CAD检测状态的高等级空闲中继。
3.根据权利要求1所述的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，所述步骤S2申请中继发送大数据转发请求帧，并开启N个时间片窗口等待接收转发许可帧，接收到申请帧的中继，综合评估符合接收条件，选择slot在CHA信道发送许可帧，许可帧包含大数据交互信道CHx信息。
4.根据权利要求1所述的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，所述步骤S3网内任何空闲的上级中继在收到转发请求，发送大数据转发许可帧后，随后跳转到协商信道，等待大数据通信帧上行，申请中继接收多个转发许可帧，并综合评估选取最优空闲中继进行转发。
5.根据权利要求1所述的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，所述步骤S4被选择的中继会持续接收，直到接收到最后一个数据包，或者接收超时；被选择的中继在超时时间到后，重新回到休眠状态。
6.根据权利要求5所述的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，所述步骤S4完成接收后，中继返回应答帧，应答帧中包含是否丢包情况，并回到接收，若应答帧包含丢包情况，申请中继收到应答后，重新补发丢包，直到收完所有数据包。
7.根据权利要求1所述的一种LoRa自组网的大数据分包通信方法，其特征在于，所述步骤S5上行中继在收完所有数据包后，开启大数据包向上转发流程，重复步骤S1到S5直到数据被送达集中器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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