CN115066010B - 多信道lora监测系统多级同步组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多信道lora监测系统多级同步组网方法，包括：构建多信道无线监测系统，多信道无线监测系统包括若干个信道和子网，子网包括若干个节点；获取GPS时间，基于GPS时间对所有的网关进行时间同步，使所有网关的时间一致；将未入网的节点接入控制信道，基于网关的时间，对所有接入信道的节点进行时间同步，使所有节点的时间与网关的时间一致。本发明的多信道同步组网的丢包率更低，无线通信更加稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种多信道lora监测系统多级同步组网方法。
背景技术
无线通信技术作为物联网应用中信息有效传输的手段，与对应的硬件设备组合，根据覆盖范围和连接方式可分为局域网和广域网。构成无线局域网的典型无线通信技术有Zigbee、Bluetooth、Wifi、LoRa等。其中LoRa组网为LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网)中具有代表性的一种无线通信技术，不同于其他类型的网络，无线传感器网络由于自身特点导致在其系统内部建立并维护时间同步会面临很多问题：
(1)传感器节点的内部特性通常有主控芯片计算能力不高、存储容量不大、电池能量难以及时补充或更换；外部特性为无线通信链路容易受到噪声干扰。
(2)受制于成本和尺寸，传感器节点大多采用较为低端的晶体振荡器来实现本地时钟。由于器件老化、内部供电电压的变化以及环境中温度、电磁波等因素的影响，节点的本地时间在同步以后还会会产生较为严重的时钟漂移和高频次的时钟跳变，从而累积成一定量的时间偏差。
(3)不同的应用系统对时间同步精度的要求不同，比如一般监测系统中需要达到秒级以上的同步精度，在分布式数据融合/聚合的系统中需达到微秒级别以上的同步精度，在一些高精度的定位应用中甚至要求达到纳秒级。
发明内容
本发明的目的是提供一种多信道lora监测系统多级同步组网方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种多信道lora监测系统多级同步组网方法，包括：
构建多信道无线监测系统，所述多信道无线监测系统包括若干个信道和若干个子网，子网包括若干个节点；
获取GPS时间，基于GPS时间对所有的网关进行时间同步，使所有网关的时间一致；
将未入网的所述节点接入不同信道，基于网关的时间，对所有接入信道的所述节点进行时间同步，使所有所述节点的时间与网关的时间一致。
可选的，获取GPS时间，基于GPS时间对所有的所述网关进行时间同步，使所有网关的时间一致的过程中包括：
所述网关的MCU通过串口通信的方式获取GPS接收机输出的卫星导航报文，基于所述卫星导航报文获取GPS时间，基于所述对所有的所述网关进行时间同步，使所有网关的时间一致。
可选的，GPS授时失败次数超过5次时，基于网络时间对网关进行同步，包括：通过以太网通信获取NTP服务器的时间信息对网关进行同步。
可选的，将未入网的所述节点接入不同信道的过程中包括：
所有的节点在入网时先通过CSMA的方式接入控制信道，然后接收配置参数和时间同步信息，切换到对应的业务通信信道。
可选的，先通过CSMA的方式接入控制信道的过程包括：
采用CSMA随即竞争的信道接入方式对未入网的所述节点进行分配，所述分配方式包括：入网时网关基于接收信噪比对节点进行分配。
可选的，接收配置参数和时间同步信息，切换到对应的业务通信信道的过程中包括：
采用固定分配的方式进行分配，所述固定分配的方式包括：采用以时间划分的时分多址TDMA进行固定分配的信道接入方式对已入网的所述节点进行固定分配。
可选的，采用CSMA随即竞争的信道接入方式对未入网的所述节点进行随机分配的过程中包括：
先对所述控制信道进行侦听，侦听到所述控制信道忙或发生冲突时会延迟随机长度的时间再次侦听，直到得知所述控制信道空闲后对节点进行分配，其中所述侦听采用CAD信道活动检测方法进行侦听。
可选的，采用以时间划分的时分多址TDMA进行固定分配的信道接入方式对未入网的所述节点进行固定分配的过程中：
对每个所述业务通信信道设置不等长的TDMA时帧，并将所述TDMA时帧划分为若干个时隙，基于所述时隙计算每个所述子网的容量上限；
将节点分配到所述业务通信信道上之前需先判断当前子网是否达到容量上限，若未达到容量上限则继续分配，若已达到容量上限则分配到其他信道；
若网关的MCU判断所述多信道无线监测系统中所有子网的容量都达到容量上限后，则所有入网的节点进入休眠状态，经过一个时间同步周期后再次回到所述控制信道开始竞争入网。
可选的，当节点的丢包率较高时，基于PLR的ADR调节方法将其分配至接收灵敏度高、抗干扰能力强的信道上，LoRa网络链路质量的评估指标包括通信丢包率PLR、信噪比SNR和接收信号强度RSSI。
本发明的技术效果为：
(1)本发明提出并实现了基于树型网络结构的多级时间同步方法。通过GPS授时引入外部高精度时钟源，实现网关侧微秒级的同步；通过标记时间戳的方式减小同步过程中不确定时延的影响，并对时钟频率偏差进行补偿，实现了子网同步。提高了多级时间同步的同步精度，具有低开销、易扩展的优势。
(2)本发明提出并实现了多信道同步组网方法。通过多信道CSMA和TDMA混合接入的机制，提高了网络容量和信道利用率。提出了基于PLR的ADR调节方法，实现了稳定可靠的无线通信，提高了无线监测系统网络的鲁棒性和能量效益，降低了系统平均丢包率。对比现有的其他LoRa组网方法，本申请的多信道同步组网的丢包率更低，无线通信更加稳定可靠。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的多级时间同步的层次结构示意图；
图2为本发明实施例中的一级GPS时间同步的流程示意图；
图3为本发明实施例中的一级GPS时间同步的同步精度测试方案示意图；
图4为本发明实施例中的节点时间与网关同步示意图；
图5为本发明实施例中的节点业务通信阶段数据上报示意图；
图6为本发明实施例中的无线传感器网络的信道接入方式示意图；
图7为本发明实施例中的无线监测系统体系结构分层示意图；
图8为本发明实施例中的多信道同步组网流程示意图；
图9为本发明实施例中的多节点CSMA竞争入网的过程示意图；
图10为本发明实施例中的业务通信信道时隙划分示意图；
图11为本发明实施例中的子网时隙分配的流程示意图；
图12为本发明实施例中的多节点TDMA业务数据上报的过程示意图；
图13为本发明实施例中的节点不同状态下的功耗示意图；
图14为本发明实施例中的基于PLR的ADR调节方法对节点的调节流程图；
图15为本发明实施例中的不同LoRa组网方法的平均丢包率示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1-15所示，本实施例中提供一种多信道lora监测系统多级同步组网方法，包括：
从无线传感器网络时间同步算法的同步精度、可扩展性以及同步开销等几个方面出发，设计了多级时间同步方案，包括一级网关同步和二级子网同步，在保证时间同步精度的同时，实现算法的可扩展性和较低的同步开销。
多级时间同步的层次结构如图1所示，其中GPS时间或NTP服务器的时间作为参考层第0级；网关为第1级；在星型子网中，节点通过单跳与网关通信，因此将所有节点都归为第2级。在一级同步中，通过引入的外部时间信号(GPS时间或网络时间)实现网关侧的同步；在二级同步中，通过包含时间信息的消息交互实现子网内的同步。
网关通过GPS接收机接收卫星播放的导航电文，然后提取其中的时间信息来更新本地维护的RTC时间，实现网关侧的高精度时间同步。考虑到GPS设备容易受到地域空间的限制(例如在室内因接收不到信号而无法使用)，提出了基于网络时间协议的时间同步方案。网关采用以太网通信获取NTP服务器的时间信息来进行同步，但是这种方法的同步精度不如GPS时间同步，因此只能作为备选方案。
考虑到成本和功耗，为子网内每个节点配置一个GPS接收机并不现实。此外，节点的计算能力和存储容量较低以及系统网络具有自组织性和动态拓扑的的特点，使得NTP时间同步也不适用。现有的无线传感器网络单跳时间同步机制主要分为两类，即基于发送者-接收者的时间同步和基于接收者-接收者的时间同步。
从子网的星型网络拓扑结构和同步组网机制出发，本申请在网关侧一级时间同步的基础上采用基于发送者-接收者的双向同步机制来实现子网内的同步。节点通过周期性切换到控制信道与网关进行消息交互完成时间同步，然后切换回业务通信信道进行组网，该同步机制具有可扩展性。在子网同步过程中，同步信息搭载在其他数据包上，不需要发送额外的独立同步包，因此具有低同步开销的特性。
考虑到不同节点RTC时钟的晶体振荡器存在的频率偏差以及受温度、电磁波影响产生的时间漂移使得同步之后会迅速累积新的误差的情况，在业务通信阶段利用时间样本值预估节点与网关的频率偏差并进行补偿，使得系统RTC时钟频率趋向一致性，从而提高同步精度。
GPS时间的时钟源是原子钟，采用原子时AT1秒长作为时间基准，GPS时间具有精度高、稳定性好的优点，可满足无线监测系统的应用需要，因此经常被用作信号级时间同步的外部信号源。
GPS全球定位系统的卫星时刻都在产生播报包含自身原子钟的时间信息和星历参数的通信导航报文，位于地面的接收机在接收到报文后通过计算完成本地时间的修正和定位。GPS授时需要借助四颗及以上的卫星的信号，根据导航报文中的卫星坐标信息和接收机的的坐标计算出卫星与接收机之间的真实距离R。
R2＝(XS-X)2+(YS-Y)2+(ZS-Z)2 (3-1)
其中，Xs、Ys、Zs为卫星的三维坐标，X、Y、Z为接收机的空间三维坐标。
通过GPS信号的传输时间和速度得到接收机与卫星之间的伪距R'。考虑到收发双方存在时间不同步以及GPS信号在传播过程中速度会发生变化，接收机与卫星之间的真实距离R和伪距R'的关系见式(3-2)。
R＝R'+Δ+cδ (3-2)
其中c为GPS信号的传播速度，Δ为GPS信号在传输过程中因速度变化而造成的距离误差，δ为卫星与GPS接收机之间的时钟偏差。
卫星通过导航报文中的时间参数来修正自身时间实现与GPS地面基准时间(GPST)的同步；GPS接收机通过跟踪卫星实现与卫星时间的同步。综上所述，接收机在t时刻与GPS地面基准时间的时钟差可由下式计算。
其中Δi(t)和Δj(t)是信号传输路径上电离层和对流层的修正参数；δ'(t)为卫星钟与GPST的钟差。上述参数都可以通过从卫星导航报文中直接或间接得到。GPS接收机根据上式计算出来时钟误差来修正本地时间，输出高精度的秒脉冲信号。
网关获取的UTC时间呈现形式是时、分、秒，直接用这个时间信息来更新RTC时钟会产生较大的误差，若要完成高精度的时间同步需要借助GPS接收机产生的秒脉冲信号。秒脉冲在GPS时间的每个秒周期的开始时刻触发，反映到接收机上就是引脚电平的变化，将UTC时间和PPS秒脉冲结合起来可以在整秒时刻实现同步。利用逻辑分析仪测得GPS接收机串口数据输出与PPS秒脉冲之间的关系。
通道0是秒脉冲的时序图，PPS引脚每秒产生一个占空比为百分之十即100ms的高电平，上升沿可以达到ns级别的精度；通道1是串口接收到的$GNRMC帧命令数据。根据时序图可以发现每个串口输出后都会跟有一个秒脉冲，本申请利用二者的时序特性来实现时间同步，在获取到时间信息后等待下一个PPS秒脉冲的来临，在触发上升沿的那一刻将时间信息秒数加一写进RTC时钟。网关通过GPS接收机的GPS时间更新本地RTC时间的过程如下。
(1)将GPS接收机的秒脉冲输出引脚与主控MCU的I/O引脚相连，设置成EXTI中断上升沿触发，准备接收PPS信号；
(2)将GPS接收机的TX、RX引脚与主控MCU的USART2相连，开启串口接收中断，准备接收GPS接收机的$GNRMC帧命令；
(3)当串口接收中断触发后，在中断处理函数中获得串口数据后根据协议解析帧命令，提取时间信息并暂时保存；
(4)当EXTI中断触发后，在中断处理函数中将GPS时间的秒数加一写入并更新本地的RTC时钟，完成本地时间与GPS时间同步，关闭接收机模块，开启计数器计时；
(5)计时经过一个同步周期后，再次开启GPS接收机模块(温启动或热启动状态)，重复上述过程，实现周期性同步。
一级GPS时间同步算法的实现流程如图2所示。
通过上述方法网关的本地RTC时间与GPS时间形成了同步，当所有网关都完成了GPS时间的获取以及RTC时钟的更新就实现了网关之间的同步。为了评估前一小节所提出的一级GPS时间同步方法的可靠性，设计了测试实验，通过网关RTC时钟秒中断的上升沿的时间差作为网关之间的同步误差。将两块网关RTC秒中断的输出引脚分别连接至逻辑分析仪的通道0和通道1。一级GPS时间同步的同步精度测试方案如图3所示。
同步误差的来源有以下几种：不同GPS接收机之间的时间存在误差；配置更新RTC时钟大约需要两个RTCCLK时钟周期；程序运行或处理中断的时间不同。当两块LoRa网关选用相同的主控芯片且烧录同结构的程序时，可以忽略第三部分误差，因此一级时间同步的误差可以表示为：
其中，Δt为相对同步误差；tgps表示GPS接收机的误差；1/fclk为RTC时钟的时钟周期，当频率越高时这部分误差越小，因此本申请选用了8MHz的高速外部晶振作为RTC的时钟源；ε是一个常系数，取值范围为(0,2]。
一级GPS时间同步的误差如表1所示，在此基础上表2统计出了最大同步误差、平均同步误差和标准差。
表1
表2
通过以上测量数据可以发现一级时间同步的平均精度可以达到0.8μs，最大同步误差不超过1.04μs，实现了网关侧的高精度同步。考虑到RTC时钟之间存在频率偏差包括晶振频率标称误差和温度、器件老化等因素带来的时间漂移，需要在一段时间后继续进行时间同步，为一级同步周期。
根据在18℃的室温条件下测得两块网关RTC时钟的相对漂移量为1.6ppm，当设置一级GPS时间同步的周期为1分钟时，在同步周期内累积的时钟误差约为1.6ⅹ60＝96μs。同步周期越长积累的时间误差越大，因此其长短可根据应用精度需求来设定。
由于GPS设备容易受到地域空间的限制，有时会出现搜索不到卫星信号而导致授时失败的情况。因此本申请在一级时间同步中加入了基于网络时间的备选同步方案，采用NTP服务器授时。NTP协议通过网络使设备同步到UTC时间，再配合时区的调整实现精准同步对时功能。
在基于网络时间的网关同步方案中，网关通过W5500以太网模块与NTP服务器建立UDP通信。网关作为客户端向NTP服务器发送时间同步报文，服务器在收到请求报文后会回复应答报文，客户端在收到回复后根据报文中的时间信息计算出二者的时间差，然后调整本地的RTC时钟，实现网关与NTP服务器的时间同步。
基于网络时间的网关同步的同步精度相较于GPS时间同步会低一个数量级，只能达到毫秒级别。所以基于网络时间的网关同步是一级时间同步的备选方案，在多次GPS授时失败后用于维持网关间的时间同步。
节点通过控制信道与网关通信完成时间同步。因此选取网关的本地时间作为参考时间，网络内的节点根据网关时间调整本地时间，实现同步。时间同步的具体实现过程如图4所示。
第1级网关的接收窗口始终保持打开状态，第2级的节点在入网阶段发出时间同步请求，网关收到请求后会返回包含时间信息的ACK应答包。节点在构造时间同步请求包之前记录本地时间Tns，通过随机竞争获得信道资源的使用权，然后将数据包发送出去。网关在探测到数据包的前导码后开始接收数据，接收完成会触发相应的中断进入到OnRxDone中断处理函数中记录此刻的网关RTC时间Tgr。在构造ACK应答包之前记录网关时间Tgs，然后侦听信道是否被占用，在得知信道空闲后将ACK数据包返回给节点。节点在接收完成时记录本地时间Tnr，提取相关的时间信息。
为保证在节点与网关的上下行通信中具有类似的时延，ACK应答包的数据包长度应和时间同步请求包一样，此外网关在返回消息前要加入信道繁忙检测。根据链路对称性，消息传输过程中产生的时延所造成的不确定性误差可以被减小。假定时间同步请求报文和ACK应答报文传递的通信时延相等为α，节点和网关之间的时间偏差为β，可以得到如下时间关系：
由式(3-13)可以得到通信时延和时间偏差，即：
节点根据计算所得的时间偏差β调整本地时钟，即Tn＝Tn+β，实现与网关时间的同步。
开启节点RTC时钟的秒中断，在中断处理函数中对GPIO引脚的电平进行拉高、拉低操作，比较两个节点同步前后的时钟差异。
为了使节点i和节点j的时钟频率在时域上尽可能满足fi(t)-fj(t)＜δ(δ为一个足够小的数)，需要对时钟频率偏差进行预估并补偿，本申请的实现方法如下。
在业务通信阶段节点每隔一段时间会进行业务数据上报，数据包中会包含本地时间信息Tn，网关在接收到数据包时触发接收中断在中断处理函数中记下本地时间Tg，如图5所示。
存在：
在工作环境稳定的情况下，节点的晶振频率一般不会发生剧烈跳变，可以认为在一段时间内保持不变。由式(3-15)可以得到：
式中k为业务数据的上报次数；ΔT为节点与网关的时间差值；f为节点相对网关的时钟频率偏差。
对于网关存储的k-1个样本点(x1,y1),(x2,y2),…,(xk-1,yk-1),其中xi∈Rn为节点的时间点，等于节点发送时间Tni加通信时延β，建立线性回归模型预测频率补偿参数。定义线性拟合值为：
要使这k-1个样本点落在在线性回归方程附近，需要对于给定yi总能找到εi使得这个等式成立，εi代表预测值与真实值之间的误差。将各观测值和相应的估计值的残差平方和记作/>则残差平方和为：
为了得到更准确的拟合结果需要使残差平方和最小，对求一阶偏导。
令和/>即可求出/>的值。
可以得到线性回归方程，见式(3-23)。
根据中心极限定理可知独立同分布的残差估计量近似服从正态分布。计算得到的估计量/>将是对时钟偏移率c的最优线性无偏估计，其标准差的计算见式(3-24)。
式中S是εi的估计标准差。
由式(3-25)可知，在线性拟合的过程中得到的样本容量与时钟偏移率估计量的标准差成反比。由数学知识可知当/>服从正态分布时，估计量/>也会服从正态分布，那么它的标准分布可由式(3-26)表示。
在时间戳的消息传递过程中无法有效获取时钟偏移率c的实际标准差，只能通过k-1个样本数据中的系数标准差来代替真实的标准差，从而会存在不确定性使得 不再服从正态分布，而是服从自由度为k-2的t分布。
通过查表可以得到t分布中样本容量和置信区间的关系。例如当样本容量为10时，c的双侧90％置信区间为样本容量为20时，c的双侧90％置信区间为/>可以得出结论，业务通信阶段网关的获得的时间戳信息越多，将会得到更精确的时钟偏率。因此在下文的同步组网中，业务通信阶段中上报的每包数据中都会包含时间戳信息。
节点的时钟频率时通过校准寄存器RTC_CALR通过一系列微调(增加和/或减少单独的时钟输入源脉冲)进行校正的。对于32.768KHz的RTC时钟源而言，其校准周期为220个时钟脉冲，即32秒，经过校准后的实际有效频率f为：
其中，CALP为RTC_CALR寄存器的第15位可设置为0或1，当CALP＝0时表示不增加时钟源的脉冲数；当CALP＝1表示在每2048个脉冲中插入一个有效脉冲，在整个校准周期加入512个脉冲。CLAM是寄存器[8:0]的取值，表示负校准，有效值为校准周期内屏蔽的脉冲数。在进行节点时钟频率调整时，需要将CALP和CALM结合使用。当网络内的节点都完成了频率补偿，它们时钟频率就会分布在以网关时钟频率为基准的附近，即mfi＝nfj＝f0，实现了频率偏差的修正。
精确度和健壮性是评判WSN时间同步算法性能的关键指标，同步精度与网络类型和通信模型有关。本申请设计的二级时间同步是基于发送者-接收者机制，通过消息交互实现时间同步，是一个单播通信的过程，其同步误差主要来自以下几个部分。
(1)LoRa数据包的空中传输时间ToA较长，一般为几百毫秒，上行链路和下行链路的时延并不是完全对称相等；
(2)消息交互过程中携带的RTC时间戳最高分辨率只有31μs；
(3)每个节点更新RTC时钟所需要的时间不相等。
二级时间同步的误差可以用式(3-29)来表示，即
式中Δtdel为发送、接收的不对称时延，Δtrtc为RTC时间戳的分辨率误差。
本申请的多级时间同步方法的优势体现在两个方面。首先一级时间同步通过GPS授时，实现网关侧微秒级的高精度同步，使得网络的基准时间更精确。其次二级时间同步通过在接收中断中标记时间戳和节点时钟频率偏差的补偿，减小消息时延对同步精度的影响以及时间偏差的累积速度。因此，同步精度有所提高。从实验结果可以看出，多级时间同步方法的同步精确相较于传统的LoRa星型网络中的主从时间同步提高了55.6％。
在LoRaWAN中，节点以Class A模式与网关进行首次时间同步；之后切换为ClassB，每隔一个信标周期秒打开一次接收窗口，接收网关的同步信标从而实现长期同步。这种同步模式下不能保证广播范围的所有节点每次都能接收到同步信标，对于未完成同步的节点则会影响正常的工作。
与LoRaWAN中的时间同步相比，在本申请的多级时间同步方法中，网络内的节点通过周期性地切换回控制信与网关进行道消息交互获得时间同步信息，而无需在特定的时间段打开接收窗口接收同步信标。当有新的节点加入网络时同样是通过控制信道实现同步，此外控制信道上LoRa的扩频因子为12，无线通信的距离远，可以使节点都尽可能地接入网络。因此多级时间同步方法具有可扩展、低开销的优势。
在无线传感器网络中根据信道资源分配方式的不同，道接入机制在主体上分为按需分配接入、固定分配接入和混合接入三大类，每种接入方式中的典型协议如图6所示。
(1)按需分配接入方式
在这种信道接入机制中，节点之间互为竞争关系共享无线信道资源。当有业务需求时，节点会根据需要获得带宽并在给定的带宽内进行上下行通信业务，结束之后节点会处于空闲状态，将之前分配得到的带宽释放掉。ALOHA协议和CSMA协议是节点通过随机竞争方式获得信道带宽的典型方法。
在ALOHA的基础上，提出了CSMA协议，节点先通过信道侦听评估信道当前时刻的忙闲程度，然后再确定何时接入信道发送数据分组，这一策略有效地提高了信道利用率。CSMA/CA通过引入短控制分组和退避算法可以进一步降低数据冲突的概率。
(2)固定分配接入方式
固定分配的接入机制将无线信道资源被划分为若干个子信道，然后根据预定义的规则分配给多个节点使用，从而避免冲突。常见的信道资源划分方式有以频段划分的频分多址(Frequency Division Multiple Access/Address，FDMA)、以时间划分的时分多址(Time division multiple access，TDMA)和以地址码划分的码分多址(Code DivisionMultiple Access，CDMA)。由于各个逻辑子信道互不重叠，节点可以获得属于自己的带宽资源进行通信业务，因此固定分配接入方式具有稳定性和较高的信道利用率。
(3)混合接入方式
结合上文的分析，每种信道接入方式都有一定的局限性，无法满足同一网络中可能存在的多种应用需求。因此采用混合接入方式，即在组网过程中将一些信道接入方式组合起来使用，通过利用某一类信道接入方式的优势来弥补其余方式的不足。
本申请设计无线监测系统的应用场景的需求主要为采集数据的周期性上传，将多信道分为一个控制信道和七个业务通信信道。考虑到节点在入网之前没有进行时间同步，且入网的时刻是随机的，控制信道采用CSMA随机竞争的信道接入方式。为了减小数据发送产生冲突的概率，提高信道利用率，业务通信信道采用TDMA固定分配的信道接入方式。
LoRa线性扩频调制技术可以通过改变扩频因子，使接收端具有不同的接收灵敏度极限从而达到不同距离的网络覆盖。
LoRa的扩频因子越大，信号传播的距离越远。因此，信道的划分依据是扩频因子和信道中心频率的不同组合，可由式(4-4)表示。
CHi＝(SFi,fi)i＝0,1,…,7 (4-4)
其中i是信道序列号，SF为对应信道的扩频因子，f是每个信道的中心频率。
控制信道的表示方法为CH0(12，800MHz)，即在该信道上进行通信的LoRa收/发双方需设置为SF＝12，f＝800MHz。，当控制网关的扩频因子为12时，接收端的接收灵敏度最高，其无线通信的覆盖可以达到最大范围。监测区域内的节点启动后默认通过控制信道与网关进行消息交互，获得相关配置参数和时间同步信息。
业务通信通道的初始化表示可记为CHy(6+y,800+y MHz)(y＝1,2,…6)。扩频因子的可选用范围为[7,12]，每个信道的通信速率与扩频因子成反比。在一般情况下，距离网关较近的节点会被分配到低序列号信道上，距离远的则会分配到高序列号信道上，形成一个以网关为中心由内到外扩频因子递增的信道模型。节点通过业务通信信道进行数据上报。在平衡数据速率和接收灵敏度的前提下选取信道带宽BW＝125KHz，为进一步提高链路的鲁棒性，设置编码率CR＝4/5，以1MHz的步长区分信道中心频率，使用了800-828MHz范围内共29个频点。
网络结构和通信协议是组网的基础。参考互联网的开放式系统互联通信参考模型，将本申请设计基于LoRa的多信道无线监测系统的网络体系结构进行划分，如图7所示。
结合LoRaWAN协议中通信机制的特点和无线监测系统的应用需求，设计了多信道同步组网的通信协议。该协议包括多种不同类型的消息，具体说明如表3所示。
表3
节点在入网阶段的上行通信中会发送长度为25Bytes的入网请求消息，其帧结构说明如表4所示。
表4
数据包中的第一个字节标识码表示消息类型，用于通信的校验及功能的实现；节点ID相当于节点在网络中的唯一身份标识码，通过软件烧录存储在节点MCU的内部Flash中；数据包的发送指明了发送地址和接收地址，用于接收信息时的校验，避免接收到非期望的数据；历史参数表示上一业务通信阶段节点的配置参数，包括所属子网和时隙，发射功率，频率，扩频因子，带宽，编码率，数据上传周期以及时隙长度；最后两个字节为CRC循环冗余校验的值；预留的8个字节是为了使上行通信与下行通信的时延尽可能相等。网关在收到入网请求包后会返回应答消息，其帧格式如表5所示。
表5
与入网请求消息帧的结构类似，参数配置中包含子网和时隙的分配信息、LoRa通信参数以及时间同步等信息，网关通过ID号返回给指定的节点。节点在收到应答数据包后进行自身参数更新，被分配到相应的子网，同时也完成了网络的二级时间同步。节点在子网内以TDMA的方式进行业务数据的上报，上报的数据帧结构如表6所示。
表6
为了提高通信协议的通用性，在设计节点业务数据包时要传输的采集数据之前加入上数据类型说明，用以区分不同类型的传感器如温度传感器、湿度传感器或测距传感器等采集的数据，便于协议解析和数据提取；使用两个字节来表示包序号；数据包中的RTC时间信息用于时钟频率偏差的估计。
多信道无线监测系统的同步组网的流程如图8所示。
LoRa终端节点的设备类型设计借鉴了Class A和Class B的特点，其工作模式描述如下：
(1)在节点入网阶段通过上行链路发送入网请求包后立即打开接收窗口，准备接收网关下行链路返回的应答包，接收窗口的长度RX_TIMEOUT VALUE应略大于数据包传输时间；
(2)在业务通信阶段提供“非确认信息”的有效通信，即节点在自己的时隙内只上报业务数据而不打开接收窗口，网关对于收到的业务数据不返回ACK；
(3)在多级时间同步的基础上，节点周期性的回到控制信道进行上行通信并打开接收窗口，网关根据节点在上一阶段业务通信的QoS对其进行调节以及重复的时间同步，实现节点的自适应信道调节和网络内设备的时间统一。
处于上述工作模式的LoRa节点在能耗方面具有优势，可以对覆盖区域进行长期稳定地监测。
在使用CSMA随机竞争的方式进行信道接入时，根据侦听信道后的不同处理机制可分为非坚持型CSMA协议、1-坚持型CSMA协议和p-坚持型CSMA协议[52]。非坚持型CSMA协议在发送数据之前先进行信道侦听，当检测到信道忙或发生冲突时会延迟随机长度的时间再次侦听，在得知信道空闲后发送数据；而1-坚持型CSMA在检测到信道忙时会一直侦听除非信道出现空闲；p-坚持型CSMA在侦听到信道空闲时发送数据的概率为p，以1-p的概率延迟至下一个时间槽发送数据。
节点接入控制信道的时刻是不确定的，而且LoRa数据包的传输时间一般为数百毫秒，信道占用时间较长。为减少冲突概率，提高信道利用率，若干个节点在控制信道上发送消息时采用非坚持型CSMA协议。
在扩频调制技术的应用中，传统的RSSI无法判断信道是否被低于接收机底噪声的信号占用。因此LoRa无线通信加入了CAD检测方法，通过信道活动检测器来判断信道的忙闲。无线监测系统的多节点入网过程如图9所示。
LoRa无线通信中从机的CAD周期与设置的射频调制参数有关。当带宽为125KHz时，不同扩频因子的CAD周期如表7所示。
表7
CAD周期的计算见式(4-5)。
TCAD＝1.85×(2SF+32)/BW (4-5)
为提高信道效率，等待的随机时间应满足式(4-6)。
Twait＝random×(TCAD+2×Tpkt) (4-6)
其中random为0到1之间的随机数，Tpkt为空中传输时间。
由上一小节可知在控制信道上入网的数据包长度为25个字节，结合第2章LoRa数据包空中传输时间，因此Twait∈(0,4.008]，单位为秒。
通过直接测量物理信道的性能指标参数信噪比(Singal to noise，SNR)来判断当前的无线传播环境。LoRa节点在入网阶段通过CSMA随机竞争的方式获得控制信道资源的使用权后会发送入网请求数据包，LoRa网关在接收到消息后根据信号的信噪比参数判断节点的距离，为其分配合适的业务通信信道。结合前面章节分析的不同扩频因子具有的信噪比极限，将SNR参数分成6个的阶段，分别对应待分配的业务通信信道CH1-CH6。接收信噪比与信道的分配如表8所示。
表8
节点数据帧在每个业务通信信道上的空中传输时间不同，因此在各信道上设定不等长的TDMA时帧，并将其划分为多个时隙，如图10所示。
由TDMA信道的时隙划分可以计算出无线监测系统中的每个子网的容量上限，见式(4-7)。
其中Tsf为TDMA时帧长度，ts为时隙长度。
如果子网中的节点数量超过这个容量上限n，会使时隙重叠导致信道上发生数据冲突的概率急剧增加。为了避免这种情况，需要对子网容量溢出的情况有相应的处理机制。
(1)设置一个m×n的二维数组timeSolt[m][n]来记录每个子网业务通信信道上的时隙分配情况，其中m为信道序列号减一；n为时隙序列号减一，对应着子网容量上限。二维数组的取值为0或其他大于零的常数k，0代表着该时隙没被占用，k则表示该时隙已被分配给ID号为k的节点；
(2)对于分配到信道x上的节点首先要判断timeSolt[x-1][n-1]是否等于零，若不为零则表示该信道的最后一个时隙已被分配给其他节点，表示子网此时达到容量上限。为保证无线通信的可靠性，节点需跳至抗干扰能力更强的信道上，即信道的序列号加一；
(3)若网关判断系统每个子网的容量都达到上限，则入网的节点进入休眠状态，在经过一个时间同步周期后再次回到控制信道开始竞争入网，重复上述过程。
在动态组网中的子网容量处理溢出机制可以有效避免两个TDMA时帧首尾时隙发生重叠的情况。节点以TDMA固定分配的方式接入指定信道时，网关根据各个子网内业务通信信道的时隙资源使用情况和子网容量上限来分配时隙。动态时隙分配的流程如图11所示。
时隙分配需要遵循几个原则：根据节点入网的次序分配时隙，即有序分配；当有节点退出时，空出的时隙资源会被标记；新加入这个子网的节点优先寻找空时隙插入，使得工作时隙前后相连，即不留空时隙，在程序中的实现过程如下。
(1)节点通过控制信道接入时发送的请求包中会包含节点上一阶段所处的子网信道序列号x1时隙序列号y1，令timeSolt[x1-1][y1-1]＝0；
(2)节点获得新分配的信道x2，若x2＝x1，则分配原来的时隙y1；
(3)若x2≠x1&&timeSolt[x2-1][n-1]≠0，则对timeSolt[x2-1]进行顺序扫描，查找到第一个等于零的元素timeSolt[x2-1][y2-1]，将时隙序列号y2分配给节点；
(4)若timeSolt[x2-1][n-1]＝0，则执行子网容量溢出处理机制，转到步骤(2)，重复上述过程。
在业务通信阶段，LoRa节点在本地RTC时钟的基础上进行TDMA业务数据上报，在自己的时隙内完成数据采集和数据传输，在其余时间进入休眠。业务通信信道上的节点工作状态如图12所示。
数据采集时间twork的长短与具体传感器模块类型和MCU的负载开销及处理速度有关，数据上报时间包括空中传输时间Tpkt和消息时延。在TDMA通信过程中没有开启信道活动检测CAD，消息时延相较于LoRa几十至数百毫秒的空中传输时间可以忽略。因此时隙的长度ts应满足以下条件：
ts＝twork+Tpkt+Δt (4-8)
其中，Δt为预留的时隙保护间隔。
当节点的时间偏差积累到一定程度时，相邻时隙会发生重叠，造成发送的数据包会产生碰撞冲突。业务通信阶段的时间偏差会随着工作时间的累积而逐渐增大，节点的时间偏差ΔC(t)见式(4-9)。
ΔC(t)＝vt+Δt2 (4-9)
其中v为时间偏移率，t是同步之后经过的时间，Δt2为二级时间同步误差。
最小时间保护间隔应满足：
Δtmin＝2×max(ΔC(t)) (4-10)
由于存在周期性时间同步，所以节点在一个周期内累积的最大时间偏差为ΔC(T2)，可以得到二级时间同步周期T2与时隙ts的关系为：
根据式(4-11)可知二级时间同步周期与时隙长度、时间同步误差以及时钟频率偏差补偿的精度有关。
在多信道同步组网中，通过对节点时钟频率偏差的补偿，减小了时钟偏移率。预留的保护时隙的长度会影响二级时间同步的频繁度，可以通过服务器端的物联网云平台在线调整业务通信信道的时隙长度，改变节点的同步周期。
子网关业务通信信道的TDMA时帧为被划为分若干个长度相等的时隙分配给节点。每个时帧的时隙紧密相连又互不相交，既能减小通信冲突又能容纳更多的节点，无线监测系统的节点容量上限为N＝∑ni，能够满足大规模覆盖的应用需求。
在LoRaWAN中为提高网络容量，延长终端设备的使用寿命，采用ADR机制调节节点的通信速率和发射功率。在基础ADR算法中，服务器用接收数据包的最大信噪比SNRmax减去当前信道通信所需的最小信噪比SNRlimit和一个常量，得到信噪比余量SNRmargin并以此来判断当前节点的数据速率和发射功率是否需要调节。
本申请在ADR算法的基础上提出了基于PLR的ADR调节方法，以通信丢包率PLR、信噪比SNR和接收信号强度RSSI作为LoRa网络链路质量评估指标
出于简化通信协议和节约能耗的考虑，在业务通信阶段只存在节点至网关的上行通信。由于没有网关的ACK反馈，节点对于网关是否有效收到业务数据消息就不能及时获悉。虽然在初次入网阶段节点都被分配到合适的信道和对应的时隙，但是真实的信道环境很复杂并不是一直稳定的，具有时变性。因此需要周期性地评估QoS并作出相应调节。先给出本系统中QoS三个指标的计算方式及实现过程。
业务通信阶段节点的PLR的计算见式(4-12)。
其中Sendcnt为节点已经发送的业务数据包数量，由数据包中的包序号表示；Recievecnt为网关成功接收解调的业务数据包数量，由接收端接收中断处理函数中的无符号16位整型变量进行计数。PLR为节点某一业务通信阶段的丢包率，在下一阶段初始会被清空置零。
信道丢包率来反映了子网内的所有节点业务通信成功与否的概率，用以评估信道的整体链路质量。信道丢包率见式(4-13)。
网关将已接收的业务数据包的信噪比记录在一维数组中，对数组求和取平均值可以得到业务通信阶段节点至网关上行通信的平均信噪比SNRaverage。
其中SNRi为单包数据包的接收信噪比；对于未能成功交付的数据包，默认其信噪比为当前信道接收解调所需的最小信噪比。
接收信号强度的均值计算见式(4-15)。
其中RSSIlimit为当前扩频因子条件下能接收到信号的最小接收信号强度。
节点通过定期休眠/唤醒实现低功耗工作模式，在自己的时隙到来时通过RTC闹钟中断唤醒，进行数据采集和数据传输的工作；在其余阶段进入休眠状态。因此节点的工作状态主要有数据采集、信号发射、信号接收和休眠，每个阶段功耗状况见图13。
节点消耗的能量计算见式(4-16)。
其中iW、iT、iR、iS分别为节点数据采集、信号发射、信号接收和休眠时的电流，tW、tT、tR、tS分别为对应状态的持续时间。
如图14所示，基于PLR的ADR调节方法通过降低发射功率减少节点的功耗，该机制实现的调节为：在业务通信阶段受到较为严重的干扰时或持续不断的干扰时，会使接收信噪比出现较大幅度的下降或持续不断的波动，同时通信丢包率会大幅升高，需要节点跳至其他信道或者子网关改变信道中心频率；节点与网关之间的链路有较大的余量时可以考虑优化发射功率；若是节点与网关之间的无线通信质量比较好则可以考虑优化通信时延以提高网络吞吐量。
假设多信道无线监测系统中存在若干个工作节点，当节点完成某一阶段的业务通信，网关执行QoS-ADR信道调节机制。其中θnd为节点丢包率阈值；θgw为信道丢包率阈值；θSNR为信噪比余量阈值；SNRlimit为信噪比极限；θRSSI为接收信号强度余量阈值；RSSIlimit为接收信号强度极限；Txpower为节点发射功率。QoS-ADR信道调节机制的具体实现过程如下。
(1)当PLR>θnd时,分配节点至抗干扰性更强即信道序列号大的信道上，并恢复至默认发射功率。若节点此时处于最大序列号的信道上，则进入休眠周期，然后重新入网。节点在改变信道之前需判断目的子网的容量是否会溢出，如若是则采用子网容量溢出机制；
(2)当PLR<θnd&&(SNRaverage-SNRlimit)<θSNR时分两种情况讨论。若(SNRaverage-RSSIlimit)<θRSSI，节点保留在原信道，不做任何更改；若(RSSIaverage-RSSIlimit)>θRSSI，节点保留在原信道，此时链路余量较大，设定Txpower降低一个等级；
(3)当PLR<θnd&&(SNRaverage-SNRlimit)>θSNR时，分配节点序列号小的信道上以提高通信速率；节点在改变信道之前需判断目的子网容量是否会溢出，如若是则放弃更改，保留在原信道；
(4)网关监测各信道的丢包率，当PLRCHm>θgw时，将信道m的频率按照信道划分表进行改变，实现跳频，子网内的节点需重新入网。
本申请通过MATLAB软件对多信道CSMA和TDMA混合接入机制、ALOHA信道接入和CSMA信道接入进行仿真，分析比较网络吞吐量和通信时延。
为证明多信道同步组网方法的有效性，设计对比实验并进行测试，统计出现有的不同LoRa组网方法在系统运行过程中的平均丢包率。实验条件如下：单信道TDMA组网有5个节点，数据上传周期为10秒，在每个时隙中划定同步时隙；轮询组网有5个节点，轮询周期为10秒；多信道同步组网有20个节点，开启6个信道，包括1个控制信道和5个不同通信速率的业务通信信道，数据采集周期为4至16秒不等。图15是实验结果，现有LoRa组网方法丢包率对比如表9。
表9
从实验结果可以看出，本申请的多信道同步组网相较于单信道TDMA组网或轮询组网等组网方式，在接入更多节点的情况下平均丢包率更低，网络的无线通信更加稳定可靠。
通过多信道CSMA和TDMA的混合接入机制，为节点分配合适信道，提高网络容量；当节点的丢包率较高时，通过基于PLR的ADR调节方法将其分配至接收灵敏度高、抗干扰能力强的信道上；当某个信道上存在较强的干扰时，会改变当前信道的中心频率。多信道同步组网方法实现了规模节点的接入，提高了系统的鲁棒性，有利于系统长时间的稳定运行。
此外，本申请的多信道同步组网可以根据网络状况对发射功率进行合理优化，有效减小了系统能耗。将信噪比大的节点分配至低扩频因子的信道上可以降低通信时延，提高网络吞吐量。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种多信道lora监测系统多级同步组网方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建多信道无线监测系统，所述多信道无线监测系统包括若干个信道和若干个子网，子网包括若干个节点；
获取GPS时间，基于GPS时间对所有的网关进行时间同步，使所有网关的时间一致；
将未入网的所述节点接入不同信道，基于网关的时间，对所有接入信道的所述节点进行时间同步，使所有所述节点的时间与网关的时间一致；
将未入网的所述节点接入不同信道的过程中包括：
所有的节点在入网时先通过CSMA的方式接入控制信道，然后接收配置参数和时间同步信息，切换到对应的业务通信信道；
接收配置参数和时间同步信息，切换到对应的业务通信信道的过程中包括：
采用固定分配的方式进行分配，所述固定分配的方式包括：采用以时间划分的时分多址TDMA进行固定分配的信道接入方式对已入网的所述节点进行固定分配；
采用以时间划分的时分多址TDMA进行固定分配的信道接入方式对未入网的所述节点进行固定分配的过程中：
对每个所述业务通信信道设置一个不等长的TDMA时帧，并将所述TDMA时帧划分为若干个时隙，基于所述时隙计算每个所述子网的容量上限；
将节点分配到所述业务通信信道上之前需先判断当前子网是否达到容量上限，若未达到容量上限则继续分配，若已达到容量上限则分配到其他信道；
若网关的MCU判断所述多信道无线监测系统中所有子网的容量都达到容量上限后，则所有入网的节点进入休眠状态，经过一个时间同步周期后再次回到所述控制信道开始竞争入网。
2.根据权利要求1所述的多信道lora监测系统多级同步组网方法，其特征在于，获取GPS时间，基于GPS时间对所有的所述网关进行时间同步，使所有网关的时间一致的过程中包括：
所述网关的MCU通过串口通信的方式获取GPS接收机输出的卫星导航报文，基于所述卫星导航报文获取GPS时间，基于所述对所有的所述网关进行时间同步，使所有网关的时间一致。
3.根据权利要求1所述的多信道lora监测系统多级同步组网方法，其特征在于，GPS授时失败次数超过5次时，基于网络时间对网关进行同步，包括：通过以太网通信获取NTP服务器的时间信息对网关进行同步。
4.根据权利要求1所述的多信道lora监测系统多级同步组网方法，其特征在于，先通过CSMA的方式接入控制信道的过程包括：
采用CSMA随机竞争的信道接入方式对未入网的所述节点进行分配，所述分配方式包括：入网时网关基于接收信噪比对节点进行分配。
5.根据权利要求4所述的多信道lora监测系统多级同步组网方法，其特征在于，采用CSMA随机竞争的信道接入方式对未入网的所述节点进行随机分配的过程中包括：
先对所述控制信道进行侦听，侦听到所述控制信道忙或发生冲突时会延迟随机长度的时间再次侦听，直到得知所述控制信道空闲后对节点进行分配，其中所述侦听采用CAD信道活动检测方法进行侦听。
6.根据权利要求1所述的多信道lora监测系统多级同步组网方法，其特征在于，当节点的丢包率较高时，基于PLR的ADR调节方法将其分配至接收灵敏度高、抗干扰能力强的信道上，LoRa网络链路质量的评估指标包括通信丢包率PLR、信噪比SNR和接收信号强度RSSI。
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| CN109639537A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-04-16 | 深圳市银河风云网络系统股份有限公司 | 一种tdma自动协商速率的高速数据传输方法 |
| CN111754719A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-10-09 | 国网湖北省电力有限公司黄石供电公司 | 基于物联网和多种传感器融合的电缆消防联动系统及方法 |
-
2022
- 2022-06-02 CN CN202210619841.5A patent/CN115066010B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101778405A (zh) * | 2010-01-05 | 2010-07-14 | 武汉理工大学 | 结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "基于ＬｏＲａ的农田信息无线采集方案设计";孙天柱等;《计算机测量与控制》;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115066010A (zh) | 2022-09-16 |
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