CN115119216B - 一种常供电的LoRaWAN网络通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常供电的LoRaWAN网络通信方法及系统，涉及LoRaWAN物联网技术领域，解决了现有LoRaWAN网络盲区的终端无法正常接入网络，增加中继会增加延迟，且通讯效率低的技术问题。该方法包括步骤：S100：终端与网关均与LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；S200：终端通过LoRa中继设备与网关进行上行通信，LoRa中继设备判断终端是否为首次中继；S300：LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间，并将新窗口接收时间、新窗口延时时间发送给终端；S400：终端根据新窗口接收时间、新窗口延时时间重新设置收发频率参数；S500：终端、LoRa中继设备和网关根据收发频率参数进行通信。本发明用于提供一种用于LoRaWAN网络补盲、通讯效率高的通信方法及系统。

Description

一种常供电的LoRaWAN网络通信方法及系统

技术领域

本发明涉及LoRaWAN物联网技术领域，尤其涉及一种常供电的LoRaWAN网络通信方法及系统。

背景技术

LoRaWAN是LoRa联盟发布的一个基于开源MAC层协议的低功耗广域网通信协议。主要为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络通信协议。LoRaWAN定义了网络的通讯协议和系统架构，而LoRa物理层能够使长距离通讯链路成为可能。LoRaWAN自下而上设计，为电池寿命、容量、距离和成本而优化了LPWAN（低功耗广域网）。对于不同地区给出了一个LoRaWAN规范概要，以及在LPWAN空间竞争的不同技术的高级比较。

现有的LoRaWAN中继方案为电池供电方案的LoRa中继设备工作方式为：终端设备按照LoRaWAN协议标准流程尝试入网激活，在指定的中继信道上以指定的数据速率发送唤醒信号，尝试唤醒电池供电的LoRa中继设备。发送完唤醒信号后，终端设备即认为LoRa中继设备已被唤醒，继续通过中继尝试入网和与LoRaWAN网络通信。

但由于障碍物遮挡等因素，终端存在无法与LoRa中继设备正常通信，激活失败的可能性。此时，LoRaWAN网络存在盲区，盲区内的终端设备需要通过增加中继，建立多个中继链路加入网络，才能进一步扩展LoRaWAN网络的覆盖。但进一步的，多个中继链路的增加必定会增加通信延迟，降低通讯效率。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有的LoRaWAN网络盲区的终端无法正常接入网络，增加中继会增加通信延迟，且通讯效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常供电的LoRaWAN网络通信方法及系统，以解决现有技术中存在的现有LoRaWAN网络盲区的终端无法正常接入网络，增加中继会增加通信延迟，且通讯效率低的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种常供电的LoRaWAN网络通信方法，包括步骤：

S100：终端与网关均与LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；

S200：所述终端通过所述LoRa中继设备与所述网关进行上行通信，所述LoRa中继设备判断所述终端是否为首次中继；若是，则执行S300步骤；若否，则维持初始窗口接收时间和初始窗口延时时间不变，并转入S500步骤；

S300：所述LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间，并将所述新窗口接收时间、新窗口延时时间发送给所述终端；

S400：所述终端根据所述新窗口接收时间、新窗口延时时间重新设置收发频率参数；

S500：所述终端、LoRa中继设备和网关根据所述收发频率参数进行通信。

优选的，所述终端与所述LoRa中继设备工作的所述LoRa射频信道为上行中继信道；所述LoRa中继设备与所述网关工作的所述LoRa射频信道为下行中继信道；所述上行中继信道、下行中继信道均工作于LoRaWAN Class C模式。

优选的，所述终端工作于LoRaWAN Class A模式。

优选的，所述S300步骤中，所述LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间的具体过程为：

S310：所述LoRa中继设备根据所述上行中继信道中发送的上行数据速率生成所述新窗口接收时间；

S320：所述LoRa中继设备记录所述终端的所述初始窗口延时时间和初始收发频率；

S330：所述LoRa中继设备根据所述下行中继信道中发送的下行数据速率和所述终端的地址生成过程窗口延时时间；

S340：所述LoRa中继设备将所述初始窗口延时时间、过程窗口延时时间进行相加计算后获得所述新窗口延时时间。

优选的，所述LoRa中继设备只有一个信道时，所述上行中继信道、下行中继信道共用所述LoRa射频信道，所述LoRa中继设备只能为半双工模式工作；所述LoRa中继设备有多个信道时，可自由配置所述LoRa射频信道为所述上行中继信道或所述下行中继信道，所述LoRa中继设备为半双工模式或全双工模式工作。

优选的，每个所述上行中继信道分别工作于指定的收发频率和数据速率，所述下行中继信道工作的收发频率和数据速率由所属的频段地区和网关参数决定。

此外，本发明还提供了一种常供电的LoRaWAN网络通信系统，包括终端、LoRa中继设备和网关；所述终端、网关均与所述LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；所述LoRa射频信道均工作于LoRaWAN Class C模式。

优选的，所述终端首次触发中继行为时，所述LoRa中继设备根据所述终端上下行的数据速率重新配置所述终端的窗口接收时间和窗口延时时间。

优选的，所述通信系统还包括被中继设备；所述网关用于所述终端与所述被中继设备之间中继消息，所述被中继设备相对于所述终端所属的LoRaWAN网络，工作于LoRaWANClass A模式。

优选的，所述被中继设备与所述终端的上行中继信道工作的收发频率和数据速率保持一致。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明通过在终端首次触发中继行为时，由LoRa中继设备根据终端的数据速率重新配置其窗口接收时间和窗口延时时间，保证终端能够正常入网后，即使在中继行为增加了通信延迟时，仍能接收到网络下行数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明实施例一的方法流程图；

图2是本发明实施例一的S300步骤的具体流程图；

图3是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例一：如图1所示，本发明提供了一种常供电的LoRaWAN网络通信方法，包括步骤：S100：终端与网关均与LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；S200：终端通过LoRa中继设备与网关进行上行通信，LoRa中继设备判断终端是否为首次中继；若是，则执行S300步骤；若否，则维持初始窗口接收时间和初始窗口延时时间不变，并转入S500步骤；S300：LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间，并将新窗口接收时间、新窗口延时时间发送给终端；S400：终端根据新窗口接收时间、新窗口延时时间重新设置收发频率参数；S500：终端、LoRa中继设备和网关根据收发频率参数进行通信。具体的，LoRa物联网络采用的是LoRaWAN协议，从而其组网方式一般采用的是协议中的星形拓扑网络，星形拓扑网络的组网方式属于单跳网络，传感器终端与网关直接通信，再由网关将数据透传至服务器。在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的终端节点与网关之间均是双向通信。本发明用于既存LoRaWAN网络补盲，不必对现存终端节点进行软件升级，只需利用其提供的配置接口修改射频收发参数，适配中继信道即可。本发明通过在终端首次触发中继行为时，由LoRa中继设备根据终端的数据速率重新配置其窗口接收时间和窗口延时时间，保证终端能够正常入网后，即使在中继行为增加了通信延迟时，仍能接收到网络下行数据。

作为可选的实施方式，终端与LoRa中继设备工作的LoRa射频信道为上行中继信道；LoRa中继设备与网关工作的LoRa射频信道为下行中继信道；上行中继信道、下行中继信道均工作于LoRaWAN Class C模式。具体的，LoRaWAN协议定义了三种终端的工作模式，即Class A、Class B和Class C。LoRa中继设备与终端通信的LoRa射频收发信道（上行中继信道）和与网关通信的LoRa射频收发信道（下行中继信道）均工作于LoRaWAN Class C模式，能够保证数据中继的实时性。Class C模式的终端基本是一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。Class C的终端会比Class A和Class B更加耗电，但同时从服务器下发给终端的时延也是最短的。本发明中的LoRa射频信道以常供电Class C模式在LoRaWAN终端和网关间建立中继链路，能够扩展LoRaWAN网络覆盖。

作为可选的实施方式，被中继设备与网关通信连接，相对于终端所属的LoRaWAN网络，工作于LoRaWAN Class A模式。具体的，Class A模式是最省电的，原因就在于它的工作模式。Class A的终端在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输。但是，如果终端不上报数据，服务器就无法主动进行下行传输。这种Class A操作是最省电的，要求应用在终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。服务器在其他任何时间进行的下行传输都得等终端的下一次上行。被中继设备均应被所属LoRaWAN网络视为Class A模式终端，无论其被配置成Class A、B或C中的哪种模式。只有当网关传输数据给被中继设备时，被中继设备才能进行下行传输，这样设置更便于终端设备省电。

作为可选的实施方式，如图2所示，S300步骤中，LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间的具体过程为：S310：LoRa中继设备根据上行中继信道中发送的上行数据速率生成新窗口接收时间；S320：LoRa中继设备记录终端的初始窗口延时时间和初始收发频率；S330：LoRa中继设备根据下行中继信道中发送的下行数据速率和终端的地址生成过程窗口延时时间；S340：LoRa中继设备将初始窗口延时时间、过程窗口延时时间进行相加计算后获得新窗口延时时间。具体的，终端向LoRa中继设备进行上行通信时，是按照物理层默认的的窗口接收时间、窗口延时时间与LoRa中继设备进行数据的收发。当LoRa中继设备确认该终端为首次中继，即首次接入该LoRaWAN网络时，需要根据其网关与LoRa中继设备下行通信的数据收发速率对新加入中继的延时进行计算，以终端数据速率越低延迟越大的原则，让终端更晚打开接收窗口。实时更新终端与LoRa中继设备的数据收发参数，才能保证终端能够正常入网后，即使在中继行为增加了通信延迟时，仍能接收到网络下行数据。

作为可选的实施方式，LoRa中继设备只有一个信道时，上行中继信道、下行中继信道共用LoRa射频信道，LoRa中继设备只能为半双工模式工作；LoRa中继设备有多个信道时，可自由配置LoRa射频信道为上行中继信道或下行中继信道，LoRa中继设备为半双工模式或全双工模式工作。具体的，采用一个还是多个射频收发信道实现中继，取决于每个LoRa中继设备需要中继的终端规模。如只有一个信道，则上下行中继信道共用一个LoRa射频收发信道，LoRa中继设备只能以半双工方式工作，即转发某终端数据时将不能接收其它终端的数据。当采用具有多个LoRa射频收发信道时，每个信道用于上行中继还是下行中继取决于用户配置。

作为可选的实施方式，每个上行中继信道分别工作于指定的收发频率和数据速率，下行中继信道工作的收发频率和数据速率由所属的频段地区和网关参数决定。具体的，每个上行中继信道分别工作于指定的收发频率和数据速率，被中继的设备应与此保持一致，这是为了降低成本和实现复杂度。

实施例二：此外，如图3所示，本发明还提供了一种常供电的LoRaWAN网络通信系统，包括终端、LoRa中继设备和网关；终端、网关均与LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；LoRa射频信道均工作于LoRaWAN Class C模式。具体的，通信系统只需利用其提供的配置接口修改LoRa射频信道的收发参数，适配中继信道，就能完成网关与终端的信息中继。

作为可选的实施方式，终端首次触发中继行为时，LoRa中继设备根据终端上下行的数据速率重新配置终端的窗口接收时间和窗口延时时间。具体的，由于增加的中继会增加相应的通信延时，通过LoRa中继设备转发数据的行为会造成通信时间的增加。除LoRa中继设备须在终端首次触发中继行为时，对终端的窗口接收时间和窗口延时时间进行重新设置。以终端数据速率越低延迟越大的原则，让终端更晚打开接收窗口。被中继时，每种数据速率对应的窗口接收时间由LoRa中继设备自动计算得到，或由用户指定。

作为可选的实施方式，通信系统还包括被中继设备；网关用于终端与被中继设备之间中继消息，被中继设备相对于终端所属的LoRaWAN网络，工作于LoRaWAN Class A模式。具体的，被中继设备均应被所属LoRaWAN网络视为Class A模式终端，无论其被配置成ClassA、B或C中的哪种模式。终端向网关进行上行传输数据，由网关转发给被中继设备。只有当网关传输数据给被中继设备时，被中继设备才能进行下行传输，这样设置更便于终端设备省电。

作为可选的实施方式，被中继设备与终端的上行中继信道工作的收发频率和数据速率保持一致。具体的，每个上行中继信道分别工作于指定的收发频率和数据速率，被中继设备应与此保持一致，这是为了降低成本和实现复杂度。

实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种常供电的LoRaWAN网络通信方法，其特征在于，包括步骤：

S100：终端与网关均与LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；

S200：所述终端通过所述LoRa中继设备与所述网关进行上行通信，所述LoRa中继设备判断所述终端是否为首次中继；若是，则执行S300步骤；若否，则维持初始窗口接收时间和初始窗口延时时间不变，并转入S500步骤；

S300：所述LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间，并将所述新窗口接收时间、新窗口延时时间发送给所述终端；

S400：所述终端根据所述新窗口接收时间、新窗口延时时间重新设置收发频率参数；

S500：所述终端、LoRa中继设备和网关根据所述收发频率参数进行通信；

所述终端与所述LoRa中继设备工作的所述LoRa射频信道为上行中继信道；所述LoRa中继设备与所述网关工作的所述LoRa射频信道为下行中继信道；所述上行中继信道、下行中继信道均工作于LoRaWAN Class C模式；所述终端工作于LoRaWAN Class A模式；

所述S300步骤中，所述LoRa中继设备生成新窗口接收时间和新窗口延时时间的具体过程为：

S310：所述LoRa中继设备根据所述上行中继信道中发送的上行数据速率生成所述新窗口接收时间；

S320：所述LoRa中继设备记录所述终端的所述初始窗口延时时间和初始收发频率；

S330：所述LoRa中继设备根据所述下行中继信道中发送的下行数据速率和所述终端的地址生成过程窗口延时时间；

S340：所述LoRa中继设备将所述初始窗口延时时间、过程窗口延时时间进行相加计算后获得所述新窗口延时时间；

所述LoRa中继设备只有一个信道时，所述上行中继信道、下行中继信道共用所述LoRa射频信道，所述LoRa中继设备只能为半双工模式工作；所述LoRa中继设备有多个信道时，可自由配置所述LoRa射频信道为所述上行中继信道或所述下行中继信道，所述LoRa中继设备为半双工模式或全双工模式工作。

2.根据权利要求1所述的一种常供电的LoRaWAN网络通信方法，其特征在于，每个所述上行中继信道分别工作于指定的收发频率和数据速率，所述下行中继信道工作的收发频率和数据速率由所属的频段地区和网关参数决定。

3.一种常供电的LoRaWAN网络通信系统，其特征在于，应用于权利要求1所述的常供电的LoRaWAN网络通信方法，包括终端、LoRa中继设备和网关；所述终端、网关均与所述LoRa中继设备通信连接，通过一个或多个LoRa射频信道建立通信链路；所述LoRa射频信道均工作于LoRaWAN Class C模式。

4.根据权利要求3所述的一种常供电的LoRaWAN网络通信系统，其特征在于，所述终端首次触发中继行为时，所述LoRa中继设备根据所述终端上下行的数据速率重新配置所述终端的窗口接收时间和窗口延时时间。

5.根据权利要求3所述的一种常供电的LoRaWAN网络通信系统，其特征在于，所述通信系统还包括被中继设备；所述网关用于所述终端与所述被中继设备之间中继消息，所述被中继设备相对于所述终端所属的LoRaWAN网络，工作于LoRaWAN Class A模式。

6.根据权利要求5所述的一种常供电的LoRaWAN网络通信系统，其特征在于，所述被中继设备与所述终端的上行中继信道工作的收发频率和数据速率保持一致。