CN115299175A - Lorawan网关网络和方法 - Google Patents

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CN115299175A CN202180013906.5A CN202180013906A CN115299175A CN 115299175 A CN115299175 A CN 115299175A CN 202180013906 A CN202180013906 A CN 202180013906A CN 115299175 A CN115299175 A CN 115299175A
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丹尼尔·霍洛斯
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Abstract

本发明涉及低功率广域网(LPWAN)、尤其是长距离广域网(LoRaWAN)、即在区域、国家或甚至全球网络中的无线电池供电系统的规范的扩展，以提供解决方案，通过所述解决方案，LoRaWAN兼容终端装置也受益于范围扩展，这通过将网关划分为若干个前端网关和至少一个边界网关来实现，所述若干个前端网关经由无线多跳通信网络彼此通信。

Description

LORAWAN网关网络和方法
本发明涉及用于低功率广域网(LPWAN)、尤其是长距离广域网(LoRaWAN)、即在区域、国家或甚至全球网络中的无线电池供电系统的规范的扩展。LoRaWAN服务于物联网(IoT)的关键要求，特别是安全双向通信、本地化和移动性。LoRaWAN规范是分层协议(媒体访问控制MAC)，并且被设计用于具有单个运营商的大型公共网络。它是基于Semtech公司的LoRa调制方案，并且提供不同的系统和技术的无缝协作，而无需不灵活、局部、复杂的装置。
LoRaWAN的网络架构典型地构建在星形拓扑中，其中网关充当在终端装置与中央网络服务器、终端装置和后端之间中继消息的透明网桥。网关经由标准IP连接连接到对应的网络服务器，而终端装置使用到一个或多个网关的单跳无线通信(LoRa)。端点通信通常是双向的，并且还支持例如多播的操作，从而使得软件能够空中或以其他方式升级以用于批量分发消息来减少空中通信的传输时间。在网关与终端装置之间的通信遍布不同的数据速率和频率信道，其中数据速率的选择是在消息持续时间与通信范围之间的权衡。通过所谓的扩展频谱技术，以不同的数据速率的通信彼此干扰，从而创建增加了相应的网关的容量的一系列虚拟信道。LoRaWAN数据速率的范围为从0.3kbps至多达50kbps。为了最大化总体网络容量和终端装置的电池寿命，LoRaWAN网络服务器使用自适应数据速率方案单独地管理所有的终端装置的RF输出和数据速率。虽然LoRaWAN定义了网络的通信协议和系统权限，但是LoRa层实现宽范围无线通信链路。LoRa涉及具有非常低的功率消耗的无线通信。LoRaWAN是指使用LoRa芯片进行通信的网络协议，并且是基于可用几乎42个信道监视具有多个扩频因子的八个频率的基站。凭借其星形拓扑(LoRaWAN)和节能的信号传输技术(LoRa)，LoRaWAN网络技术被专门地设计用于物联网中的终端装置的高能效且安全的联网，并且也特别地适合于户外使用。
此物联网对所使用的网络技术提出了各种需求。该架构被设计用于数千种终端装置，这些终端装置可位于遥远、人口稠密和无人居住的区域以及难以接近的地方，并且包括监视水流或灌溉系统的传感器以及消耗量表还有更多装置。户外应用的要求必须安全地支持电池供电的终端装置，同时极大地简化安装和维护，因此只能考虑通信操作。还必须考虑到终端装置的严格的功率消耗规范，因为它们必须仅靠单个电池运行若干年。
LoRa具有特别低的能量消耗，并且是基于根据美国专利US7791415B2的啁啾频率扩展调制。使用许可由Semtech公司颁发。LoRa使用在低于1GHz的范围内的免许可通信频率，诸如欧洲的433MHz和868MHz或者澳大利亚和北美的915MHz，并且由此，以非常低的能量消耗在乡村区域实现超过10公里的范围。LoRa技术一方面由物理LoRa协议组成，并且另一方面由LoRaWAN协议组成，其作为上网络层由行业联合体“LoRa联盟”定义和管理。LoRaWAN网络借助在终端装置与中央网络服务器之间的网关消息包来实现星形架构。网关(也称为集中器或基站)经由标准互联网协议连接到网络服务器，而终端装置经由使用LoRa(啁啾扩展频谱调制)或FSK(频率调制)的通信与相应的网关通信。因此，连接是单跳网络，其中终端装置与一个或多个网关直接地通信，然后，该一个或多个网关将数据流量转发到互联网。相反地，从网络服务器到终端装置的数据流量仅经由单个网关路由。数据通信基本上在两个方向上进行，但是从终端装置到网络服务器的数据流量是典型应用和主导操作模式。通过以极低的能量消耗桥接更大距离，LoRaWAN特别地适合于在住宅区域之外的IoT应用，诸如用于自动灌溉系统或测量农业中的环境参数。
在物理层面，与用于IoT应用的其他通信协议一样，LoRaWAN使用扩展频谱调制。它的不同之处在于使用基于啁啾信号的自适应技术，这与常规的DSSS(直接序列扩展频率信令)不同。啁啾信号提供了在接收灵敏度与最大数据速率之间的折衷。啁啾信号是频率随时间而变化的信号。LoRaWAN技术的实施低廉，因为它不依赖于精确的时钟源。LoRa的范围在乡村区域扩展到40公里。在城市，优点是良好的建筑物穿透，甚至可到达地下室。功率要求非常低，在待机模式下约10nA和100nA。因此，可实现长达15年的电池寿命。
除了物理层，LoRa/LoRaWAN定义了另外两个层。层2是LoRaWAN链路层，它提供了基于循环冗余校验的基本消息完整性保护并实现基本点对点通信。第三层增加了网络协议功能，该网络协议功能由LoRaWAN定义。LoRaWAN协议允许终端装置使用网关(也称为集中器或基站)向互联网发送数据和从互联网接收数据、尤其是向云应用发送数据和从云应用接收数据。
终端装置存在不同的变型。A类包括根据ALOHA访问过程的通信。通过该过程，装置将其生成的数据包发送到网关，接着是可用于数据接收的两个下载接收窗口。新的数据传送只能由终端装置在新的上传期间发起。另一方面，B类终端装置在指定时间打开下载接收窗口。为此目的，终端装置从网关接收时间控制的信标信号。以此方式，网络服务器知道终端装置何时准备好接收数据。C类终端装置具有持久打开的下载接收窗口，并且由此持久处于活动状态，但是也增加了功率消耗。
LoRaWAN使用星形网络架构，其中所有的终端装置经由最适当的网关通信。这些网关负责路由，并且如果在终端装置的范围内存在多于一个网关并且本地网络过载，则它们还可将通信重定向到替代物。
另一方面，一些其他IoT协议(例如ZigBee或Z-Wave)使用所谓的网状网络架构来增加终端装置与网关的最大距离。网状网络的终端装置彼此转发消息，直到消息到达网关，网关将消息传输到互联网。网状网络是自编程的，并且动态地适应于环境条件，而无需主控制器或层次结构。然而，为了能够转发消息，网状网络的终端装置必须准备好一直或按规律间隔接收，并且无法长时间段处于待机状态。结果是终端装置向网关转发消息和从网关转发消息需要更高能量，并且造成电池寿命的缩短。
另一方面，LoRaWAN的星形网络架构允许终端装置(尤其是A类和B类)长时间段使其自身处于省电待机模式，并且由此确保终端装置的电池尽可能少地负载，并且由此可在不更换电池的情况下运行若干年。网关充当更适合于资源受限的终端装置的针对电池寿命优化的简单协议(LoRa/LoRaWAN)和用于提供IoT服务和应用的互联网协议(IP)之间的网桥。在网关经由LoRa/LoRaWAN从终端装置接收到数据包之后，它经由互联网协议(IP)将数据包发送到网络服务器，该网络服务器又具有通向IoT平台和应用程序的端口。
然而，现有的LoRaWAN网络还具有不期望的限制。一个这种限制特别是在网关与网络服务器之间使用标准IP协议。尤其是在其中用于移动通信(3G、4G/LTE或甚至5G)的网络覆盖稀疏或不存在并且有线互联网连接的成本太高的乡村区域使用时，网关通常由于缺乏互联网连接而无法操作。因此，到目前为止，LoRa网络只能在不超过连接到互联网的网关与终端装置之间的最大通信范围的情况下使用。由于星形网络架构，LoRaWAN网络的范围由此被限制在网关与终端装置之间的单跳连接的最大范围。此限制特别地适用于既没有有线互联网连接也没有合适的移动网络覆盖(5G、4G/LTE、3G)的偏远、乡村区域。
已经知道，可通过将终端装置网状化来增加通信网络的范围，并且由此，可解除单个通信连接的范围限制。在这些所谓的网状多跳通信网络中，终端装置彼此通信并在它们间传递数据而无需任何特殊的层次结构，直到终端装置可最终地将数据传递到网关。
虽然在终端装置中实现这种网状多跳通信网络通过将数据包从一个终端装置转发到另一个终端装置来解决从网关到终端装置的范围限制的问题，但是它与LoRaWAN规范不兼容，因为这里使用具有附加的网状功能的特殊终端装置。由于标准LoRaWAN终端装置只能直接地联系网关，而不能与其他终端装置直接地通信，因此标准LoRaWAN终端装置无法通过该范围扩展进行操作。因此，通过在终端装置中实现网状多跳通信网络进行的范围扩展与LoRaWAN网络标准不兼容。
这种情况的示例是来自PyCom公司的LoRa终端装置的开发平台(LoPy4和FiPy)，通过该平台，可在LoRa终端装置中实现多跳通信网络，类似于ZigBee或Z-Wave。虽然此开发平台可通过将数据包从一个终端装置转发到另一个终端装置来解决从终端装置到网关的范围限制的问题，但是它与LoRaWAN规范不兼容，因为它允许网状功能只在基于LoPy4或FiPy的终端装置之间工作。现有的LoRaWAN终端装置无法受益于该范围扩展，因为它们只能直接地联系网关，并且无法跨其他终端装置与网关间接地通信。
一种在WiFi领域中实现网状网络架构的方法是802.11s标准，该标准定义了WLAN网络的确定性访问过程，该确定性访问过程使用时间段而不是对共享介质的竞争访问。对于在节点之间的路由，802.11s不使用IP路由协议，而是使用MAC层，以便考虑到通信链路的具体和不断改变的特性。这里，通常使用专门为网状网开发的混合无线网状协议。802.11s标准提供用于数十个彼此连接的接入点的安装。经由若干个接入点(也称为多跳)转发是普通情况。在极端情况下，只需将这些接入点中的一者连接到LAN或WAN。每个节点可执行一种、两种或三种不同的网络功能：网状点将数据传递给下一个节点，网状接入点与终端装置交换数据，并且网状点门户形成通向有线网络世界的网关。对于终端装置，网状网络看起来像简单的WLAN。由于802.11s标准是针对WLAN网络架构定义的，因此无法将此标准直接地应用于又基于LoRa通信标准的LoRaWAN网络。
增加LoRaWAN网络的范围限制而不必接受与现有的LoRaWAN终端装置的不兼容性的有利解决方案是在网关中实现网状功能。如果用网状网关扩展LoRaWAN网络，则可用LoRaWAN网络在无法访问互联网的区域中实现更大范围或区域覆盖。这只要求经由IP协议连接到网络服务器的单独网关。由于在网关与终端装置之间的通信协议可保持不变，因此该解决方法维持与现有的LoRaWAN终端装置的兼容性，并且不要求对终端装置进行任何调适以适应网状功能。然而，在这里，无限的网络大小也不可能，因为根据LoRaWAN协议，A类终端装置只有两个接收窗口，并且因此它们期望响应的时间跨度是受限的。如果超过此时间，则发生超时错误，并且与至少这一终端装置的通信发生故障。因此，由于响应的运行时扩展，这种LoRaWAN网状网关网络的最大大小被限制为几跳。
因此，本发明的目标是提供一种用于从网络服务器到终端装置的范围限制的解决方案，通过该解决方案，现有的LoRaWAN兼容终端装置也受益于范围扩展而不必在终端装置中实现附加的功能或在使用终端装置时限制于C类终端装置。
为了解决这个目标，本发明提出了一种LoRaWAN网状网关网络，该LoRaWAN网状网关网络包括至少一个网络服务器、多个网关和多个终端装置。根据本发明，至少一个网关包括ACK生成单元。ACK生成单元适于生成ACK信号(来自英文“acknowledgement(确认)”)。在数据传输期间使用ACK信号来确认数据包的接收。ACK信号确保从终端装置到网关的消息被正确地发送到网关。终端装置不要求具有持久活动的下载接收窗口，并且因此不要求持久活动，与在C类终端装置的情况下一样，但是也可以是例如根据LoRaWAN规范的A类或B类终端装置。因此，功率消耗和终端装置的使用寿命增加。
在本发明的另一个实施方案中，ACK信号生成单元包括处理器和存储器。处理器和存储器是标准部件，并且因此制造低廉。
在本发明的有利实施方案中，LoRaWAN网状网关网络具有不同的网关类型。网关类型在用于与其他网关、网络服务器或终端装置的通信的通信端口和所产生的通信类型方面有所不同。
在本发明的另一个实施方案中，LoRaWAN网状网关网络具有边界网关和前端网关。将网关划分为前端网关和边界网关显著地扩展了LoRaWAN网络的范围，同时仍然允许使用LoRaWAN兼容终端装置，所述终端装置可一直分布并联网到用常规的通信网络无法到达的不能通行的区域。
在本发明的有利实施方案中，前端网关包括ACK信号生成单元。前端网关与其他网关以及一个或多个终端装置通信。借助将ACK信号从前端网关发送到终端装置，确保从终端装置到网关的消息被正确地发送到网关。终端装置不必具有持久活动的下载接收窗口，并且因此不要求持久活动，与在C类终端装置的情况下一样，但是也可以是例如根据LoRaWAN规范的A类或B类终端装置。因此，功率消耗和终端装置的操作时间增加。
在本发明的另一个实施方案中，前端网关具有用于与终端装置的通信的第一前端网关通信端口和用于与另一个前端网关和/或边界网关的通信的第二前端网关通信端口。前端网关和边界网关经由网状多跳网络借助第一通信端口彼此连接，使得前端网关在与终端装置通信时不需要直接连接。终端装置借助单跳通信网络经由第二通信端口直接地连接到前端网关。
在本发明的意义上的ACK生成单元是集成到网关中的子服务器单元，其根据LoRaWAN协议执行意图用于网络服务器的功能和目标。在本发明的意义上的ACK信号是存储在网关上或由网关生成的消息、命令和功能。它们可包括LoRaWAN协议的以下MAC命令(LoRaWAN 1.1规范，2017年10月11日(最终版)：
·确认的上行链路(UL)-尽力而为
·确认的UL-任务关键消息的端对端确认
·下行链路(DL)
·确认的DL
·ResetInd、ResetConf(第5.1节)
·LinkCheckReq、LinkCheckAns(第5.2节)
·RekeyInd、RekeyConf(第5.10节)
·DeviceTimeReq、DeviceTimeAns(第5.12节)
·加入请求、加入接受(第6.2.2节、第6.2.3节)
在本发明的另外的实施方案中，每个前端网关适合于使用单跳LoRa或使用LoRaWAN协议的FSK与多个终端装置进行无线点对点通信。这允许根据本发明的网络及其部件(网关、终端装置)一直分布并链接到用常规的通信网络无法到达的不能通行的区域。
在本发明的另一个实施方案中，前端网关和边界网关与多个网状网关装置组合，并且网状网关装置中的至少一者不具有直接IP连接。前端网关和边界网关经由多跳网状网络互连，使得前端网关不需要直接连接。本发明通过使用前端网关互连多跳网络来实现LoRaWAN网络的范围扩展，由此维持对LoRaWAN规范的全兼容性。
在本发明的另一个实施方案中，边界网关被提供用于以标准IP连接并使用LoRaWAN协议与网络服务器通信。网络使用LoRaWAN协议以标准IP连接与网络服务器通信。当与LoRaWAN协议兼容时，这增加了网络的范围。
在本发明的另一个实施方案中，边界网关具有用于与网络服务器的通信的第一边界网关通信端口和用于与前端网关的通信的第二边界网关通信端口。两个边界网关通信端口在用于与其他网关、网络服务器的通信的通信端口和所产生的通信类型方面有所不同。
在本发明的另一个实施方案中，前端网关各自与边界网关集成在网状网关中。前端网关和边界网关组合在一个装置中。在此，集成前端网关借助多跳通信网络彼此通信，而至少一个集成边界网关经由标准互联网协议连接到网络服务器NS。
在本发明的另一个实施方案中，LoRaWAN网状网关网络是多跳无线网络。网关经由网状多跳网络互连，使得网关在与终端装置通信时不需要直接连接。这同时地扩展了LoRaWAN网络的范围，因为网关经由网状多跳网络彼此连接，并且因此可将数据从终端装置转发到互联网网络服务器。在此，消除了在终端装置与网关之间的直接连接的按LoRaWAN标准提供的范围限制。
该目标进一步借助用于LoRaWAN网状网关网络中的通信的方法来解决。本发明的有利实施方案在从属权利要求中示出。
用于在LoRaWAN网状网关网络中通信的方法具有五个过程步骤：在第一步骤中，在终端装置中生成消息。该消息借助位于终端装置中的处理器生成为数据包。在第二步骤中，将消息从终端装置发送到网关。到网关的发送优选地是无线的，但是有线发送也是可能的。在第三过程步骤中，在网关上接收消息。在第四过程步骤中，在网关中生成ACK信号。ACK信号(来自英文“acknowledgement(确认)”)是在数据传输中使用来确认接收的信号。在第五过程步骤中，将ACK信号从网关发送到终端装置。
借助根据本发明的方法，确保从终端装置到网关的消息被正确地发送到网关。终端装置不要求具有持久活动的下载接收窗口，并且因此不要求持久活动，与在C类终端装置的情况下一样，但是也可以是例如根据LoRaWAN规范的A类或B类终端装置。因此，功率消耗和终端装置的使用寿命增加。
在本发明的另一个实施方案中，经由单跳连接将消息从终端装置发送到网关。因此，从终端装置到网关的连接是直接连接，其中数据包(消息)只有一跳。
在本发明的另一个实施方案中，经由单跳连接将ACK信号从网关发送到终端装置。网关到终端装置连接也是直接连接，其中ACK信号只有一跳。在这种情况下，终端装置可经由多跳连接到达网络服务器。
在本发明的另一个实施方案中，第一网关将消息转发到第二网关和/或网络服务器。这通过使用网关互连多跳网络来实现LoRaWAN网络的范围扩展，由此维持对LoRaWAN规范的全兼容性。至少一个网关经由标准IP连接并使用LoRaWAN协议与网络服务器通信。
在本发明的另外的实施方案中，由前端网关生成和/或发送ACK信号。前端网关经由网状多跳网络彼此连接并连接到其他网关，使得前端网关不需直接连接就能与终端装置通信。这同时地扩展了LoRaWAN网络的范围，因为前端网关经由网状多跳网络连接到边界网关，并且因此可将数据从终端装置转发到互联网网络服务器。
在本发明的另一个实施方案中，网络使用LoRaWAN协议经由标准IP连接与网络服务器通信。这提供了全兼容性。本发明通过使用前端网关干预多跳网络来实现LoRaWAN网络的范围扩展，由此维持对LoRaWAN规范的全兼容性。为此目的，至少一个网关被提供以经由标准IP连接并使用LoRaWAN协议与网络服务器通信。
在本发明的另外的实施方案中，至少一个前端网关经由无线点对点链路与至少一个边界网关通信。前端网关和边界网关经由网状多跳网络彼此连接，使得前端网关在与终端装置通信时不需要直接连接。这同时地扩展了LoRaWAN网络的范围，因为前端网关经由网状多跳网络连接到边界网关，并且因此可将数据从终端装置转发到互联网网络服务器。
在本发明的另外的实施方案中，前端网关中的至少一者经由有线网络连接与边界网关中的至少一者通信。有线连接特别地对干扰辐射不敏感，并且因此是可靠的连接方式。
在本发明的另外的实施方案中，前端网关中的至少一者经由WLAN网络与边界网关中的至少一者通信。前端网关和边界网关经由网状多跳无线网络互连。WLAN网络使用时间切片而不是竞争访问。
在本发明的另外的实施方案中，前端网关中的至少一者经由LTE网络与边界网关中的至少一者通信。由于使用LTE网络，实现了与标准化移动网络的兼容性。
存储在网关上或由网关生成的消息、命令和功能可包括LoRaWAN协议的以下MAC命令(LoRaWAN 1.1规范，2017年10月11日(最终版))：
·确认的上行链路(UL)-尽力而为
·确认的UL-任务关键消息的端对端确认
·下行链路(DL)
·确认的DL
·ResetInd、ResetConf(第5.1节)
·LinkCheckReq、LinkCheckAns(第5.2节)
·RekeyInd、RekeyConf(第5.10节)
·DeviceTimeReq、DeviceTimeAns(第5.12节)
·加入请求、加入接受(第6.2.2节、第6.2.3节)
以下参考附图以示例的方式更详细地解释本发明。这些在以下各图中示出
图1标准LoRa网络
图2具有终端装置、网络服务器和带有ACK生成单元的网状网关的LoRaWAN网络
图3a终端装置的示意性结构
图3b前端网关的示意性结构
图3c边界网关的示意性结构
图3d网状网关的示意性结构
图4具有终端装置、前端网关、边界网关和网络服务器的LoRaWAN网络
图5具有终端装置、网状网关和网络服务器的LoRaWAN网络
图1示出了具有典型的星形拓扑的标准LoRa网络，其中一个或多个终端装置EDn经由使用LoRa调制或FSK调制FSK的通信直接地连接(单跳)到网关MGD1、MGD2并使用标准互联网协议IP经由网关MGD3-7与互联网网络服务器NS通信。
图2示出了本发明的实施方案，其中前端网关FGDn和边界网关BGDn组合在一个装置中。这些所谓的网状网关MGDn由前端网关FGDn和边界网关BGDn的组合组成。网状网关MGDn经由多跳通信网络MHF彼此通信，并且至少一个网状网关MGD经由标准互联网协议IP连接到网络服务器NS。
虽然在常规的标准LoRa网络中，终端装置EDn借助单跳通信网络直接地连接到网关Gn，但是根据本发明，网关Gn被划分为若干个前端网关FGDn和边界网关BGDn。前端网关FGDn现在经由多跳通信网络MHD彼此通信，而前端网关FGDn中的至少一者也与边界网关BGDn通信。然后，这借助互联网协议IP将数据直接地发送到网络服务器NS。替代地，并且在特别有利的实施方案中，前端网关FGDn和边界网关BGDn组合在一个装置中，即，组合在所谓的“网状网关”MGD中。在此，集成前端网关FGDn借助多跳通信网络MHD彼此通信，而至少一个集成边界网关BGDn经由标准互联网协议IP连接到网络服务器NS。
图3示意性地示出了布置在网络中的部件的结构。除了归功于终端装置的实际功能的其他部件之外，终端装置ED(图3a)还包括仅通向网关FGD、MGD的通信端口，连接是经由LoRa(啁啾频率扩展调制)或FSK(频率调制)的无线连接。
前端网关FGD(图3b)具有既通向终端装置ED来交换数据和发送ACK信号又通向边界网关BGD的通信端口。到边界网关BGD的连接可特别地经由网状多跳网络进行，而到终端装置ED的连接是单跳连接。前端网关FGD的两个通信端口使用不同的通信信道，使得可经由所使用的通信信道指派发送方。
边界网关BGD(图3c)具有各自通向前端网关FGD和通向网络服务器NS的一个通信端口。然后，边界网关BGD借助互联网协议IP将经由单跳连接和多跳连接发送到边界网关BGD的终端装置ED的数据直接地发送到网络服务器NS。边界网关BGD与网络服务器NS的通信可以是有线的或无线的。边界网关BGD的每个通信端口使用其自己的通信信道，该通信信道与其他通信端口不同。
网状网关MGD是前端网关FGD和边界网关BGD在一个装置中的组合。因此，网状网关MGD具有各自通向终端装置ED来交换数据和发送ACK信号、通向网关FGD、MGD和通向网络服务器NS的一个通信端口。网状网关MGD的通信端口使用不同的通信信道，使得可经由所使用的通信信道指派发送方。
图4示出了在LoRaWAN网络中的本发明的另一个实施方案，其中将网关Gn划分为若干个前端网关FGDn和至少一个边界网关BGDn，其中前端网关FGDn经由多跳通信网络MHF彼此通信，并且前端网关FGDn中的至少一者与边界网关BGDn通信，然后，该边界网关使用互联网协议IP与网络服务器NS直接地交换数据。前端网关FGDn具有ACK信号生成单元，并且在接收到来自终端装置EDn的消息时，将ACK信号ACK发送到发送消息的终端装置EDn。这确保从终端装置EDn到前端网关FGDn的消息正确地发送到网状网关MGDn。终端装置不要求具有持久活动的下载接收窗口，并且因此不要求持久活动，与C类终端装置一样，但是也可以是例如根据LoRaWAN规范的A类或B类终端装置。因此，功率消耗和终端装置EDn的操作时间增加。避免由于内部错误而造成的终端装置EDn的故障。
图5示出了本发明的实施方案，其中前端网关FGDn和边界网关BGDn组合在一个装置中。这些所谓的网状网关MGDn由前端网关FGDn和边界网关BGDn的组合组成。网状网关MGDn经由多跳通信网络MHF彼此通信，并且至少一个网状网关MGD经由标准互联网协议IP连接到网络服务器NS。网状网关MGDn具有ACK信号生成单元，并且在接收到来自终端装置EDn的消息时，将ACK信号ACK发送到发送消息的终端装置EDn。这确保从终端装置EDn到网状网关MGDn的消息正确地发送到网状网关MGDn。终端装置不需要具有持久活动的下载接收窗口，并且因此不要求持久活动，与在C类终端装置中一样，但是也可以是例如根据LoRaWAN规范的A类或B类终端装置。因此，功率消耗和终端装置EDn的操作时间增加。避免由于内部错误而造成的EDn终端装置的故障。
如从示例中可看出，这种类型的通信和将网关Gn划分为前端网关FGDn和边界网关BGDn相当大地扩展了LoRaWAN网络，借此仍然可使用LoRaWAN兼容终端装置EDn，所述终端装置可一直分布并联网到用常规的通信网络无法到达的不能通行的区域。
前端网关FGDn和边界网关BGDn经由网状多跳通信网络MHD彼此连接。这意味着前端网关FGDn在其与标准终端装置EDn通信时不需要直接互联网连接8。LoRaWAN网状网关网络1的范围显著地扩展，因为前端网关FGDn经由网状多跳通信网络MHF连接到边界网关BGDn，并且可将终端装置EDn的数据转发到互联网网络服务器NS。这消除了按LoRaWAN标准设想的在终端装置EDn与网关Gn之间的直接连接的范围限制。
同时，本发明提供了与可商购的LoRa终端装置EDn的全兼容性，因为前端网关FGDn和标准LoRaWAN通信协议遵照标准LoRa连接。另一方面，边界网关BGDn也使用标准互联网协议IP以用于与LoRaWAN网络服务器NS的通信，使得在这侧也建立了全兼容性。因此，本发明通过借助前端网关FGDn干预多跳通信网络MHF来实现LoRaWAN网络的范围扩展，由此维持与LoRaWAN规范的全兼容性。这种类型的LoRaWAN网状网关网络1特别地适合于既没有有线互联网连接也没有合适的移动网络覆盖(5G、4G/LTE、3G)并因此无法实现按LoRa网络设想的其中网关Gn要求直接互联网连接IP的星形网络拓扑的偏远、乡村区域。
当然，本发明不限于所示的实施方案。在不放弃基本构思的情况下，另外的实施方案是可能的。
附图标记列表
1 LoRaWAN网状网关网络
ED、EDn 终端装置
G、Gn 网关
NS 互联网网络服务器
IP 互联网协议
FGD、FGDn 前端网关
BGD、BGDn 边界网关
MHF 多跳通信网络
MGD 网状网关
FSK FSK调制
WN 有线连接

Claims (22)

1.一种LoRaWAN网状网关网络(1)，
所述LoRaWAN网状网关网络具有至少一个网络服务器(NS)、若干个网关(G)和若干个终端装置(ED)，
其特征在于，
网关(G)具有ACK信号生成单元(ACK)。
2.根据权利要求1所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述ACK信号生成单元(ACK)具有处理器和存储器。
3.根据权利要求1或2所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述LoRaWAN网状网关网络(1)具有不同的网关类型(Gn)。
4.根据权利要求3所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述LoRaWAN网状网关网络(1)具有边界网关(BGD)和前端网关(FGD)。
5.根据权利要求4所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)具有所述ACK信号生成单元(ACK)。
6.根据权利要求4或5所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)具有用于与终端装置(ED)的通信的第一前端网关通信端口和用于与另一个前端网关(FGD)和/或边界网关(BGD)的通信的第二前端网关通信端口。
7.根据权利要求4至6中一项或多项所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
每个前端网关(FGD)适合于使用单跳LoRa或使用LoRaWAN协议的FSK与多种终端装置(EDn)进行无线点对点通信。
8.根据权利要求4至7中一项或多项所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)和所述边界网关(BGD)与多个网状网关装置(MGD)组合，并且所述网状网关装置(MGD)中的至少一者不具有直接IP连接(IP)。
9.根据权利要求4至8中一项或多项所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
边界网关(BGD)被提供用于借助标准IP连接并使用所述LoRaWAN协议与所述网络服务器(NS)进行通信。
10.根据权利要求9所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述边界网关(BGD)具有用于与网络服务器(NS)的通信的第一边界网关通信端口和用于与前端网关(FGD)的通信的第二边界网关通信端口。
11.根据权利要求4至10中一项或多项所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)各自与边界网关(BGD)集成在网状网关(MGD)中。
12.根据前述权利要求中一项或多项所述的LoRaWAN网状网关网络(1)，
其特征在于，
所述LoRaWAN网状网关网络(1)是多跳无线网络。
13.一种用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其中所述LoRaWAN网状网关网络(1)具有多个终端装置(ED)、多个网关(Gn)和网络服务器(NS)，所述方法包括以下步骤：
●在终端装置(ED)中生成消息
●将所述消息从所述终端装置(ED)发送到网关(G)
●在所述网关(G)上接收所述消息
●在所述网关(G)中生成ACK信号
●将所述ACK信号从所述网关(G)发送到所述终端装置(ED)。
14.根据权利要求13所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
经由单跳连接将所述消息从所述终端装置(ED)发送到所述网关(G)。
15.根据权利要求13或14所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
经由单跳连接将所述ACK信号从所述网关(G)发送到所述终端装置(ED)。
16.根据权利要求13至15中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
第一网关(G)将所述消息转发到第二网关(G)和/或所述网络服务器(NS)。
17.根据权利要求13至16中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
由前端网关(FGD)生成和/或发送所述ACK信号。
18.根据权利要求13至17中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
所述网络使用LoRaWAN协议经由标准IP连接(IP)与所述网络服务器(NS)通信。
19.根据权利要求13至18中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
至少一个前端网关(FGD)经由无线点对点连接与至少一个边界网关(BGD)通信。
20.根据权利要求13至19中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)中的至少一者经由有线网络连接与所述边界网关(BGD)中的至少一者通信。
21.根据权利要求13至20中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)中的至少一者经由WLAN网络与所述边界网关(BGD)中的至少一者通信。
22.根据权利要求13至21中一项或多项所述的用于LoRaWAN网状网关网络(1)中的通信的方法，
其特征在于，
所述前端网关(FGD)中的至少一者经由LTE网络与所述边界网关(BGD)中的至少一者通信。
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