CN115361739A - 一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法，本发明涉及物联网技术领域，所述基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络包括LoRa数据汇聚端和若干LoRa终端，通过将LoRa数据汇聚端和LoRa终端进行时间同步，为LoRa网络指定不同的扩频因子的使用时机；每个LoRa终端根据网络初始化时候确定的通信情况，或者在网络运行过程中根据实际情况的变化，动态调整最合适的扩频因子，保持和LoRa数据汇聚端之间的通信。利用本发明的基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法，在LoRa终端数量比较少的情况下，可以不采用标准的LoRa网关芯片，而是使用普通的LoRa终端芯片就可以组建数据采集网络。

Description

一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体是一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法。

背景技术

物联网技术的快速发展，将越来越多的独立物体连接到网络中，将生活和生产过程变得更加有序和智能化。很多物体在部署的时候由于地理位置或者应用场景的原因，无法连接有线通信网络，所以无线物联网技术开始快速普及。其中基于LoRa的远距离通信正受到越来越多的关注。LoRa通信可以实现1-2公里(城市内环境)或者超过10公里(空旷环境)的通信距离，非常适合在农业，交通，环境等应用中用来采集数据。在相同的发射功率的前提下，LoRa通信通过配置不同的扩频因子来改善接收灵敏度，LoRa设备一般支持的扩频因子范围是6-12。扩频因子越小，通信速率越快，通信距离越短。反之，扩频因子越大，通信速率越慢，通信距离越远。但是在实际使用中产生了局限性。在每一次通信中，通信的收发双方需要保持相同的扩频因子等参数，才能实现正确的通信。但是LoRa终端在部署的时候，由于和数据汇聚端的距离不可预估，每一个终端可能采用不同的扩频因子才能完成通信。

如图1所示，三个LoRa终端部署在不同的位置，和LoRa数据汇聚端的距离为100米，300米，2000米不等。为了实现通信，LoRa终端1采用扩频因子6，LoRa终端2采用扩频因子7，LoRa终端3采用扩频因子12。但是由于LoRa数据汇聚端并不知道每个终端的实际距离和数据发送的时间，所以无法使用单一的扩频因子来保持无线侦听。

通常的解决方案是使用LoRa网关芯片作为LoRa数据汇聚端。LoRa网关芯片是一种和普通LoRa芯片不同的产品，具有多信道和多扩频因子的同时接收解调能力，可以在设定好的无线信道(通常为8个不同的无线电频点)上同时解调多个数据包(通常为8个)。每个数据包可以使用从扩频因子7到扩频因子12中任意的选项。使用LoRa网关芯片作为网络的数据汇聚端，LoRa终端可以根据自身需求随时更新扩频因子的使用，而不用考虑网关芯片是否可以正确解调。这种解决方案的缺陷在于LoRa网关芯片的成本较高。如果在应用现场只有有限数量的LoRa终端设备存在，使用LoRa网关芯片就不是很合适。

如果终端和数据汇聚端都使用相同的LoRa终端(即不使用LoRa网关芯片)，为了解决在不同距离的LoRa终端也能根据实际需求选择扩频因子，保持通信链路的问题，可以将LoRa终端和LoRa数据汇聚端进行时间同步，然后在同步的基础上，指定不同扩频因子的使用机会。这样就可以在使用普通LoRa终端芯片的基础上，构建通信距离不固定的LoRa数据采集网络。

发明内容

发明目的：针对现有技术中，LoRa终端使用LoRa网关芯片成本高的问题，提供一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法，可以在使用普通LoRa终端芯片的基础上，构建通信距离不固定的LoRa数据采集网络。

技术方案：一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络，包括LoRa数据汇聚端和若干LoRa终端；通过将LoRa数据汇聚端和LoRa终端进行时间同步，为LoRa网络指定不同的扩频因子的使用时机；每个LoRa终端根据网络初始化时候确定的通信情况，或者在网络运行过程中根据实际情况的变化，动态调整最合适的扩频因子，保持和LoRa数据汇聚端之间的通信。

进一步的，所述LoRa数据汇聚端作为网络的中心节点，负责同步信息的下发、LoRa终端数据接收以及用户命令下发工作；所述LoRa数据汇聚端，每隔一段时间后在指定的时隙内下发同步信息，用以让LoRa终端同步或者校准时间，这个指定的时隙为预留的同步时隙；同步信息使用最大的扩频因子，即接收灵敏度最好的参数进行通信；每两个同步信息之间的时间被划分成固定时间长度的多个时隙；每个时隙的长度可以根据实际情况配置。

进一步的，在每个时隙内：

1)如果LoRa数据汇聚端没有下行通信的需求，则使用指定的扩频因子保持接收状态；

2)如果LoRa数据汇聚端有下行通信任务，则根据此次通信的目标LoRa终端使用的扩频因子完成下行通信；每个LoRa终端入网成功后将根据实际情况确定一个合适的扩频因子；

3)如果当前时隙是预留的同步时隙，LoRa数据汇聚端使用接收灵敏度最好的参数下发同步信息。

进一步的，所述LoRa终端，在每个同步时隙内使用接收灵敏度最好的参数保持接收状态，使用接收到的信息进行同步或者校准；所述LoRa终端根据接收到的同步信息的质量，选择最适合当前通信距离的扩频因子并且在适当的时隙内向LoRa数据汇聚端发送其所采用的扩频因子信息；

所述LoRa终端在运行过程中，如果有上行通信的需求，则根据自身选用的扩频因子，寻找最近的，LoRa数据汇聚端使用相同扩频因子进行侦听的时隙，进行上行通信；如果没有上行通信的需求，LoRa终端保持使用自身选定的扩频因子在信道上侦听，以便随时接收下行指令。

本发明还提供了一种基于LoRa的时间同步多扩频因子网络接收方法，包括如下步骤：

S1、在初始化阶段，LoRa数据汇聚端根据LoRa终端的配置，先确定扩频因子范围，确定每个周期的时隙范围、时隙长度；

扩频因子范围设为[1,N]，扩频因子范围代表扩频因子的编号；每个周期的时隙范围编号定义[1,(N+1)]，时隙长度定义为L，其中第(N+1)个时隙保留为同步信息下发时隙；

在同步信息下发时隙内，固定使用灵敏度参数最优的扩频因子S，并且使用可配置的固定下行信道，频点为F1，下发同步信息；

S2、LoRa数据汇聚端周期性运行时隙1到时隙(N+1)；

在每个上行时隙内，如果没有下行通信需求，使用该时隙对应的扩频因子Sn在上行信道进行侦听，频点为F2；

S3、如果LoRa数据汇聚端有下行通信任务，可以在最近的上行时隙内，使用目标LoRa终端采用的扩频因子Se，在频点F1完成下行通信任务；

S4、LoRa终端开始运行后，使用参数允许的灵敏度最优的扩频因子S，在频点F1上保持侦听，当侦听到同步信息时，完成时间同步；

S5、根据在同步时隙内侦听到的信息以及附带的信号强度，LoRa终端确定自身最合适的扩频因子Se，Se编号选择范围[1,N]；

S6、一旦扩频因子选择成功，LoRa终端需要在最近的使用扩频因子Se的上行时隙内向LoRa数据汇聚端上报注册请求，并获得确认；在当前的上行时隙内，扩频因子Se和LoRa数据汇聚端使用的扩频因子Sn相同；如果成功确认，则入网完成，转向步骤6；如果不成功，转向步骤S4；

S7、如果LoRa终端有上行通信需求，根据自身的扩频因子Se，寻找最近的时隙，条件是时隙内LoRa数据汇聚端使用的Sn和Se相同，然后在该时隙内用频点F2进行上行通信；如果没有上行通信任务，LoRa终端使用扩频因子Se在频点F1上保持侦听；

S8、如果当前时隙是同步时隙，LoRa终端在频点F1上使用扩频因子S保持侦听。

有益效果：利用本发明的基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络及接收方法，在LoRa终端数量比较少的情况下，可以不采用标准的LoRa网关芯片，而是使用普通的LoRa终端芯片就可以组建数据采集网络，在网络内LoRa终端的部署位置比较灵活，无需考虑是否要固定扩频因子的问题，只需要根据时间隙的变化，在每个时隙内确定当前是否可以执行上行，下行，或者同步通信。

附图说明

图1为多终端LoRa通信部署；

图2为本发明的网络运行示意图；

图3为LoRa数据汇聚端工作流程图；

图4为LoRa终端工作流程图；

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。

如图2所示，一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络，包括LoRa数据汇聚端和若干LoRa终端；通过将LoRa数据汇聚端和LoRa终端进行时间同步，为LoRa网络指定不同的扩频因子的使用时机；每个LoRa终端根据网络初始化时候确定的通信情况，或者在网络运行过程中根据实际情况的变化，动态调整最合适的扩频因子，保持和LoRa数据汇聚端之间的通信。

一、LoRa数据汇聚端

LoRa数据汇聚端作为网络的中心节点，负责同步信息的下发，终端数据接收，以及用户命令下发等工作。每隔一段时间后，在指定的时隙内，LoRa数据汇聚端下发同步信息，用以让LoRa终端同步或者校准时间，这个指定的时隙为预留的同步时隙。为了保证在最远距离的LoRa终端也能接收到，同步信息将使用最大的扩频因子，即接收灵敏度最好的参数进行通信。每两个同步信息之间的时间被划分成固定时间长度的多个时隙。每个时隙的长度可以根据实际情况配置。

在每个时隙内，如果LoRa数据汇聚端没有下行通信的需求，则使用指定的扩频因子保持接收状态。该指定的扩频因子需要根据一定的规则来确定，比在如图2中，从时间隙1到时间隙7轮流使用扩频因子6到扩频因子12。如果LoRa数据汇聚端有下行通信任务，则根据此次通信的目标LoRa终端使用的扩频因子完成下行通信。每个LoRa终端入网成功后将根据实际情况确定一个合适的扩频因子。

如果当前时隙是预留的同步时隙，LoRa数据汇聚端需要使用固定的参数，即接收灵敏度最好的参数下发同步信息。这是为了让网内和网外的LoRa终端能够在不知道网络具体配置的情况下都能顺利接收到同步信息。图2中，LoRa数据汇聚端固定使用扩频因子12下发同步信息。

二、LoRa终端

对LoRa终端来说：在每个同步时隙内，使用扩频因子12保持接收状态，使用接收到的信息进行同步或者校准。根据接收到的同步信息的质量，比如信号强度等参数，LoRa终端选择最适合当前通信距离的扩频因子，并且在适当的时隙内向LoRa数据汇聚端发送其所采用的扩频因子信息。

在运行过程中，如果有上行通信的需求，则根据自身选用的扩频因子，寻找最近的，LoRa数据汇聚端使用相同扩频因子进行侦听的时隙，进行上行通信。如果没有上行通信的需求，LoRa终端保持使用自身选定的扩频因子在信道上侦听，以便随时接收下行指令。

三、一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络的接收方法，具体步骤如下：

1.在初始化阶段，LoRa数据汇聚端根据预先配置的扩频因子范围，确定每个周期的时隙数量。扩频因子范围视所用芯片具体规格或者应用要求的变换会有所不同，此处假设为[1,N]。扩频因子范围代表扩频因子的编号，比如编号为1表示扩频因子6，编号N表示扩频因子12。时隙范围编号定义[1,(N+1)]。其中第(N+1)个时隙保留为同步信息下发时隙，在该时隙内固定使用灵敏度参数最优的扩频因子S，比如扩频因子12，并且使用可配置的固定下行信道，频点为F1，下发同步信息。

2.LoRa数据汇聚端周期性运行时隙1到时隙(N+1)。在每个上行时隙内，如果没有下行通信需求，使用该时隙对应的扩频因子Sn在上行信道进行侦听，频点为F2。

3.如果LoRa数据汇聚端有下行通信任务，可以在最近的上行时隙内(非同步时隙)，使用目标LoRa终端采用的扩频因子Se，在频点F1完成下行通信任务。

4.LoRa终端开始运行后，使用参数允许的灵敏度最优的扩频因子S，在频点F1上保持侦听。当侦听到同步信息时，完成时间同步。

5.根据在同步时隙内侦听到的信息，以及附带的信号强度等，LoRa终端确定自身最合适的扩频因子Se，Se编号选择范围[1,N]。

6.一旦扩频因子选择成功，LoRa终端需要在最近的使用扩频因子Se的上行时隙内向LoRa数据汇聚端上报注册请求，并获得确认。在当前的上行时隙内，Se和LoRa数据汇聚端使用的Sn相同。如果成功确认，则入网完成，转向步骤6。如果不成功，转向步骤4。

7.如果LoRa终端有上行通信需求，根据自身的扩频因子Se，寻找最近的时隙，条件是时隙内LoRa数据汇聚端使用的Sn和Se相同。然后在该时隙内用频点F2进行上行通信。如果没有上行通信任务，LoRa终端使用扩频因子Se在频点F1上保持侦听。

8.如果当前时隙是同步时隙，LoRa终端在频点F1上使用扩频因子S保持侦听。

LoRa数据汇聚端的工作流程如图3所示，LoRa数据汇聚终端开始启动后，根据配置，首先确定当前有多少可用的扩频因子[1,N]，然后确定单个周期内运行的时隙数量[1,(N+1)]，以及确定每个时隙的长度L。然后开始周期性运行时隙。如果当前时隙是同步时隙，则在频点F1上以灵敏度最优的扩频因子S下发同步信息。如果当前时隙有下行通信任务，则在频点F1上，以目标LoRa终端使用的扩频因子Se下发通信。如果没有通信任务，则以对应当前时隙编号的扩频因子Sn在频点F2上保持侦听。

LoRa终端的工作流程如图4所示，LoRa终端开始工作后，在可编程固定频点F1上以最优扩频因子S保持侦听。当接收到同步信息后，和LoRa数据汇聚端进行同步。同步完成后，根据信号接收强度，从扩频因子范围[1,N]之间选择最适合的扩频因子Se作为本终端的待机扩频因子。LoRa终端运行时隙，在最近的使用扩频因子Sn＝Se的上行时隙里，在频点F2将入网请求发给LoRa数据汇聚端。

如果收到确认回复，入网成功。如果没有，则继续等待下次使用扩频因子Sn＝Se的时隙。

入网成功后，LoRa终端运行时隙。如果当前是同步时隙，使用扩频因子S在频点F1上接收同步信息并校准。如果有上行任务，并且当前上行时隙对应的扩频因子是Sn＝Se，则在频点F2以扩频因子Se发送上行通信。否则，在当前时隙以扩频因子Se在频点F1上保持侦听。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络，其特征在于，包括LoRa数据汇聚端和若干LoRa终端；

通过将LoRa数据汇聚端和LoRa终端进行时间同步，为LoRa网络指定不同的扩频因子的使用时机；每个LoRa终端根据网络初始化时候确定的通信情况，或者在网络运行过程中根据实际情况的变化，动态调整最合适的扩频因子，保持和LoRa数据汇聚端之间的通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络，其特征在于，所述LoRa数据汇聚端作为网络的中心节点，负责同步信息的下发、LoRa终端数据接收以及用户命令下发工作；

所述LoRa数据汇聚端，每隔一段时间后在指定的时隙内下发同步信息，用以让LoRa终端同步或者校准时间，这个指定的时隙为预留的同步时隙；同步信息使用最大的扩频因子，即接收灵敏度最好的参数进行通信；每两个同步信息之间的时间被划分成固定时间长度的多个时隙；每个时隙的长度可以根据实际情况配置。

3.根据权利要求2所述的一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络，其特征在于，在每个时隙内：

1)如果LoRa数据汇聚端没有下行通信的需求，则使用指定的扩频因子保持接收状态；

2)如果LoRa数据汇聚端有下行通信任务，则根据此次通信的目标LoRa终端使用的扩频因子完成下行通信；每个LoRa终端入网成功后将根据实际情况确定一个合适的扩频因子；

3)如果当前时隙是预留的同步时隙，LoRa数据汇聚端使用接收灵敏度最好的参数下发同步信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于LoRa的时间同步多扩频因子接收网络，其特征在于，所述LoRa终端，在每个同步时隙内使用接收灵敏度最好的参数保持接收状态，使用接收到的信息进行同步或者校准；所述LoRa终端根据接收到的同步信息的质量，选择最适合当前通信距离的扩频因子并且在适当的时隙内向LoRa数据汇聚端发送其所采用的扩频因子信息；

所述LoRa终端在运行过程中，如果有上行通信的需求，则根据自身选用的扩频因子，寻找最近的，LoRa数据汇聚端使用相同扩频因子进行侦听的时隙，进行上行通信；如果没有上行通信的需求，LoRa终端保持使用自身选定的扩频因子在信道上侦听，以便随时接收下行指令。

5.一种基于LoRa的时间同步多扩频因子网络的接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在初始化阶段，LoRa数据汇聚端根据LoRa终端的配置，先确定扩频因子范围，确定每个周期的时隙范围、时隙长度；

扩频因子范围设为[1,N]，扩频因子范围代表扩频因子的编号；每个周期的时隙范围编号定义[1,(N+1)]，时隙长度定义为L，其中第(N+1)个时隙保留为同步信息下发时隙；在同步信息下发时隙内，固定使用灵敏度参数最优的扩频因子S，并且使用可配置的固定下行信道，频点为F1，下发同步信息；

S2、LoRa数据汇聚端周期性运行时隙1到时隙(N+1)；

在每个上行时隙内，如果没有下行通信需求，使用该时隙对应的扩频因子Sn在上行信道进行侦听，频点为F2；

S3、如果LoRa数据汇聚端有下行通信任务，可以在最近的上行时隙内，使用目标LoRa终端采用的扩频因子Se，在频点F1完成下行通信任务；

S4、LoRa终端开始运行后，使用参数允许的灵敏度最优的扩频因子S，在频点F1上保持侦听，当侦听到同步信息时，完成时间同步；

S5、根据在同步时隙内侦听到的信息以及附带的信号强度，LoRa终端确定自身最合适的扩频因子Se，Se编号选择范围[1,N]；

S6、一旦扩频因子选择成功，LoRa终端需要在最近的使用扩频因子Se的上行时隙内向LoRa数据汇聚端上报注册请求，并获得确认；在当前的上行时隙内，扩频因子Se和LoRa数据汇聚端使用的扩频因子Sn相同；如果成功确认，则入网完成，转向步骤6；如果不成功，转向步骤S4；

S7、如果LoRa终端有上行通信需求，根据自身的扩频因子Se，寻找最近的时隙，条件是时隙内LoRa数据汇聚端使用的Sn和Se相同，然后在该时隙内用频点F2进行上行通信；如果没有上行通信任务，LoRa终端使用扩频因子Se在频点F1上保持侦听；

S8、如果当前时隙是同步时隙，LoRa终端在频点F1上使用扩频因子S保持侦听。

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