CN116634589B - 一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，网络节点工作于半双工模式，网络中设置中继节点，节点处于平等地位，无网关参与报文收发，发送端根据报文类型设置优先级数值P，P为正整数；然后在单位时隙内侦测网络，连续P次网络均空闲时，发送报文。本方法还包括LoRa网络流量控制，限制LoRa网络中的中继节点和普通节点数目，以及限制报文转发次数。本发明的半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，具有实时性好、可靠性高、网络结构简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，具体为一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法。
背景技术
LoRa（Long Range Radio远距离无线电）是一种低功耗局域网无线标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。半双工数据传输指数据可以在两个方向上传输，但是不能同时传输。
目前的LoRa组网，一般采用LoRaWAN（LoRa Wide Area Network，LoRa广域网）方式，需要一个LoRa网关芯片来协同其他节点组成星型网络，同时网关负责对LoRa节点进行调度，LoRaWAN主要使用以下一些措施来确保节点消息的正确送达：
1）ALOHA 随机接入：LoRaWAN 中的终端设备使用随机接入方法，即在发送消息之前，在一个预定的时间窗口内进行随机的发送尝试。这种随机性可以降低多个设备同时发送消息的概率，减少碰撞的发生。
2）网络服务器调度：LoRaWAN 网络服务器负责调度和协调终端设备的通信。服务器根据终端设备的需求和网络状况，分配适当的时间窗口和通信参数给终端设备。这种调度可以确保不同设备在不同的时间窗口内发送消息，避免碰撞。
3）ADR（Adaptive Data Rate，自适应数据速率）：LoRaWAN 中的终端设备可以根据网络条件自适应调整数据速率。ADR 机制可以根据当前环境的信号强度和质量，动态调整设备的发送功率和数据速率，以提供更好的通信性能和可靠性。
当前LoRaWAN通过以上三个策略协同作用，实现节点消息的发送策略。现有实现方案有三个问题：1）需要特殊的网关芯片协同节点发送时间；2）无直接的碰撞避免机制，导致节点数量较多后，碰撞几率较大；3）窗口期发送导致网络的实时响应速度较低。
1）随机接入的方式：在LoRaWAN中，通信按照时间窗口的方式进行。每个时间窗口被划分为多个单元，每个单元具有固定的时间间隔。终端设备在每个时间窗口的特定单元内，根据一定的随机机制来选择是否发送数据。这种随机接入方式使得多个设备有机会在同一个时间窗口内发送数据，但也增加了碰撞的风险。如果一个终端设备在特定单元内决定发送数据，但检测到碰撞（即与其他设备同时发送），则它将进行重试。重试的时间通常在下一个时间窗口内。由于节点每次发送前，并不检测当前信道是否空闲，只是在固定的窗口期内发送，故导致碰撞不可避免。
2）网络服务器调度：实现此项策略，需要一个高成本的网关芯片组成的LoRa网关模组，由此网关模组来协调所有节点的发送窗口时间。
将网络中的时间切分成若干个时间窗口，导致在节点需要上报突发消息时，必须等待窗口时间到达，影响了网络的实时性。且如果该窗口时间有其他节点也同时发送了消息，则节点需要等待下一个窗口才能发送，更进一步降低了网络的实时性。
3）自适应数据速率：可以让不同的节点工作在不同的速率下，相互不干扰，一定程度上扩大了网络的容量，但此项功能也需要LoRa网关芯片的支持，增加的大量的硬件成本。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，以用于解决上述问题。
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明开了一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，LoRa网络节点工作于半双工模式，网络中设置中继节点，节点处于平等地位，无网关参与报文收发，进行LoRa网络流量控制以提高报文收发可靠性；节点间收发报文包括以下步骤：
S1，节点的射频工作在接收模式；
S2，有报文需发送时，发送端在报文中增加CRC校验值；
S3，发送端根据报文类型设置优先级数值P，P为正整数；
S4，发送端在单位时隙内侦测网络，连续P次网络均空闲时，发送报文；如果是需确认报文，发送后在接收模式下等待ACK消息；
S5，接收端接收到报文，校验CRC；
S6，接收端接收到的是需确认报文时，回复ACK消息；
S7，接收端接收到的是需转发报文时，满足转发条件时，更新报文字段，转发报文；
S8，发送端收到ACK消息或者等待超时。
进一步的，所述根据报文类型设置优先级数值P包括以下步骤：
S31，根据报文类型确定优先级等级；
S32，在该优先级等级对应的优先级数值范围内随机确定优先级数值P，P为小于等于59的正整数。
进一步的，所述根据报文类型确定优先级等级是：
直接确认报文属于第一优先级；
转发其他节点的确认报文属于第二优先级；
接续转发其他节点的确认报文属于第三优先级；
节点首发的直接发送报文属于第四优先级；
节点转发的数据报文属于第五优先级；
接续转发的数据报文属于第六优先级。
进一步的，所述LoRa网络流量控制，采用的措施包括：限制LoRa网络中的中继节点和普通节点数目，以及限制报文转发次数。
进一步的，所述限制LoRa网络中的中继节点和普通节点数目，是通过网络模拟计算来确定数目，或者通过网络测试报文时延来确定数目。
进一步的，所述限制报文转发次数包括：
1）节点配置“最大允许转发次数”或者使用缺省值；
2）节点首发报文时，在报文中填写“最大允许转发次数”字段；
3）节点需要转发报文时，更新报文中的“已转发次数”字段，将其与“最大允许转发次数”字段比较，“已转发次数”大于等于“最大允许转发次数”时，停止转发。
进一步的，所述单位时隙是1ms。
本发明的有益技术效果：
1）节点需要发送报文时，选择结合了优先级的随机快速竞争的窗口，保证高优先级数据能快速发送，减小传送延迟，提高了网络的实时性。
2）通过优先级策略和随机数策略，减少了报文发送冲突。
3）通过ACK消息和重发机制，提高报文收发可靠性。
4）无需设置报文收发的网关，简化了网络结构，降低了网络成本。
5）采用方法控制网络流量，提高了报文收发的可靠性。
本发明的一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，具有实时性好、可靠性高、网络结构简单的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的LoRa网络收发报文的步骤。
图2是本发明实施例的LoRa网络收发报文的流程。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例提供了一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，如图1和图2所示，所有节点均工作在平等的模式下，无需中心节点或网关分配各个节点的发送时间，无需固定的发送窗口。待机状态下，所有节点工作在接收模式，当某一个节点需要发送报文（消息）时，通过CAD（channel activity detection，通道活动检测）来判断信道空闲或者忙碌，实现LBT （listen before talk ，先侦听后发送）。信道侦测功能，避免不同节点在同一时刻发送报文，导致无法接收到正确的数据。
LBT方案报文收发具体实现内容：
1）在空闲时，所有节点的LoRa射频工作在接收模式，接收模式下，可以接收到空间中其他节点发送的报文。
2）每一条待发送的报文，根据报文类型，确定优先级等级，然后随机生成一个优先级等级对应范围内的随机数，作为优先级数值，该优先级数值作为碰撞退避算法的基数，降低不同节点开始发送报文时的碰撞概率。
3）每条报文后部增加2个字节的CRC16校验值，用于检测报文的数据完整性，确保数据正确性，且对低概率发送碰撞后造成的错误报文进行过滤。
4）节点存在待发送报文时，将会进行侦测模式，侦测模式下，每次侦测进行1ms，判断当前时刻是否有其他节点在发送报文。如果有，则进行报文接收，侦测次数清零，待报文接收完成后继续侦测。
5）侦测模式下，当侦测次数达到待发射报文的优先级数值后，此时可以认为信道空闲了一段时间，且其他节点没有发送的尝试，控制射频芯片进入发送模式，执行一次报文发送。
6）执行发送后，如本节点还有待发送报文，则继续执行侦测，直至所有报文发送完毕。发送完成后，节点工作模式切换回空闲模式。
对于不同报文类型依据其实时性的要求设置优先级等级，保证高优先级等级报文的优先发送，以尽力而为满足其要求。相同优先级等级的报文，需要等待的时间在一定程度上的随机分配。最终每条待发送的报文，会分配得到一个1-59区间的随机数来代表优先级数值。此优先级数值也对应于发送报文前信道需要空闲的检测次数，因而数值越低，优先级越高。本实施例示出的报文优先级等级和对应的随机数范围分配如下：
1）第一优先级，直接确认报文：节点确认接收到其他节点的需要答复的报文，优先级数值固定为2。
2）第二优先级，转发一次的确认报文：节点转发其他节点发送的确认报文，优先级数值为3-6间的随机数。
3）第三优先级，多次转发的确认报文：多次节点转发其他节点发送的确认报文，优先级数值为7-10间的随机数。
4）第四优先级，直接发送报文：节点直接发出的数据载荷报文，优先级数值为 11-26间的随机数。
5）第五优先级，转发一次的报文：节点转发其他节点的报文，优先级数值为27-43间的随机数。
6）第六优先级，多次转发的报文：经过多次转发后的其他节点的报文，优先数值为43-59间的随机数。
节点在待发送报文时，根据待发送报文类型，需等待一个随机的延时时间，从而保证实时性，并避免各个节点同时发送消息。即便是同类型的报文，也加入了随机数，使得不同节点每次发送需要等待一个不同的延时时间。
节点发送报文时，可以选择将报文属性设置为需要报文确认（ACK）或者不需要确认。当目标节点收到需要确认的报文时，会回复一个报文长度较短的ACK报文，用于告诉源节点，目标节点已经接收到待发送的报文。ACK报文优先级对应优先级等级中的第一、第二、第三分类，ACK报文优先发送。通过报文确认机制，源节点可以知道报文发送是否被目标节点正确接收，并决定失败情况下是否进行报文的重新传输。
为了提高报文收发的可靠性，限制LoRa网络中的报文转发引起的风暴，采取如下措施：
1）设置较少的中继节点。在一个范围内存在较多的中继节点，会存在大量转发报文。中继节点的数目，可通过网络模拟计算得到，也可以通过网络测试报文时延等性能信息得到。
2）限制LoRa网络中普通节点数目。一个LoRa网络支持的节点数目，可通过网络模拟计算得到，也可以通过网络测试报文时延等性能信息得到。
上述两种措施，采用网络测试报文时延时，可测试不同长度的报文。例如可选择报文的载荷长度为30bytes、50bytes和100bytes时，分析报文时延数据，通过减少设置的中继节点和网络分裂，使报文时延处于较小的范围。
3）限制转发次数。节点可以配置最大允许转发次数，并将其写入报文中，报文每次被转发时，更新报文中的“已转发次数”字段。节点收到报文时，比较“已转发次数”和“最大允许转发次数”字段。只有当“已转发次数”小于“最大允许转发次数”字段时，报文才能被转发。优选的，节点默认的“最大允许转发次数”为8。
4）将中继报文设置为较低的优先级等级。本实施例中，节点转发的数据报文设置为第五优先级；接续转发的数据报文设置为第六优先级。转发报文的低优先级设置可以避免大量报文同时转发。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，其特征在于：LoRa网络节点工作于半双工模式，网络中设置中继节点，节点处于平等地位，无网关参与报文收发，进行LoRa网络流量控制以提高报文收发可靠性；节点间收发报文包括以下步骤：
S1，节点的射频工作在接收模式；
S2，有报文需发送时，发送端在报文中增加CRC校验值；
S3，发送端根据报文类型设置优先级数值P，P为正整数；
S4，发送端在单位时隙内侦测网络，连续P次网络均空闲时，发送报文；如果是需确认报文，发送后在接收模式下等待ACK消息；
S5，接收端接收到报文，校验CRC；
S6，接收端接收到的是需确认报文时，回复ACK消息；
S7，接收端接收到的是需转发报文时，满足转发条件时，更新报文字段，转发报文；
S8，发送端收到ACK消息或者等待超时；
所述根据报文类型设置优先级数值P包括以下步骤：
S31，根据报文类型确定优先级等级；
S32，在该优先级等级对应的优先级数值范围内随机确定优先级数值P；
所述报文类型包括：直接确认报文、转发其他节点的确认报文、接续转发其他节点的确认报文、节点首发的直接发送报文、节点转发的数据报文和接续转发的数据报文。
2.根据权利要求1所述的一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，其特征在于，所述根据报文类型确定优先级等级是：
直接确认报文属于第一优先级；
转发其他节点的确认报文属于第二优先级；
接续转发其他节点的确认报文属于第三优先级；
节点首发的直接发送报文属于第四优先级；
节点转发的数据报文属于第五优先级；
接续转发的数据报文属于第六优先级。
3.根据权利要求1所述的一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，其特征在于：所述LoRa网络流量控制，采用的措施包括：限制LoRa网络中的中继节点和普通节点数目，以及限制报文转发次数。
4.根据权利要求3所述的一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，其特征在于：所述限制LoRa网络中的中继节点和普通节点数目，是通过网络模拟计算来确定数目，或者通过网络测试报文时延来确定数目。
5.根据权利要求3所述的一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，其特征在于，所述限制报文转发次数包括：
节点配置“最大允许转发次数”或者使用缺省值；
节点首发报文时，在报文中填写“最大允许转发次数”字段；
节点需要转发报文时，更新报文中的“已转发次数”字段，将其与“最大允许转发次数”字段比较，“已转发次数”大于等于“最大允许转发次数”时，停止转发。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种半双工LoRa网络可靠报文收发的方法，其特征在于：所述单位时隙是1ms。
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