一种LoRaWAN物联网信号中继方法技术

本发明专利技术公开了一种LoRaWAN物联网信号中继方法，其特征是，增加LoRaWAN中继设备和中继服务器，实现信号中继转发；所述LoRaWAN中继设备用于负责完成LoRa信号的复制和转发；所述中继服务器位于网络服务器后侧，负责完成对LoRaWAN中继设备的管理，帧解析和转发功能；其终端数据转发路径如下：移动终端、LoRaWAN中继设备、LoRa网关、网络服务器、中继服务器、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通。本方法能够解决LoRaWAN的盲区覆盖问题，并基于MAC层中继实现LoRaWAN的信号中继问题。

A signal relay method for LoRaWAN Internet of things

The invention discloses a LoRaWAN network signal relay method, which is characterized in that the increase of LoRaWAN relay device and relay server, realize the signal relay; the relay device for LoRaWAN is responsible for the completion of LoRa replication and signal forwarding; the relay server in the network server side, responsible for the completion of LoRaWAN relay equipment management. Frame analysis and forwarding function; the terminal data forwarding path: mobile terminal, relay device, LoRaWAN LoRa gateway, network server, relay server, web server, application server in 22 data exchange. This method can solve the blind area coverage problem of LoRaWAN and implement the signal relay problem of LoRaWAN based on the MAC layer relay.

【技术实现步骤摘要】
一种LoRaWAN物联网信号中继方法
本专利技术涉及一种LoRaWAN物联网信号中继方法，属于LoRaWAN物联网

技术介绍
在无线通讯
，当通信双方信号太弱无法通讯，或者通信网络存在覆盖盲区时，通常的解决方案是加一个中继节点来进行信号放大，扩大覆盖范围。中继节点一般有两套物理收发器，一套和基站连接，一套和终端连接，中间节点负责把基站侧收发器接收的信息再通过终端侧收发器发送给终端，把终端侧收发器接收的信息再通过基站侧收发器发送给基站。中继节点实现方案通常有两种，物理层中继和MAC(MediaAccessControl：媒体接入控制)层中继，物理层中继只对射频信号进行收发中继，优点是时延短，但主要依赖于高增益天线的增益能力，增益有限，方向性强，只能提高10～20dB，因此覆盖范围增加较小。MAC层中继通过一个天线将射频信号接收，解出后通过另外一个射频天线再重新发送，信号增益得到较大提升，可以提高100dB以上，覆盖范围增加较大，但缺点是时延大；目前移动通信网络主要使用的是MAC层中继设备，时延对于全双工终端来说没有太大影响。对于LPWAN网络来说，终端通常工作于半双工模式，通信链路速率较低(几百～10Kbps)，基于MAC层的中继器将引入0.1～2秒的延时(例如50字节包长，1Kbps的链路收发时延至少增加50×8/1000＝400ms时延。而对于LoRaWANClassA(A类)设备来说，为了省电，终端绝大部分时间处于睡眠状态，只有发送和接收包时才唤醒，只有这时才能和网络进行通信，因此网络必须精确控制和终端的通信时刻。由于上下行收发延迟时间隔精确定义，因此LoRaWAN定义ClassA终端收发间隔是固定时延，通常下行帧需要在网络服务器上缓存，收到一个上行帧后，设置一个Receive_Delay定时器，当该定时器到后，将下行帧发送给终端。一旦在中间加一级中继，会引入至少2×(0.1～2)＝0.2～4秒延迟，导致错过终端接收窗口，终端无法接收下行包。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种LoRaWAN物联网信号中继方法，基于MAC层中继实现LoRaWAN的信号中继。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种LoRaWAN物联网信号中继方法，所述LoRaWAN物联网包括移动终端、LoRa网关、网络服务器、应用服务器、注册服务器和网络控制器，其中所述移动终端、LoRa网关、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通；所述移动终端用于实现各种物联网终端功能，内置LoRaWANModem实现和网络的通信；所述LoRa网关用于实现LoRa信号上行接收转发，下行接收发送功能；所述网络服务器用于实现LoRaWANMAC层协议功能，NS为每个终端分配一个网络地址，保存一个转发上下文，保存有终端认证密钥；所述应用服务器用于实现LoRaWAN物联网应用，为每个终端保存一个会话上下文，保存有终端加密密钥；所述注册服务器用于实现LoRaWAN终端的认证，会话密钥生成功能，保存有每个终端的签约信息和根密钥，根密钥会在认证过程中生成终端加密密钥和终端认证密钥，分别传送给应用服务器和网络服务器；所述网络控制器用于实现对LoRaWAN网络的无线参数控制功能；其特征是，还包括LoRaWAN中继设备和中继服务器；所述LoRaWAN中继设备用于负责完成LoRa信号的复制和转发；所述中继服务器位于网络服务器后侧，负责完成对LoRaWAN中继设备的管理和转发功能；其终端数据转发路径如下：移动终端、LoRaWAN中继设备、LoRa网关、网络服务器、中继服务器、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通；所述网络服务器支持网关仿真接口，识别出终端转发路径，并在终端上下文中增加转发路径标识，表明终端是从LoRaGW发送还是从Relay发送；所述网关仿真接口定义如下：1，108RS-->103NS：UpDataMessage，上行数据消息：帧内容：LoRaWAN帧+RS相关ID(可选)；2，103NS-->108RS：DownDataMessage，下行数据消息：帧内容：LoRaWAN帧+DevAddr+RS相关ID(可选)+RXDelay(可选)+JoinDelay(可选)；接口115(RS<--->NS)仿真的是接口110(LoRaGW<--->NS)，接口(NS<--->RS)采用的是接口111(NS<--->AS)。优选地，所述107LoRaWANRelay包括如下组件：接入侧Modem驱动单元，用于负责对接入侧LoRaModem芯片的控制，物理帧的接收和发送；终端侧注册帧处理单元，用于负责终端侧的注册处理流程；终端侧转发上下文列表单元，用于保存和维护经过中继转发的所有终端的转发上下文，注册时创建，为后续终端进行数据转发服务；终端侧数据帧处理单元，用于负责终端侧的数据帧处理流程；下行帧缓存区单元，用于缓存终端的下行数据帧，等待发送时窗；帧适配转换与转发模块单元，用于负责在终端侧标准LoRaWAN帧/注册请求帧/注册接受帧和中继侧LoRaWAN中继帧间格式的适配转换和转发；RHDR头的产生和处理单元，用于负责产生上行帧RHDR头信息，负责处理下行帧的RHDR信息；中继上下文单元，用于负责保存和维护中继自身的上下文信息；中继侧数据帧处理单元，用于负责中继侧数据帧的发送和接收；中继侧Modem驱动单元，用于负责对中继侧LoRaModem芯片的控制，物理帧的接收和发送；中继相关ID关联表单元，用于负责产生中继相关ID，保存中继相关ID--终端上下文关联关系。优选地，所述LoRaWAN中继设备的内部包处理流程如下：A，上行包处理流程：第一步，接入侧Modem驱动单元从接入侧天线接收到一个包，产生接收时刻T，解析包类型MAC层头，如果是注册请求包则转发给终端侧注册帧处理单元处理，转第二步；如果是数据包则转发给终端侧数据帧处理单元处理，转第三步；第二步，当终端侧注册帧处理单元得到注册帧，到终端侧转发上下文列表单元建立一个新的终端上下文，保存接收时刻T，然后将包发送给帧适配转换与转发模块单元；第三步，当终端侧数据帧处理单元接收到上行包后，解码消息头应用帧头，得到终端DevAddr信息，查找终端侧转发上下文列表单元终端上下文列表，如果找不到，则丢弃；如果能够找到则保存接收时刻T，然后转发给帧适配转换与转发模块单元处理；第四步，终端侧数据帧处理单元同时根据终端侧转发上下文列表单元终端上下文信息查找当前下行帧缓存区是否有终端数据，如果有，则在终端下行时窗进行发送，如果没有，则产生一个下行发送时窗，该时窗在T+RxDelay+1秒前有效；第五步，帧适配转换与转发模块单元得到上行包后，调用RHDR头的产生和处理单元产生RHDR，对于注册请求帧，RHDR需要携带一个中继相关ID，保存与终端上下文关联关系，调用中继上下文单元得到中继相关信息，组装LoRaWAN中继帧，转发给中继侧数据帧处理单元处理；第六步，中继侧数据帧处理单元得到上行包后，调用中继上下文单元得到中继加密密钥和中继侧无线发射参数，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LoRaWAN物联网信号中继方法，所述LoRaWAN物联网包括移动终端、LoRa网关、网络服务器、应用服务器、注册服务器和网络控制器，其中所述移动终端、LoRa网关、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通；所述移动终端用于实现各种物联网终端功能，内置LoRaWAN Modem实现和网络的通信；所述LoRa网关用于实现LoRa信号上行接收转发，下行接收发送功能；所述网络服务器用于实现LoRaWAN MAC层协议功能，网络服务器为每个终端分配一个网络地址，保存一个转发上下文，保存有终端认证密钥；所述应用服务器用于实现LoRaWAN物联网应用，为每个终端保存一个会话上下文，保存有终端加密密钥；所述注册服务器用于实现LoRaWAN终端的认证，会话密钥生成功能，保存有每个终端的签约信息和根密钥，根密钥会在认证过程中生成终端加密密钥和终端认证密钥，分别传送给应用服务器和网络服务器；所述网络控制器用于实现对LoRaWAN网络的无线参数控制功能；其特征是，还包括LoRaWAN中继设备和中继服务器；所述LoRaWAN中继设备用于负责完成LoRa信号的复制和转发；所述中继服务器位于网络服务器后侧，负责完成对LoRaWAN中继设备的管理，帧解析和转发功能；其终端数据转发路径如下：移动终端、LoRaWAN中继设备、LoRa网关、网络服务器、中继服务器、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通；所述网络服务器支持仿真网关接口，识别出终端转发路径，并在终端上下文中增加转发路径标识，表明终端是从LoRaGW发送还是从Relay发送；所述LoRa网关支持仿真接口；所述仿真接口定义如下：1，中继服务器‑‑>网络服务器：UpDataMessage，上行数据消息：帧内容：LoRaWAN帧+RS相关ID；2，网络服务器‑‑>中继服务器：DownDataMessage，下行数据消息：帧内容：LoRaWAN帧+DevAddr+RS相关ID+RXDelay+JoinDelay。...

【技术特征摘要】
1.一种LoRaWAN物联网信号中继方法，所述LoRaWAN物联网包括移动终端、LoRa网关、网络服务器、应用服务器、注册服务器和网络控制器，其中所述移动终端、LoRa网关、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通；所述移动终端用于实现各种物联网终端功能，内置LoRaWANModem实现和网络的通信；所述LoRa网关用于实现LoRa信号上行接收转发，下行接收发送功能；所述网络服务器用于实现LoRaWANMAC层协议功能，网络服务器为每个终端分配一个网络地址，保存一个转发上下文，保存有终端认证密钥；所述应用服务器用于实现LoRaWAN物联网应用，为每个终端保存一个会话上下文，保存有终端加密密钥；所述注册服务器用于实现LoRaWAN终端的认证，会话密钥生成功能，保存有每个终端的签约信息和根密钥，根密钥会在认证过程中生成终端加密密钥和终端认证密钥，分别传送给应用服务器和网络服务器；所述网络控制器用于实现对LoRaWAN网络的无线参数控制功能；其特征是，还包括LoRaWAN中继设备和中继服务器；所述LoRaWAN中继设备用于负责完成LoRa信号的复制和转发；所述中继服务器位于网络服务器后侧，负责完成对LoRaWAN中继设备的管理，帧解析和转发功能；其终端数据转发路径如下：移动终端、LoRaWAN中继设备、LoRa网关、网络服务器、中继服务器、网络服务器、应用服务器依次两两数据互通；所述网络服务器支持仿真网关接口，识别出终端转发路径，并在终端上下文中增加转发路径标识，表明终端是从LoRaGW发送还是从Relay发送；所述LoRa网关支持仿真接口；所述仿真接口定义如下：1，中继服务器-->网络服务器：UpDataMessage，上行数据消息：帧内容：LoRaWAN帧+RS相关ID；2，网络服务器-->中继服务器：DownDataMessage，下行数据消息：帧内容：LoRaWAN帧+DevAddr+RS相关ID+RXDelay+JoinDelay。2.根据权利要求1所述的一种LoRaWAN物联网信号中继方法，其特征是，所述LoRaWAN中继设备包括如下组件：接入侧Modem驱动单元，用于负责对接入侧LoRaModem芯片的控制，物理帧的接收和发送；终端侧注册帧处理单元，用于负责终端侧的注册处理流程；终端侧转发上下文列表单元，用于保存和维护经过中继转发的所有终端的转发上下文，注册时创建，为后续终端进行数据转发服务；终端侧数据帧处理单元，用于负责终端侧的数据帧处理流程；下行帧缓存区单元，用于缓存终端的下行数据帧，等待发送时窗；帧适配转换与转发模块单元，用于负责在终端侧标准LoRaWAN帧/注册请求帧/注册接受帧和中继侧LoRaWAN中继帧间格式的适配转换和转发；RHDR头的产生和处理单元，用于负责产生上行帧中继头RHDR信息，负责处理下行帧中继头RHDR信息；中继上下文单元，用于负责保存和维护中继自身的上下文信息；中继侧数据帧处理单元，用于负责中继侧数据帧的发送和接收；中继侧Modem驱动单元，用于负责对中继侧LoRaModem芯片的控制，物理帧的接收和发送；中继相关ID关联表单元，用于负责产生中继相关ID，保存中继相关ID--终端上下文关联关系。3.根据权利要求1所述的一种LoRaWAN物联网信号中继方法，其特征是，所述LoRaWAN中继设备的内部包处理流程如下：A，上行包处理流程：第一步，接入侧Modem驱动单元从接入侧天线接收到一个包，产生接收时刻T，解析包类型MAC层头，如果是注册请求包则转发给终端侧注册帧处理单元处理，转第二步；如果是数据包则转发给终端侧数据帧处理单元处理，转第三步；第二步，当终端侧注册帧处理单元得到注册帧，到终端侧转发上下文列表单元建立一个新的终端上下文，保存接收时刻T，然后将包发送给帧适配转换与转发模块单元；第三步，当终端侧数据帧处理单元接收到上行包后，解码消息头应用帧头，得到终端DevAddr信息，查找终端侧转发上下文列表单元终端上下文列表，如果找不到，则丢弃；如果能够找到则保存接收时刻T，然后转发给帧适配转换与转发模块单元处理；第四步，终端侧数据帧处理单元同时根据终端侧转发上下文列表单元终端上下文信息查找当前下行帧缓存区是否有终端数据，如果有，则在终端下行时窗进行发送，如果没有，则产生一个下行发送时窗，该时窗在T+RxDelay+1秒前有效；第五步，帧适配转换与转发模块单元得到上行包后，调用RHDR头的产生和处理单元产生RHDR，对于注册请求帧，RHDR需要携带一个中继相关ID，保存与终端上下文关联关系，调用中继上下文单元得到中继相关信息，组装LoRaWAN中继帧，转发给中继侧数据帧处理单元处理；第六步，中继侧数据帧处理单元得到上行包后，调用中继上下文单元得到中继加密密钥和中继侧无线发射参数，将应用层信息进行加密后发送给中继侧Modem驱动单元；第七步，中继侧Modem驱动单元将上行包通过中继侧天线发送出去；B，下行包处理流程：第一步，中继侧Modem驱动单元从中继侧天线收到一个下行包，转发给中继侧数据帧处理单元处理；第二步，中继侧数据帧处理单元得到下行包后，调用中继上下文单元得到中继加密密钥，对包进行解...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇翔，
申请(专利权)人：中兴克拉科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32