一种基于LoRa的数据帧快速连续传输方法技术

本发明专利技术提出一种基于LoRa的数据帧快速连续传输方法，主要解决现有基于LoRa的数据帧连续传输方法用时偏多和控制开销偏大的问题。其实现方案是：通过对数据帧头部保留位的充分利用，使节点可以一次连续发送最多8个需确认数据帧和不限数量的无需确认数据帧，并且可以用一个自适应可变长确认帧对最多8个需确认数据帧进行回复，从而不仅能够加快数据帧的发送，减小数据帧延迟，而且还能够在总体上减少确认帧的数量，降低控制开销；可用于使用LoRa技术的无线通信系统或网络。

A fast and fast data frame transmission method based on LoRa

This invention proposes a fast and continuous transmission method of data frame based on LoRa, which mainly solves the problem that the existing method of continuous transmission of data frames based on LoRa is much more biased and the control overhead is large. In fact, the scheme is: by making full use of the reservation bit of the data frame head, the node can send up to 8 consecutive data frames and unlimited number of data frames at one time, and can use an adaptive variable length confirmation frame to reply to the maximum 8 confirmation data frames, which can not only speed up the data, but also speed up the data. The transmission of frames reduces data frame delay, and can also reduce the number of confirmed frames in general and reduce control overhead; it can be used for wireless communication systems or networks using LoRa technology.

【技术实现步骤摘要】
一种基于LoRa的数据帧快速连续传输方法
本专利技术属于使用低功耗广域物联网(Low-PowerWide-AreaInternetofThings)技术和超长距离超低功耗的数据传输(LongRange，简称LoRa)的
，尤其涉及在网络MAC层采用了LoRaWAN接入方式的无线广域物联网场合。
技术介绍
随着物联网的发展，越来越多可行的应用出现在工业中。当前被广泛使用的短距离无线连接技术(例如Bluetooth和ZigBee)不是非常适合许多低带宽长距离的应用场景。基于蜂窝技术的M2M解决方案以电量消耗为代价提供长距离通信，但这种解决方案不利于绿色环保，其它基于3GPP(例如GSM/GPRS,3G/4G/5G)的解决方案都有着相同的缺陷。物联网技术提供了一种更好的解决方案用来处理大量设备之间的通信，并且能够较好的平衡可靠性、距离、延迟和能耗之间的关系。作为物联网技术的一种高效可靠的技术支撑，低功耗广域技术成为该领域中发展最为迅速的技术之一。低功耗广域技术分为授权(如LTE-M、NB-IoT)和非授权(如SigFox、LoRa)两类，在各种低功耗广域技术中NB-IoT和LoRa两大技术占据着主导地位。LoRa技术由于其长距离、低功耗、超长寿命的特点以及其比较成熟的理论，使其在全世界范围内受到了很多学者研究和厂商的支持。LoRa是一种新兴的、基于1GHz以下非授权频段的低功耗长距离通信技术(参见文献[1]：IoTconnectivitymadeeasierwithSTM32MCUsandLoRa.SemtechCorporation,Presentations&TrainingMaterial[EB/OL].http://www.st.com/content/ccc/resource/sales_and_marketing/presentation/product_presentation/group0/b5/72/c6/ec/c8/e3/4a/8c/IoTaugmented_stm32-lrwan/files/IoTaugmented_stm32-lrwan.pdf/jcr:content/translations/en.IoTaugmented_stm32-lrwan.pdf,January2017.)。LoRa的物理层采用了一种增强型的基于CSS的扩频调制技术，该调制技术显著提高了数据传输的灵敏度，能够在868MHz频段下以-137dBm的灵敏度和433MHz频段下以-148dBm灵敏度正常通信。LoRa基站采用了带有自适应机制的多信道调制传输机，用来接收多个不同信道中的帧。扩频调制机制通过每个信号特定的扩频因子，使得扩频后的信号之间成正交关系，增强了通信节点的抗干扰能力。在LoRa调制技术中，吞吐量和通信距离依赖于LoRa的三个重要参数：BW(带宽)、CR(编码率)、SF(扩频因子)。BW代表射频调制的物理带宽(例如125KHz)，带宽越大，其有效的数据传输速率越高，传输时间也就越短。位速率与调频斜率和符号率之间的关系如下公式：从式中可以看出，数据速率Rb和SF成线性关系。SF代表扩频因子，其有效范围一般在6-12，不同的芯片支持可设置的扩频因子的有效范围不同。扩频因子越小，数据传输速率越高，但是其抗干扰能力也就越差，通信距离也将变短。LoRa通信系统中网关在终端设备和网络服务器之间透传帧，终端设备不与特定的网关相关联，一个数据包会经过很多个网关发送给核心服务器，这些数据包在内容上是相同的，区别在于其它性能指标(例如信号强度、数据的完整性)，因此要求核心服务器必须具备数据包过滤的能力、安全性校验能力、同时能发送ACKs回应网关；核心服务器收到数据包后选择整体性能最好的包发送给特定的网关。针对不同的应用场景和LoRa的相关特性，近来人们提出了一些解决方案，其中LoRa联盟对LoRa技术的传输机制做出了详解的阐述，LoRa联盟将设备运行模式划分为三类，分别对应三个不同级别的MAC协议：ClassA、ClassB、ClassC(参见文献[2]：SorninN,LuisM,EirichT,etal.LoRaWANSpecification[EB/OL].https://portal.lora-alliance.org/DesktopModules/Inventures_Document/FileDownload.aspx？ContentID＝1398,July2016.)，并对帧的连续传输机制也做了设计，具体如下：(1)下行数据连续传输机制在LoRa接入技术中，下行数据帧(“下行”指从网关到终端)的连续传输采用了Fpending机制，并且该机制只用在下行链路中。Fpending机制的基本思路是：在数据帧头部设置一个“Fending”位，用来表示网关是否还有后续帧需要发送给终端；如果该位置1表示还有后续帧需发送，置为0则表示没有。终端接收到Fending位置1的帧后，向网关发送一个数据帧或者空帧(无数据帧发送则发空帧；空帧是只有头部和尾部的帧)以便用来打开下一个接收窗口接收下行帧并且促使网关发送数据帧；网关每次发帧之前都需要收到终端发来的数据帧。(2)上行数据帧连续传输在LoRa接入技术中，上行数据帧(“下行”指从终端到网关)的连续传输和单个传输一样，没有做特别的设计。具体传输方式是：如果终端有多个数据帧需要发送给网关，则它先从MAC层发送缓存中取出第一个数据帧，发送给网关，接着等待一个或两个接收窗口的时间；然后取出第二个数据帧，发送给网关，又等待一个或两个接收窗口的时间；依此类似操作，直至所有数据帧都发送完毕。近来人们对LoRa技术开展了一些研究。孙曼等对LoRa技术的ClassA、ClassB和ClassC三种传输方式进行了深入剖析(参见文献[3]：孙曼,张乃谦,金立标,等.基于LoRa标准的MAC层协议研究[J].电视技术,2016,40(10):77-81.)，并指出ClassA的终端设备在应用中功耗最低且允许双向通信。文中对两个等确认信息的通信进行了相关的阐述，不过没有考虑对其传输机制的改进，其传输机制仍然采用LoRaWAN官方采用的相关传输机制。SanfratelloA在Enablingrelay-basedcommunicationinLoRanetworksfortheInternetofThings:design,implementationandexperimentalevaluation(参见文献[4]：SanfratelloA.Enablingrelay-basedcommunicationinLoRanetworksfortheInternetofThings:design,implementationandexperimentalevaluation[D].Italy:Universit`adiPisa.2016.)一文中提出一种基于TDMA的LoRa传输方式，文中将时隙分为BindPhase和TransmissionPhase两个阶段。在BindPhase阶段，终端进行中继的寻找和认证，TransmissionPhase阶段进行信息的交互。但这种基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LoRa的快速数据帧连续传输方法，其特征是：包括以下步骤：(1)每个节点均在MAC层设置：1)一个容量为8个最大长度数据帧的待确认数据帧缓存，用于存储已经发送但还没收到对应确认信息的需确认数据帧；同时，设置一个“等待接收确认帧”参数(用“wait”表示)，用于表示是否在等待接收已发数据帧对应的确认帧，其值＝0表示未等待，其值≠0表示在等待，在等待时间内不能发送新的数据帧，缺省默认值为0。2)一个长度为8位的2进制矢量——需确认数据帧接收矢量(用“WV”表示)，用于记录成功接收需确认数据帧的状况，矢量中每一位元素的位置对应需确认数据帧的编号，元素的值为“1”表示成功收到该元素所在位置对应的需确认数据帧，值为“0”表示未收到，缺省默认值为“0”。3)一个“当前目的MAC地址”的参数(用“MAC_A”表示)，用于表示当前正在发生的这一批数据帧的目的MAC地址，缺省初始值为‑1。(2)一个节点判断：wait是否等于0：若不等于，则当前节点执行数据帧确认和重传操作，完成后设置：wait＝0，MAC_A＝‑1；然后执行下一步。如等于，不进行任何操作。(3)当前节点判断：在自己的MAC层发送缓存中有无待发的分组？如果有，执行数据帧发送操作，然后执行下一步；如果无，不进行任何操作。(4)当前节点判断：是否收到对方节点发给自己的数据帧：如果是，处理收到的数据帧。如果否，不进行任何操作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于LoRa的快速数据帧连续传输方法，其特征是：包括以下步骤：(1)每个节点均在MAC层设置：1)一个容量为8个最大长度数据帧的待确认数据帧缓存，用于存储已经发送但还没收到对应确认信息的需确认数据帧；同时，设置一个“等待接收确认帧”参数(用“wait”表示)，用于表示是否在等待接收已发数据帧对应的确认帧，其值＝0表示未等待，其值≠0表示在等待，在等待时间内不能发送新的数据帧，缺省默认值为0。2)一个长度为8位的2进制矢量——需确认数据帧接收矢量(用“WV”表示)，用于记录成功接收需确认数据帧的状况，矢量中每一位元素的位置对应需确认数据帧的编号，元素的值为“1”表示成功收到该元素所在位置对应的需确认数据帧，值为“0”表示未收到，缺省默认值为“0”。3)一个“当前目的MAC地址”的参数(用“MAC_A”表示)，用于表示当前正在发生的这一批数据帧的目的MAC地址，缺省初始值为-1。(2)一个节点判断：wait是否等于0：若不等于，则当前节点执行数据帧确认和重传操作，完成后设置：wait＝0，MAC_A＝-1；然后执行下一步。如等于，不进行任何操作。(3)当前节点判断：在自己的MAC层发送缓存中有无待发的分组？如果有，执行数据帧发送操作，然后执行下一步；如果无，不进行任何操作。(4)当前节点判断：是否收到对方节点发给自己的数据帧：如果是，处理收到的数据帧。如果否，不进行任何操作。2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的快速数据帧连续传输方法，其特征是：步骤(3)中“数据帧发送操作”，包括以下步骤：3.1)当前节点判断：当前正在发送的数据帧批次是否已发送完毕：若是，则在一个新的连续发送数据帧批次中发送MAC层发送缓存中的第一个待发分组；如果不是，不进行任何操作。3.2)当前节点判断：MAC层发送缓存中的第一个待发分组能否放在当前正在发送的数据帧批次中发送：如果能，则将第一个待发分组放在当前正在发送的数据帧批次中发送。如果不能，则让第一个待发分组在MAC层发送缓存中继续等待，等到当前批次的数据帧...

【专利技术属性】
技术研发人员：任智，王坤龙，李秀峰，葛理威，曹建玲，雷宏江，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50