基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法技术

本发明专利技术涉及基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，与现有技术相比解决了LoRaWAN网络中的终端设备不可精准管理、LoRaWAN协议与IPv6协议无法直接融合的问题。本发明专利技术包括以下步骤：无线传感采集终端IPv6地址的生成；对无线传感采集终端的数据进行打包；IPv6数据包分片；IPv6数据报头的压缩；无线传感数据的发送；无线传感网关的数据接收；接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理。本发明专利技术将LoRa终端引入IPv6地址来拟补LoRaWAN设备不可精准管理的不足。

Wireless sensor network communication method based on lorawan and IPv6 protocol

【技术实现步骤摘要】
基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法
本专利技术涉及无线传感器网络
，具体来说是基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法。
技术介绍
近年来，随着物联网和信息化的发展，低功耗无线传感网络已经成为应用大数据的重要基础之一。因此，传感数据在网络传输中的高效性、安全性和准确性成为低功耗无线传感网络通信的关键技术。在数据的传输过程中，传感数据通过异构网络的方式、结构和流程是影响整个通信网络优劣的关键因素。低功耗广域网(LPWAN，LowPowerWideAreaNetwork)是一种远距离低功耗的无线通信网络，由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点适合于大规模的物联网应用部署。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，它基于扩频技术的超远距离无线传输方案，改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，其优秀的远距离、低功耗、大容量的网络系统是其他LPWAN通信技术无法比拟的，但是它自身单一的星型网络架构也限制了其组网能力。由于IPv4的网络地址资源有限，严重制约了物联网的应用和发展，因此，互联网工程任务组(IETF)设计了用于替代IPv4的IPv6协议，IPv6是英文“InternetProtocolVersion6”(互联网协议第6版)的缩写，其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。IPv6的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。在无线传感网中将具有远距离、低功耗和大容量等优点的LoRaWAN协议与拥有庞大地址池的IPv6协议进行融合，使之具有LoRa优点的同时，还能拥有IPv6网络的丰富灵活组网模式和高效精准的控制能力，能够解决无线传感网络发展的重大问题。但是，将这两者异构网络进行融合还存在很多技术问题，如：在LoRaWAN网络中并不存在IP地址概念，无法在LoRaWAN的协议终端直接部署IPV6地址；IPv6协议规定数据链路层具有的最小的MTU(MaximumTransmissionUnit，最大传输单元)为1280个字节，而对于LoRaWAN网络而言，数据链路层的MTU远远小于1280个字节；同时，LoRa技术是低功耗广域网通信技术之一，数据传输速率和有效负载较低，采用868MHZ频段时，传输速仅0.3kbps-5kbps，有效负载大小仅有51-242Byte，而IPv6数据报基本首部就多达40Byte，致使LoRaWAN网络传输效率十分低下。因此，如何开发出一种网络通信方法能够将LoRaWAN与IPv6有效融合已经成为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决LoRaWAN网络中的终端设备不可精准管理、LoRaWAN协议与IPv6协议无法直接融合的问题，提供一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，包括以下步骤：无线传感采集终端IPv6地址的生成：根据LoRa的设备地址生成无线传感器的IPv6地址；对无线传感采集终端的数据进行打包：IPv6-LoRaWAN协议将需要传输的数据进行数据打包；IPv6数据包分片：IPv6-LoRaWAN协议对携带传感数据的IPv6包进行去冗余分片处理；IPv6数据报头的压缩：将IPv6-LoRaWAN协议栈上的IPv6报头进行动态上下文压缩，形成IPv6数据包；无线传感数据的发送：发送端无线传感终端通过IPv6-LoRaWAN协议发送IPv6数据包；无线传感网关的数据接收：无线传感网关通过IPv6-LoRaWAN协议接收IPv6数据包；接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理：IPv6-LoRaWAN协议对无线传感网络的IPv6数据包进行解压与去冗余重组处理。所述无线传感采集终端IPv6地址的生成包括以下步骤：采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀；通过无状态自动获取方法，读取ICMPv6报文中的IPv6地址前缀通告，作为无线传感器节点的IPv6地址前缀；根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址：DevAddr是一个类似MAC的全球唯一ID，标识唯一的终端设备，是由一个7位的NwkId和25位的NwkAddr构成的，在32位DevAddr地址的NwkId和NwkAddr中间插入一个16位的0xFFFE构成LoRa终端的伪MAC地址；由IEEEEUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符：根据IPv6无状态地址获取机制，先将伪MAC地址映射到EUI-64地址，然后对U/L位求反，构成最终的IPv6接口标识符；结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6-LoRaWAN协议中最终构成完整的IPv6地址。所述IPv6数据包分片包括以下步骤：判断IPv6-LoRaWAN网络中IPv6数据报是否满足数据报分片判断公式，数据报分片判断公式如下：Fv6<PayloadSymbNb<6LPMTU其中，Fv6为IPv6的有效数据报，其大小由有载荷数据大小决定；PayloadSymbNb为LoRa网络中数据帧的有效负载符号数，由以下公式计算出：其中，PL为有效负载的字节数，SF表示当前LoRa设置的扩频因子，H为报头标识，DE为LowDataRateOptimize的标志位，CR标识编码率；6LPMTU为网络链路的最大传输单元，由以下公式计算出：其中，PR为前导码，根据实际数据密度来设置它的变量n，HD为报头位数，仅在显式报头模式下进行计算，在隐式报头模式下值0，CRC为效验位，打开CRC效验后为16位长；当LoRa网络中数据帧的有效负载符号数PayloadSymbNb不满足数据长度判断公式时，对该数据包进行分片处理。所述IPv6数据报头的压缩包括以下步骤：IPv6-LoRaWAN网关将传感数据的IPv6报头与压缩模型进行匹配，若匹配到压缩模型则进行对应的压缩，并使用对应的压缩规则编号；对未匹配到压缩模型的IPv6报头则对该IPv6报头进行解析，记录报头各字段，根据字段生成基础表base_1；对产生相同base基础表的报文进行重复次数计数；监测base重复次数达到最大重复数后，对base进行压缩，生成压缩规则表rule_1，同时删除base_1并公布压缩模型rule_1。所述接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理包括以下步骤：接收端无线传感器对经过动态上下文压缩后的IPv6数据包进行解压；对解压后的分片数据进行重组：IPv6-LoRaWAN网络中监测到分片标志位后，通过分片偏移对分片数据进行重组，分片偏移字段占13位长，以8字节为单位对分片报进行测量，并指定特定相对于原始未分段的IP数据报的开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：/n11)无线传感采集终端IPv6地址的生成：根据LoRa的设备地址生成无线传感器的IPv6地址；/n12)对无线传感采集终端的数据进行打包：IPv6-LoRaWAN协议将需要传输的数据进行数据打包；/n13)IPv6数据包分片：IPv6-LoRaWAN协议对携带传感数据的IPv6包进行去冗余分片处理；/n14)IPv6数据报头的压缩：将IPv6-LoRaWAN协议栈上的IPv6报头进行动态上下文压缩，形成IPv6数据包；/n15)无线传感数据的发送：发送端无线传感终端通过IPv6-LoRaWAN协议发送IPv6数据包；/n16)无线传感网关的数据接收：无线传感网关通过IPv6-LoRaWAN协议接收IPv6数据包；/n17)接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理：IPv6-LoRaWAN协议对无线传感网络的IPv6数据包进行解压与去冗余重组处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
11)无线传感采集终端IPv6地址的生成：根据LoRa的设备地址生成无线传感器的IPv6地址；
12)对无线传感采集终端的数据进行打包：IPv6-LoRaWAN协议将需要传输的数据进行数据打包；
13)IPv6数据包分片：IPv6-LoRaWAN协议对携带传感数据的IPv6包进行去冗余分片处理；
14)IPv6数据报头的压缩：将IPv6-LoRaWAN协议栈上的IPv6报头进行动态上下文压缩，形成IPv6数据包；
15)无线传感数据的发送：发送端无线传感终端通过IPv6-LoRaWAN协议发送IPv6数据包；
16)无线传感网关的数据接收：无线传感网关通过IPv6-LoRaWAN协议接收IPv6数据包；
17)接收端无线传感器的分片数据去冗余重组与解压处理：IPv6-LoRaWAN协议对无线传感网络的IPv6数据包进行解压与去冗余重组处理。


2.根据权利要求1所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，所述无线传感采集终端IPv6地址的生成包括以下步骤：
21)采用无状态自动获取方法通过ICMPv6前缀通告获取IPv6网络前缀；通过无状态自动获取方法，读取ICMPv6报文中的IPv6地址前缀通告，作为无线传感器节点的IPv6地址前缀；
22)根据LoRa终端32位的DevAddr生成一个48位的伪MAC地址：DevAddr是一个类似MAC的全球唯一ID，标识唯一的终端设备，是由一个7位的NwkId和25位的NwkAddr构成的，在32位DevAddr地址的NwkId和NwkAddr中间插入一个16位的0xFFFE构成LoRa终端的伪MAC地址；
23)由IEEEEUI-64规则将48位的伪MAC地址转换为64位的接口标识符：根据IPv6无状态地址获取机制，先将伪MAC地址映射到EUI-64地址，然后对U/L位求反，构成最终的IPv6接口标识符；
24)结合前缀通告获取到的网络前缀在IPv6-LoRaWAN协议中最终构成完整的IPv6地址。


3.根据权利要求1所述的基于LoRaWAN与IPv6协议的无线传感网络通信方法，其特征在于，所述IPv6数据包分片包括以下步骤：
31)判断IPv6-LoRaWAN网络中IPv6数据报是否满足数据报分片判断公式，数据报分片判断公式如下：
Fv6&l...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶元，杨寿立，张武，姚越，王露露，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34