一种应用于LoRaWAN的自适应时隙调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于LoRaWAN的自适应时隙调度方法。

背景技术

LoRa是低功耗广域网通信技术中的一种，根据LoRa联盟官方白皮书《what isLoRaWAN》的介绍，LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。LoRaWAN具有“低功耗”、“长距离”、“自组网”通信的特点，因此可以使用在大型建筑的长周期结构监测与消防监测中。但是，为了达到低功耗的目的，通常，LoRaWAN通信具有以下两个问题：

1)数据实时性问题

如申请号为201811033515.6的中国专利申请所述，LoRaWAN技术以低数据速率和更高的延迟为代价来实现远距离和低功耗，为了满足接入足够多的设备，需要采取一些限制措施，比如降低设备的通信速率或使用非确认的消息通信机制，使得在网络节点上报数据的时间间隔周期长，难以保证数据实时性。对于改进时隙的现有方法中，如申请号为201811033515.6和201910187121.4的中国专利申请均是由服务器分配固定时隙，没有根据具体场景标定异常节点的优先级，仍存在数据实时性不够的问题。

2)数据可靠性问题

对实时性的改进方式，通常是对网络中全部节点进行无区别地提高数据传输速率，如综述《A Survey on Adaptive Data Rate Optimization in LoRaWAN:RecentSolutions and Major Challenges》所述，LoRaWAN面临的主要挑战是LoRa规范中没有说明网络服务器如何对终端节点进行速率适配。因此，针对物联网技术的多种应用、服务质量要求、不同指标和射频条件，已经提出了许多自适应改进速率的方案，但这又会带来信道冲突、数据碰撞的问题，极大地影响数据可靠性。

发明内容

由于LoRaWAN具备低功耗、长距离、自组网等优点，同时带来了LoRaWAN数据传输的实时性不够的缺陷，现有的提高实时性的方法中仍存在数据碰撞、信道冲突的问题。本发明针对以上问题，提出一种应用于LoRaWAN的自适应时隙调度方法，在保证LoRaWAN优点的同时，让网络中各节点自适应、动态改变数据上行时隙，以提高优先节点数据传输实时性，规避信道冲突，确保提高优先节点数据传输可靠性。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种通过ALOHA和TDMA接入的LoRaWAN物联网，包括终端、网关、网络服务器和应用服务器，终端和网关通过LoRa无线通信连接，网关与网络服务器通过以太网有线连接，网络服务器和应用服务器通过本地网络服务连接；

终端包括传感器、第一主控芯片和LoRa射频芯片，用于定期采集和上传数据；

网关包括第二主控芯片和多通道LoRa射频芯片，用于转发终端和网络服务器的数据；

网络服务器包括网络资源服务器和转发服务器；网络资源服务器实行时间片资源管理和信道资源管理，用于对终端的信号进行初始的质量评估并分配扩频因子、通信速率及终端自身TDMA时隙，执行应用服务器的时隙分配指令来为终端动态分配时隙；转发服务器实现网关下行数据调度和上行数据转发；

应用服务器包括注册认证服务器、终端用户服务器和数据库；注册认证服务器提供终端的注册和入网认证服务，并为终端分配终端号和密钥；终端用户服务器进行数据分析、为终端进行动态的自身TDMA时隙分配，并为用户提供用于交互的界面；数据库用于存储数据评价标准和注册信息并缓存终端上行的数据。

一种应用于LoRaWAN的自适应时隙调度方法，分为日常监测情况和紧急监测情况；

基于上述功能模块，初始化和日常监测的时间片划分和具体步骤如下：

终端的时间片资源依据时间顺序分为：Beacon时间片、同步采集时间片、ALOHA时间片和TDMA时间片；Beacon时间片用于终端网络时间同步和接收广播消息，同步采集时间片用于终端采集传感器数据，ALOHA时间片用于终端上传入网申请，TDMA时间片内，终端仅在自己的时隙唤醒，上传传感器数据并接收单播下行消息，其余时间低功耗；

步骤1-1，网关在Beacon时间片发送Beacon信号，终端在上电以后等待第一个Beacon信号，在Beacon时间片锁定网关发出的Beacon信号后，在同步采集时间片进行采样，在ALOHA时间片请求接入网络，网关接收请求并将请求转发至网络服务器，网络服务器将请求转发到应用服务器；

步骤1-2，应用服务器收到终端请求后比对注册信息，比对成功后接受入网，分配密钥并将终端入网许可发送到网络服务器；

步骤1-3，网络服务器在收到应用服务器发出的入网许可后，根据在ALOHA时间片请求接入网络时刻的通信质量为终端规划初始的扩频因子、通信速率和终端自身TDMA时隙，并将规划结果和入网许可封装为数据包，通过网关下发至终端；

步骤1-4，终端收到网关发出的数据包后，根据数据包中的规划结果设置本地参数，初始化完成后进入低功耗状态并等待下一个Beacon信号；

步骤1-5，终端在收到第二个Beacon信号后进入日常监测模式：Beacon时间片内同步网络时间，同步采集时间片采集传感器数据，自身TDMA时隙上传数据，其余时间处于低功耗状态并等待下一个周期。

模式转换时的时间片划分和具体步骤如下：

终端的时间片资源依据时间顺序分为：Beacon时间片、同步采集时间片、ALOHA时间片和TDMA时间片；Beacon时间片用于终端网络时间同步和接收广播消息，同步采集时间片用于终端采集传感器数据，ALOHA时间片用于终端上传突发的消息，TDMA时间片内，终端仅在自己的时隙唤醒，上传传感器数据并接收单播下行消息，其余时间低功耗。

步骤2-1，日常监测模式下，应用服务器将所有终端在TDMA时间片上传的传感器数据与用户在终端服务器中预先设置并保存的数据区间进行实时比对；若上传的传感器数据在预先设置的数据区间之内，判定传感器数据对应的终端为正常终端，正常终端不分配自身TDMA时隙；否则判定为异常终端，应用服务器在下个周期将系统状态切换为紧急监测模式，并在Beacon时间片和同步采集时间片内为异常终端分配自身TDMA时隙，缩短紧急模式下的周期，随后下发时隙调整队列到网络服务器，时隙调整队列包括终端编号，终端正常或异常标识和分配的自身TDMA时隙；

步骤2-2，网络服务器接收应用服务器时隙调整队列和周期信息，在TDMA时间片内向终端下达分配的自身TDMA时隙信息，向网关下达周期信息；

步骤2-3，网关更改自身周期；

步骤2-4，终端在TDMA时间片收到分配的自身TDMA时隙信息后进行自我配置，同时将采集到的传感器数据上传给网关，网关转发传感器数据至网络服务器，网络服务器将传感器数据转发至应用服务器，等待下一周期的Beacon信号，此时系统状态转化为紧急监测模式。

紧急监测的时间片划分和具体步骤如下：

终端的时间片资源依据时间顺序分为：Beacon时间片、同步采集时间片、ALOHA时间片、TDMA时间片和下行时间片；Beacon时间片用于终端网络时间同步和接收广播消息，同步采集时间片用于终端采集传感器数据，ALOHA时间片用于终端上传突发的消息以及接收下行消息，TDMA时间片内，终端仅在自己的时隙唤醒，上传传感器数据并接收单播下行消息，其余时间低功耗，下行时间片用于网络服务器单播或广播消息。

步骤3-1，终端收到下一周期的Beacon信号，进入Beacon时间片实现时间同步，在同步采集时间片采集传感器信号；

步骤3-2，正常终端在ALOHA时间片内采用竞争上行的方式上传传感器数据并接收应用服务器应答信号，异常终端在自身TDMA时隙内上传传感器数据，并接收网络服务器新的自身TDMA时隙信息；

步骤3-3，应用服务器在ALOHA时间片和TDMA时间片内接收到各终端的传感器数据后进行数据比对，若上传的传感器数据在预先设置的数据区间之内，判定传感器数据对应的终端为正常终端，正常终端不分配自身TDMA时隙；否则判定为异常终端，并在Beacon时间片和同步采集时间片内为异常终端分配自身TDMA时隙，缩短紧急模式下的周期，随后下发时隙调整队列到网络服务器；网络服务器接收应用服务器时隙调整队列和周期信息，在TDMA时间片内向终端下达分配的自身TDMA时隙信息，向网关下达周期信息；

步骤3-4，网关更改自身周期；异常终端在自身TDMA时隙收到自身TDMA时隙信息，正常终端在下行时间片收到自身TDMA时隙信息；终端完成自身TDMA时隙配置并等待下一个Beacon信号，重复步骤3-1至步骤3-4。

本发明的有益效果是：

本发明所述方法在保证LoRaWAN低功耗、长距离通信等优点的前提下，改善其实时性、可靠性不够的缺陷，以适应更广的应用场景。通过节点数据信息，自适应、动态提高被关注的优先节点的实时性，且在提高实时性的同时，控制系统数据传输总量在一个合理的范围；通过自适应时隙调度算法，避免数据碰撞，保证被关注优先节点的数据传输可靠性。

附图说明

图1为本发明所述LoRaWAN物联网系统组成示意图；

图2为本发明所述自适应时隙调度方法的信道资源划分示意图；

图3为本发明所述自适应时隙调度方法的日常监测模式时间片划分示意图；

图4为本发明所述自适应时隙调度方法的紧急监测模式时间片划分示意图；

图5为本发明所述自适应时隙调度方法的系统初始化流程示意图；

图6为本发明所述自适应时隙调度方法的系统日常监测流程示意图；

图7为本发明所述自适应时隙调度方法的监测模式转化示意图；

图8为本发明所述自适应时隙调度方法的系统紧急监测流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种通过ALOHA和TDMA接入的LoRaWAN物联网，其系统组成示意图如图1所示，包括终端、网关、网络服务器和应用服务器，终端和网关通过LoRa无线通信连接，网关与网络服务器通过以太网有线连接，网络服务器和应用服务器通过本地网络服务连接；

终端包括传感器、第一主控芯片和LoRa射频芯片，用于定期采集和上传数据；

网关包括第二主控芯片和多通道LoRa射频芯片，用于转发终端和网络服务器的数据；

网络服务器包括网络资源服务器和转发服务器；网络资源服务器实行时间片资源管理和信道资源管理，用于对终端的信号进行初始的质量评估并分配扩频因子、通信速率及终端自身TDMA时隙，执行应用服务器的时隙分配指令来为终端动态分配时隙；转发服务器实现网关下行数据调度和上行数据转发；

应用服务器包括注册认证服务器、终端用户服务器和数据库；注册认证服务器提供终端的注册和入网认证服务，并为终端分配终端号和密钥；终端用户服务器进行数据分析、为终端进行动态的自身TDMA时隙分配，并为用户提供用于交互的界面；数据库用于存储数据评价标准和注册信息并缓存终端上行的数据。

基于上述系统，本实施例提供了一种应用于LoRaWAN的自适应时隙调度方法，分为日常监测情况和紧急监测情况；

基于上述功能模块，初始化和日常监测的流程示意图分别如图5和图6所示，具体步骤如下：

日常监测模式时间片划分示意图如图3所示，终端的时间片资源依据时间顺序分为：Beacon时间片、同步采集时间片、ALOHA时间片和TDMA时间片；Beacon时间片用于终端网络时间同步和接收广播消息，同步采集时间片用于终端采集传感器数据，ALOHA时间片用于终端上传入网申请，TDMA时间片内，终端仅在自己的时隙唤醒，上传传感器数据并接收单播下行消息，其余时间低功耗；

步骤1-1，网关在Beacon时间片地发送Beacon信号，终端在上电以后等待第一个Beacon信号，在Beacon时间片锁定网关发出的Beacon信号后，在同步采集时间片进行采样，在ALOHA时间片请求接入网络，此时终端与网关形成LoRa组网；因为终端和网关是采用LoRa无线连接，所以实现了多个终端的长距离、大范围组网；网关接收请求并将请求转发至网络服务器，网络服务器将请求转发到应用服务器；

步骤1-2，应用服务器收到终端请求后比对注册信息，比对成功后接受入网，分配密钥并将终端入网许可发送到网络服务器；

步骤1-3，网络服务器在收到应用服务器发出的入网许可后，根据在ALOHA时间片请求接入网络时刻的信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)为终端规划初始的扩频因子、通信速率和终端自身TDMA时隙，并将规划结果和入网许可封装为数据包，通过网关下发至终端；不同的扩频因子划分出不同的虚拟信道，各虚拟信道上的数据传输互不干扰。

步骤1-3-1，若SNR＝-20dB，根据SNR设置终端的扩频因子为12，进而决定终端的通信速率；原则是通信质量越差，通信速率越慢；通信速率包括数据速率和符号速率；

数据速率：

DR＝SF*(BW/2^SF)*CR

其中，DR(Data Rate)表示数据速率，SF(Spreading Factor)表示扩频因子，BW(Band Width)表示带宽，CR(Coding Rate)表示编码率，取值范围为1～4；

符号速率：

RS＝BW/2^SF

其中，RS(Rate of Symbol)表示单位时间内可实现的符号传输数量；

步骤1-3-2，计算数据传输时间，具体过程为：

计算符号时间：

TS＝1/RS

其中，TS(Time of Symbol)表示单个符号进行可靠传输所需要的时间。

计算前导码持续时间：

前导码持续时间＝(前导码长度+4.5)*TS

计算载荷符号数量：

其中，playloadSymNb表示载荷符号数量，max表示取最大值，ceil表示向上取整，PL表示有效负载的字节数；

使用报头时H＝0，否则为1。LowDateOptimize(低速率优化)是针对数据传输时间大于16ms的lora数据包，一般来说LoRaWAN的数据包必定开启，当其设置为1(默认为1)时，DE＝1，否则为0。

计算载荷持续时间：

载荷持续时间＝playloadSymNb*TS

计算数据传输时间：

数据传输时间＝前导码持续时间+载荷持续时间

步骤1-3-3，由1-3-1和1-3-2可得，具有相同信噪比的终端同时也具有相同的扩频因子，这些终端同属于一个虚拟信道。数据传输时间决定终端传输数据所需的最小时隙，根据扩频因子计算出通信速率、数据传输时间后，在为各终端划分自身TDMA时隙时，分配大于等于数据传输时间的时隙，同一虚拟信道内的终端均分一个完整的TDMA时间片。信道资源划分示意图如图2所示。

步骤1-4，终端收到网关发出的数据包后，根据数据包中的规划结果设置本地参数，初始化完成后进入低功耗状态并等待下一个Beacon信号；

步骤1-5，终端在收到第二个Beacon信号后进入日常监测模式：Beacon时间片内同步网络时间，同步采集时间片采集传感器数据，自身TDMA时隙上传传感器数据和终端编号，其余时间处于低功耗状态并等待下一个周期；

步骤1-6，在TDMA时间片内，网关收到终端发送的终端编号和传感器数据，转发给网络服务器，网络服务器收到后转发给应用服务器。

模式转换示意图如图7所示，具体步骤如下：

终端的时间片资源依据时间顺序分为：Beacon时间片、同步采集时间片、ALOHA时间片和TDMA时间片；Beacon时间片用于终端网络时间同步和接收广播消息，同步采集时间片用于终端采集传感器数据，ALOHA时间片用于终端上传突发的消息，TDMA时间片内，终端仅在自己的时隙唤醒，上传传感器数据并接收单播下行消息，其余时间低功耗。

步骤2-1，日常监测模式下，在每个日常监测周期内的TDMA时间片，应用服务器将所有终端在TDMA时间片上传的传感器数据与用户在终端服务器中预先设置并保存的数据区间进行实时比对；若上传的传感器数据在预先设置的数据区间之内，判定传感器数据对应的终端为正常终端，正常终端不分配自身TDMA时隙；否则判定为异常终端，应用服务器在下个周期将系统状态切换为紧急监测模式，并在Beacon时间片和同步采集时间片内为异常终端分配自身TDMA时隙，缩短紧急模式下的周期，随后下发时隙调整队列到网络服务器，时隙调整队列包括终端编号，终端正常或异常标识和分配的自身TDMA时隙；

异常终端自身TDMA时隙的分配原则：

根据异常终端的传感器数据与预先设置的数据区间的偏差值标定优先级，偏差值越大，优先级越高；将优先级分为三级，为一级异常终端分配物理信道中50％的TDMA时间片，为二级异常终端分配物理信道中30％的TDMA时间片，为三级异常终端分配物理信道中20％的TDMA时间片。

缩短紧急模式下的周期为日常监测模式下周期的一半。

步骤2-2，网络服务器接收应用服务器时隙调整队列和周期信息，在TDMA时间片内向终端下达分配的自身TDMA时隙信息，向网关下达周期信息；

步骤2-3，网关更改自身周期；

步骤2-4，终端在TDMA时间片收到分配的自身TDMA时隙信息后进行自我配置，同时将采集到的传感器数据上传给网关，网关转发传感器数据至网络服务器，网络服务器将传感器数据转发至应用服务器，等待下一周期的Beacon信号，此时系统状态转化为紧急监测模式。

紧急监测的流程示意图如图8所示，具体步骤如下：

紧急监测模式时间片划分流程示意图如图4所示，终端的时间片资源依据时间顺序分为：Beacon时间片、同步采集时间片、ALOHA时间片、TDMA时间片和下行时间片；Beacon时间片用于终端网络时间同步和接收广播消息，同步采集时间片用于终端采集传感器数据，ALOHA时间片用于终端上传突发的消息以及接收下行消息，TDMA时间片内，终端仅在自己的时隙唤醒，上传传感器数据并接收单播下行消息，其余时间低功耗，下行时间片用于网络服务器单播或广播消息。

步骤3-1，终端收到下一周期的Beacon信号，进入Beacon时间片实现时间同步，在同步采集时间片采集传感器信号；

步骤3-2，正常终端在ALOHA时间片内采用竞争上行的方式上传传感器数据并接收应用服务器应答信号，异常终端在自身TDMA时隙内上传传感器数据，并接收网络服务器新的自身TDMA时隙信息；

步骤3-3，应用服务器在ALOHA时间片和TDMA时间片内接收到各终端的传感器数据后进行数据比对，若上传的传感器数据在预先设置的数据区间之内，判定传感器数据对应的终端为正常终端，正常终端不分配自身TDMA时隙；否则判定为异常终端，并在Beacon时间片和同步采集时间片内为异常终端分配自身TDMA时隙，缩短紧急模式下的周期，随后下发时隙调整队列到网络服务器；网络服务器接收应用服务器时隙调整队列和周期信息，在TDMA时间片内向终端下达分配的自身TDMA时隙信息，向网关下达周期信息；

步骤3-4，网关更改自身周期；异常终端在自身TDMA时隙收到自身TDMA时隙信息，正常终端在下行时间片收到自身TDMA时隙信息；终端完成自身TDMA时隙配置并等待下一个Beacon信号，重复步骤3-1至步骤3-4。