CN107769834B - 一种LoRaWAN物联网信号中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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。

Description

一种LoRaWAN物联网信号中继方法

技术领域

本发明涉及一种LoRaWAN物联网信号中继方法，属于LoRaWAN物联网技术领域。

背景技术

在无线通讯技术领域，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(Media Access Control：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(几百～10K bps)，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LoRaWAN ClassA(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。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明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，本发明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，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107LoRaWAN Relay包括如下组件：

接入侧Modem驱动单元，用于负责对接入侧LoRa Modem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LoRa Modem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，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，对包进行解密，解密后传送给帧适配转换与转发模块单元处理；

第三步，帧适配转换与转发模块单元得到下行包后，解码309RHDR，判断下行帧信息，如果是注册接受帧则转发给终端侧注册帧处理单元处理，转第四步；如果是数据帧，则转发给终端侧数据帧处理单元处理，转第五步；

第四步，终端侧注册帧处理单元收到注册接受帧后，根据RHDR的信息中继相关ID找到终端转发上下文，将DevAddr，JoinDelay，RxDelay信息更新到终端转发上下文中，根据上下文中接收帧时刻T和JoinDelay确定下发时刻，在该时刻点将注册接受帧发送给接入侧Modem驱动单元；

第五步，终端侧数据帧处理单元收到下行数据帧后，根据DevAddr信息查找终端侧转发上下文列表单元终端转发上下文，如果当前有下行发送时窗，则根据下行窗口转发帧给接入侧Modem驱动单元，否则缓存到下行帧缓存区中；如果找不到终端转发上下文，则丢弃；

第六步，接入侧Modem驱动单元收到下行帧时，通过终端侧天线发射出去。

优选地，所述108LoRaWAN RS由如下组件组成：

接口收发处理接口收发处理模块，用于负责完成接口的消息收发，接口和正常的NS--AS接口完全一致；

中继数据帧处理中继数据帧处理模块，用于负责对所有中继数据帧的处理；

中继应用上下文中继应用上下文模块，用于保存和维护中继的应用上下文，中继注册时创建，为后续中继进行数据转发服务；

中继转发终端列表中继转发终端列表模块，用于负责保存和维护所有经过中继转发的终端地址列表，维护中继--转发终端的归属关系；

RHDR头的产生和处理RHDR头的产生和处理模块，用于负责处理上行帧RHDR头信息，负责产生下行帧的RHDR信息；

帧适配转换与转发模块帧适配转换与转发模块，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；

仿真LoRaGW数据帧处理仿真LoRaGW数据帧处理模块，用于面向103NS，仿真LoRaGW，因此需要构造仿真LoRaGW的数据帧；

接口115收发处理接口115收发处理模块，用于负责完成接口115数据收发处理，接口115仿真的是LoRaGW--NS间的接口；

RS关联表RS关联表模块，用于负责产生和维护RS关联ID，保存RS关联ID和中继标识+上行RHDR头信息的映射。

优选地，所述108RS的内部包转发流程如下：

A，上行包处理流程：

第一步，接口收发处理模块从NS(中继)收到一个上行包，转发给中继数据帧处理模块进行处理；

第二步，中继数据帧处理模块调用中继应用上下文模块得到中继的加密密钥，对上行包进行解密，解密后将包内容转发给帧适配转换与转发模块进行处理；

第三步，帧适配转换与转发模块对上行RHDR进行解码缓存，根据上行帧类型选择处理路径，如果是上行注册请求帧转第四步处理，如果是上行数据帧转第五步处理；

第四步，对于上行注册请求帧，到RS关联表模块产生一个RS关联ID，建立一个RS关联ID和中继标识+上行帧RHDR的映射关系，然后将RS关联ID+应用层负荷转发给仿真LoRaGW数据帧处理模块处理；

第五步，对于上行数据帧，剥离RHDR，将应用层负荷转发给仿真LoRaGW数据帧处理模块处理；

第六步，仿真LoRaGW数据帧处理模块将应用层负荷重构为一个标准LoRaWAN包，并仿真LoRaGW构建头信息(携带RS关联ID(注册请求帧))，转发给接口115收发处理模块处理；

第七步，接口115收发处理模块将包转发给NS(终端)处理；

B，下行包处理流程：

第一步，接口115收发处理模块从NS(终端)收到一个下行包，转发给仿真LoRaGW数据帧处理模块进行处理；

第二步，仿真LoRaGW数据帧处理模块剥离仿真LoRaGW的相关头信息，得到RS关联ID，RXDelay，JoinDelay(注册接受帧时)和DevAddr信息，将这些信息+下行帧负荷转发给帧适配转换与转发模块进行处理；

第三步，帧适配转换与转发模块根据下行帧类型选择处理路径，如果是下行数据帧转第四步，如果是下行注册接受帧转第五步；

第四步，对于下行数据帧，根据DevAddr查找中继转发终端列表模块中继转发终端列表，如果查找不到，则丢弃，否则调用RHDR头的产生和处理模块产生RHDR，将中继标识+RHDR+下行数据帧内容转发给中继数据帧处理模块处理；

第五步，对于下行注册接受帧，根据RS关联ID到RS关联表模块找到对应的中继标识和上行帧RHDR，根据中继标识和DevAddr到中继转发终端列表模块增加一个新的记录；随后根据上行帧RHDR剥离中继相关ID，利用中继相关ID+DevAddr+RxDelay+JoinDelay产生一个下行帧RHDR，将中继标识+RHDR+下行注册接受帧内容转发给中继数据帧处理模块处理；

第六步，中继数据帧处理模块根据中继标识查找该中继的应用上下文，得到加密密钥，对于RHDR+下行帧内容进行加密，构建一个LoRaWAN中继帧，转发给接口收发处理模块；

第七步，接口收发处理模块将接收的下行帧转发给NS(中继)处理。

一种LoRaWAN终端注册方法，其特征是，包括如下步骤：

1.LoRaWAN中继设备像终端一样完成注册，网络服务器为LoRaWAN中继设备分配设备地址，中继服务器得到LoRaWAN中继设备的注册信息；

2.移动终端正常发起注册，LoRaWAN中继设备收到移动终端的注册帧后，记录定时器T1，本地产生上行309RHDR，内含402相关ID，同注册帧一起封装成一个LoRaWAN中继帧发送给网络服务器，网络服务器接收后，正常转发给中继服务器处理；

3.中继服务器解析上行309RHDR，判断是注册请求帧，保存上行309RHDR，然后本地产生一个RS关联ID，和上行309RHDR关联；将中继帧的306FRMPayload还原成101终端的注册帧，通过接口再转发给网络服务器处理，携带RS关联ID；

4.网络服务器收到移动终端的注册帧后，除了标注是通过中继传送，其他流程完全一致，为其分配403设备地址，转发给104JS处理；

5.104JS完成移动终端的注册处理后，返回注册接受帧给网络服务器，104JS有终端的签约信息，保存有终端的下行窗口发送时延404RXDelay和注册接受帧发送延时405JoinDelay参数，通过注册接受帧发送给网络服务器；

6.网络服务器收到移动终端注册接受帧后，建立终端转发上下文，保存终端相关签约参数，同时设置终端转发路径是中继传送；再通过接口将注册接受帧转发给中继服务器处理，携带402RS关联ID，注册接受帧发送延时405JoinDelay，下行窗口发送延时404RXDelay；

7.中继服务器收到移动终端的下行注册接受帧，通过RS关联ID找到上行309RHDR，得到402关联ID，再和403终端设备地址，下行窗口发送延时404RXDelay，注册接受帧发送延时405JoinDelay添加到下行309RHDR中，封装为LoRaWAN中继帧通过网络服务器(Relay)下发给LoRaWAN中继设备；

8.LoRaWAN中继设备收到下行的LoRaWAN中继帧后，剥离下行309RHDR，还原移动终端的注册接受帧；下行309RHDR中有LoRaWAN中继设备产生的402相关ID，403终端设备地址，下行数据发送延时404RXDelay，注册接受帧发送延时405JoinDelay；于是建立一个终端转发上下文，保存这些信息；通过402相关ID找到关联的上行注册帧，得到定时器T1，再根据JoinDelay确定发送时间T2＝T1+JoinDelay；

9.T2到后，LoRaWAN中继设备将移动终端注册接受帧下发给终端，完成处理。

优选地，JoinDelay大于107Relay--103NS上行转发时延+下行转发时延。

一种LoRaWAN终端转发方法，其特征是，包括如下步骤：

1.由于107Relay是个持续供电设备，一直可以接收网络下行包，因此对于101终端的下行数据，103NS(Mote)不缓存，直接传送给108RS，108RS立即传送给107Relay，由107Relay来缓存下来；

2.当101终端发送上行数据帧时，107Relay收到上行LoRaWAN帧，记录当前时间T3，本地根据终端的设备地址查找转发上下文，如果有，则本地产生一个上行309RHDR，封装成一个LoRaWAN中继帧转发给103NS；同时107Relay分析该终端的转发上下文是否缓存有下行帧，如果有，则根据T3+RxDelay确定下发时间点T4，在T4时刻将101终端下行帧发送出去；

3.103NS接收到107Relay的中继LoRaWAN帧后，通过116接口转发给108RS处理；

4.108RS剥离上行309RHDR，还原101终端的LoRaWAN帧，再通过115接口转发给103NS处理；

5.103NS接收到101终端的LoRaWAN帧，按照正常处理流程转发给105AS。

优选地，针对通过中继传送的终端，103NS为这些终端调整Receive_Delay>107Relay--103NS的上行转发时延+下行转发时延，这时终端下行帧依然可以在103NS中缓存，当103NS收到上行帧时，立即把下行包发送给107Relay，这样107Relay接受包比T4早，依然能够传送给101终端。

本发明所达到的有益效果：本方法能够解决LoRaWAN的盲区覆盖问题，并使得常规MAC中继实现LoRaWAN的信号中继问题。

附图说明

图1是LoRaWAN典型网络示意图；

图2是LoRaWAN Relay方案示意图；

图3LoRaWAN和Relay中继帧帧结构示意图；

图4FHDR和RHDR头部结构示意图；

图5LoRaWAN Relay内部示意图；

图6107LoRaWAN Relay内部模块示意图；

图7108RS内部模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本专利中所涉及的LoRaWAN网络采用经典结构，如附图1所示：

1，101Mote(Mobile Teminal:移动终端)：实现各种物联网终端功能，内置LoRaWANModem实现和网络的通信；

2，102LoRaGW(LoRa Gateway:LoRa网关)：实现LoRa信号上行接收转发，下行接收发送功能；

3，103NS(Network Server：网络服务器)：实现LoRaWAN MAC层协议功能，NS为每个终端分配一个Net Address(网络地址)，保存一个转发上下文，保存有终端认证密钥；

4，104AS(Application Server：应用服务器)：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；

5，105JS(Join Server：注册服务器)：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104AS和103NS；

6，106NC(Network Controler：网络控制器)：实现对LoRaWAN网络的无线参数控制功能；

按照经典的LoRaWAN网络，终端数据转发路径如下：

101Mote<-->102LoRaGW<-->103NS<-->104AS

本发明所述LoRaWAN信号中继方案如附图2所示：

相对典型LoRaWAN***，增加了如下两个网元：

1，107LoRaWAN Relay(中继)：LoRaWAN中继设备，负责完成LoRa信号的复制和转发；

2，108RS(Relay Server：中继服务器)：位于NS后侧，负责完成对Relay设备的管理，Relay数据的转发功能，相当于一个特殊的AS；

采用Relay后，终端数据转发路径如下：

101Mote<-->107Relay<-->102LoRaGW<-->103NS(Relay)<-->108RS<-->103NS(Mote)<-->104AS

上面方案中，接口115(RS<--->NS)模拟的是接口110(LoRaGW<--->NS)，接口(NS<--->RS)采用的是接口111(NS<--->AS)。

Relay设备面对基站行为类似于一个持续供电的终端，面向终端行为类似于基站，Relay设备为多个终端服务，需要持续供电。为了避免两个天线相互干扰，需要把两个天线的工作频点分开，逻辑结构如图5所示，由如下组件组成：

1，501：MCU(Micro Control Unit)：微型CPU；

2，502：Modem：LoRa Modem芯片，处理接入侧LoRa信号；

3，503：Modem：LoRa Modem芯片，处理中继侧LoRa信号；

4，504：接入侧天线；

5，505：中继侧天线；

中继设备从接入侧接收的帧结构为标准LoRaWAN帧结构，参见LoRaWAN V1.0.2规范第4章，如图3所示：

LoRaWAN帧有三种类型，分别是注册请求帧，注册接受帧，数据帧。

LoRaWAN数据帧由如下几个部分组成：

301：Preamble：前导码；

302：PHDR：Physical Header：物理头；

303：MHDR：MAC Header：MAC层头；

304：FHDR：Frame Header：应用帧头(有帧地址信息)，具体结构参考图4，包括405DevAddr(终端设备地址)，406FCtrl(控制信息)，407FCnt(帧计数器)和408FOpts(可选字段)信息；

305：Port：应用端口；

306：FRAPayload：Frame Payload：应用帧负荷，加密数据；

307：MIC：Message Integrity Code：消息完整性校验码，对整个MAC层信息进行鉴权；

308：CRC：Cyclic Redundancy Code：循环冗余码；

其中，301，302，308为物理层字段；303，307为MAC层字段，304，305，306为应用层字段；

LoRaWAN注册请求帧和注册接受帧与数据帧的差别主要是应用层字段不同。

LoRaWAN注册请求帧应用层字段是310：JoinReq Payload：保存注册请求相关信息；

LoRaWAN注册接受帧应用层字段是311：JoinAccept Payload：保存注册接受相关信息；

对于中继来说，可以解码物理层和MAC层字段，但应用层字段是加密数据，无法解码。

中继设备面向LoRaGW的帧结构为LoRaWAN中继帧帧结构，在原有LoRaWAN帧的306应用层负荷字段前增加了309RHDR(Relay Header)字段，RHDR信息如附图4所示：

309RHDR包括如下几个字段：

401：Flag：标识后面几个字段是否出现；

402：中继相关ID：由中继产生，用于注册请求帧和注册接受帧的关联(可选)；

403：DevAddr：设备地址(可选)；

404：RxDelay：标识下行数据帧发送窗口时延(可选)；

405：JoinDelay：标识注册接受帧发送窗口时延(可选)；

中继设备需要在接入侧和中继侧收发帧间进行帧结构映射，如图3所示，上行时将接入侧的LoRaWAN帧的MAC层+应用层字段映射到中继帧306 FRMPayload字段中；下行反之。

对于102LoRaGW和103NS来说，对LoRaWAN中继帧的处理类似于通用LoRaWAN帧，309RHDR只有108RS来识别处理。

对于103NS来说，虽然接口115是仿真接口110，但还是有些差别，需要携带中继转发相关信息。

增加中继后的终端注册流程如下：

第一步，107Relay象一个终端一样完成注册，103NS为107Relay分配设备地址，108RS得到107Relay的注册信息；

第二步，101终端正常发起注册，107Relay收到101终端的注册帧后，记录定时器T1，本地产生上行309RHDR(内含402相关ID)，同注册帧一起封装成一个LoRaWAN中继帧发送给103NS，103NS(Relay)接收后，正常转发给108RS处理；

第三步，108RS解析上行309RHDR，判断是注册请求帧，保存上行309RHDR，然后本地产生一个RS关联ID，和上行309RHDR关联；将中继帧的306FRMPayload还原成101终端的注册帧，通过接口115再转发给103NS(Mote)处理，携带RS关联ID；

第四步，103NS(Mote)收到101终端的注册帧后，除了标注是通过中继传送，其他流程完全一致，为其分配403设备地址，转发给104JS处理；

第五步，104JS完成101终端的注册处理后，返回注册接受帧给103NS(Mote)，104JS有终端的签约信息，保存有终端的下行窗口发送时延404 RXDelay和注册接受帧发送延时405JoinDelay参数，通过注册接受帧发送给103NS；

第六步，103NS(Mote)收到101终端注册接受帧后，建立终端转发上下文，保存终端相关签约参数，同时设置终端转发路径是中继传送。再通过接口115将注册接受帧转发给108RS处理，携带402RS关联ID，注册接受帧发送延时405JoinDelay，下行窗口发送延时404RXDelay；

第七步，108RS收到101终端的下行注册接受帧，通过RS关联ID找到上行309RHDR，得到402关联ID，再和403终端设备地址，下行窗口发送延时404RXDelay，注册接受帧发送延时405JoinDelay添加到下行309RHDR中，封装为LoRaWAN中继帧通过103NS(Relay)下发给107Relay；

第八步，107Relay收到下行的LoRaWAN中继帧后，剥离下行309RHDR，还原101终端的注册接受帧；下行309RHDR中有107Relay产生的402相关ID，403终端设备地址，下行数据发送延时404RXDelay，注册接受帧发送延时405JoinDelay；于是建立一个终端转发上下文，保存这些信息；通过402相关ID找到关联的上行注册帧，得到定时器T1，再根据JoinDelay确定发送时间T2＝T1+JoinDelay；

第九步，T2到后，107Relay将101终端注册接受帧下发给终端，完成处理。

当JoinDelay设计得大于107Relay--103NS的上行转发时延+下行转发时延大时，这个中继流程是能够实现的。

增加中继后的终端转发流程如下：

第一步，由于107Relay是个持续供电设备，一直可以接收网络下行包，因此对于101终端的下行数据，103NS(Mote)不缓存，直接传送给108RS，108RS立即传送给107Relay，由107Relay来缓存下来；

第二步，当101终端发送上行数据帧时，107Relay收到上行LoRaWAN帧，记录当前时间T3，本地根据终端的设备地址查找转发上下文，如果有，则本地产生一个上行309RHDR，封装成一个LoRaWAN中继帧转发给103NS；同时107Relay分析该终端的转发上下文是否缓存有下行帧，如果有，则根据T3+RxDelay确定下发时间点T4，在T4时刻将101终端下行帧发送出去；

第三步，103NS接收到107Relay的中继LoRaWAN帧后，通过116接口转发给108RS处理；

第四步，108RS剥离上行309RHDR，还原101终端的LoRaWAN帧，再通过115接口转发给103NS处理；

第五步103NS接收到101终端的LoRaWAN帧，按照正常处理流程转发给105AS。

通过这种设计，将通过中继上行的终端下行帧的缓存从103NS(Mote)下移到107Relay设备，规避了下行时中继收发延迟，解决了终端通过常规MAC中断无法接收下行包的问题。

另外还有一个实现方法，就是针对通过中继传送的终端，103NS为这些终端调整Receive_Delay>107Relay--103NS的上行转发时延+下行转发时延，这时终端下行帧依然可以在103NS中缓存，当103NS收到上行帧时，立即把下行包发送给107Relay，这样107Relay接受包比T4早，依然能够传送给101终端。

例如将RECEIVE_DELAY1调整为3S或4S即可以满足，这样实现需要103NS(Mote)和104JS在终端注册流程时，修改注册接受消息的RX_Delay字段，通知101终端RECEIVE_DELAY1值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

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、LoRaGW、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、LoRaGW、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LoRaGW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、LoRaGW、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LoRaGW支持仿真接口；所述仿真接口定义如下：

1，中继服务器RS --> 网络服务器NS：UpDataMessage，上行数据消息：

帧内容：LoRaWAN帧 + RS相关ID；

2，网络服务器NS --> 中继服务器RS：DownDataMessage，下行数据消息：

帧内容：LoRaWAN帧 + DevAddr + RS相关ID+ RXDelay+ JoinDelay；

DevAddr 、 RXDelay、 JoinDelay分别表示设备地址、标识下行数据帧发送窗口时延、标识注册接受帧发送窗口时延，LoRaGW表示LoRa无线网关。

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LoRa Modem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LoRa Modem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；

RHDR为Relay Header，表示的含义为中继帧帧头。

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，对包进行解密，解密后传送给帧适配转换与转发模块单元处理；

第三步，帧适配转换与转发模块单元得到下行包后，解码RHDR，判断下行帧信息，如果是注册接受帧则转发给终端侧注册帧处理单元处理，转第四步；如果是数据帧，则转发给终端侧数据帧处理单元处理，转第五步；

第四步，终端侧注册帧处理单元收到注册接受帧后，根据RHDR的信息中继相关ID找到终端转发上下文，将DevAddr，JoinDelay，RxDelay信息更新到终端转发上下文中，根据上下文中接收帧时刻T和JoinDelay确定下发时刻，在该时刻点将注册接受帧发送给接入侧Modem驱动单元；

第五步，终端侧数据帧处理单元收到下行数据帧后，根据DevAddr信息查找终端侧转发上下文列表单元终端转发上下文，如果当前有下行发送时窗，则根据下行窗口转发帧给接入侧Modem驱动单元，否则缓存到下行帧缓存区中；如果找不到终端转发上下文，则丢弃；

第六步，接入侧Modem驱动单元收到下行帧时，通过终端侧天线发射出去；

RHDR为Relay Header，表示的含义为中继帧帧头。

4.根据权利要求3所述的一种LoRaWAN物联网信号中继方法，其特征是，所述RHDR包括如下字段：

Flag：标识后面几个字段是否出现；

中继相关ID：由中继产生，用于注册请求帧和注册接受帧的关联；

DevAddr：设备地址；

RxDelay：标识下行数据帧发送窗口时延；

JoinDelay：标识注册接受帧发送窗口时延。

5.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，所述中继服务器由如下组件组成：

第一接口收发处理模块，用于负责完成接口的消息收发，接口和正常的NS -- AS接口完全一致；

中继数据帧处理模块，用于负责对所有中继数据帧的处理；

中继应用上下文模块，用于保存和维护中继的应用上下文，中继注册时创建，为后续中继进行数据转发服务；

中继转发终端列表模块，用于负责保存和维护所有经过中继转发的终端地址列表，维护中继 -- 转发终端的归属关系；

RHDR头的产生和处理模块，用于负责处理上行帧RHDR头信息，负责产生下行帧的RHDR信息；

帧适配转换与转发模块，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；

仿真LoRaGW 数据帧处理模块，用于面向网络服务器NS，仿真LoRaGW，因此需要构造仿真LoRaGW的数据帧；

第二接口收发处理模块，用于负责完成接口数据收发处理，接口仿真的是LoRaGW --NS间的接口；

RS关联表模块，用于负责产生和维护 RS关联ID，保存RS关联ID和中继标识 + 上行RHDR头信息的映射；

RHDR 、AS分别表示的含义为中继帧帧头、应用服务器。

6.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，所述中继服务器的内部包转发流程如下：

A，上行包处理流程：

第一步，接口收发处理模块 从NS收到一个上行包，转发给中继数据帧处理模块进行处理；

第二步，中继数据帧处理模块调用中继应用上下文模块得到中继的加密密钥，对上行包进行解密，解密后将包内容转发给帧适配转换与转发模块进行处理；

第三步，帧适配转换与转发模块对上行RHDR进行解码缓存，根据上行帧类型选择处理路径，如果是上行注册请求帧转第四步处理，如果是上行数据帧转第五步处理；

第四步，对于上行注册请求帧，到RS关联表模块产生一个RS关联ID，建立一个RS关联ID和中继标识+上行帧RHDR的映射关系，然后将RS关联ID+应用层负荷转发给仿真LoRaGW数据帧处理模块处理；

第五步，对于上行数据帧，剥离RHDR，将应用层负荷转发给仿真LoRaGW数据帧处理模块处理；

第六步，仿真LoRaGW数据帧处理模块将应用层负荷重构为一个标准LoRaWAN包，并仿真LoRaGW构建头信息，转发给接口收发处理模块处理；

第七步，接口收发处理模块将包转发给NS处理；

B，下行包处理流程：

第一步，接口收发处理模块从NS收到一个下行包，转发给仿真LoRaGW数据帧处理模块进行处理；

第二步，仿真LoRaGW数据帧处理模块剥离仿真LoRaGW的相关头信息，得到RS关联ID，RXDelay，JoinDelay和DevAddr信息，将这些信息+下行帧负荷转发给帧适配转换与转发模块进行处理；

第三步，帧适配转换与转发模块根据下行帧类型选择处理路径，如果是下行数据帧转第四步，如果是下行注册接受帧转第五步；

第四步，对于下行数据帧，根据DevAddr查找中继转发终端列表模块中继转发终端列表，如果查找不到，则丢弃，否则调用RHDR头的产生和处理模块产生RHDR，将中继标识+RHDR+下行数据帧内容 转发给中继数据帧处理模块处理；

第五步，对于下行注册接受帧，根据RS关联ID到RS关联表模块找到对应的中继标识和上行帧RHDR，根据中继标识和DevAddr到中继转发终端列表模块 增加一个新的记录；随后根据上行帧RHDR剥离中继相关ID，利用中继相关ID+DevAddr+RxDelay+JoinDelay产生一个下行帧RHDR，将中继标识+RHDR+下行注册接受帧内容 转发给中继数据帧处理模块处理；

第六步，中继数据帧处理模块根据中继标识查找该中继的应用上下文，得到加密密钥，对于RHDR+下行帧内容进行加密，构建一个LoRaWAN中继帧，转发给接口收发处理模块；

第七步，接口收发处理模块将接收的下行帧转发给NS处理；

RHDR为Relay Header，表示的含义为中继帧帧头。

Images