CN110784910B - 一种LoRa网络新业务节点接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LoRa网络新业务节点接入方法，属于广域网无线技术领域。该方法包括以下步骤：新业务节点申请接入；LoRa网络告知新业务节点所有可以使用的业务信道信息，新业务节点构建可用信道表；新业务节点根据可用信道表中的顺序依次侦听每个业务信道，得到每个业务信道消息频率；新业务节点计算所有业务信道在单位时间内拥有足够空闲时间的加权概率，根据计算结果将可用信道表重新排序；当新业务节点被触发需要上报消息时查找可用信道表，从可用信道表中选择最合适的业务信道接入。该方法应用于由LoRa设备组成的通讯网络中，能够在LoRa网络中兼容设计之外的新业务节点，提高LoRa网络信道资源的利用率。
Description
技术领域
本发明属于LoRa无线通讯技术领域，具体涉及到LoRa网络工作时的不同业务兼容问题，提供了一种LoRa网络新业务节点接入方法，主要解决在LoRa网络工作时有新业务节点被触发，新业务节点如何选择合适的业务信道接入的问题，从而提高了LoRa网络信道资源的利用率。
背景技术
近年来，物联网行业正在飞速发展，LoRa技术作为一种新兴的物联网通讯技术，以它传输距离远、功耗低、灵敏度较高的优点而得到越来越多的应用，此外在实际网络部署时，LoRa网络的成本较低、性价比高、拥有更加优秀的开发扩展性。
在LoRa网络部署时，会存在不同业务都需要使用信道资源，不同业务之间的设备数量都不相同，产生的数据量也不尽相同，当单个业务的数据量较大时，需要为该业务在物理上建立一套LoRa网络；当单个业务的数据量较小时，就可以在设计中将该业务挂载在其他业务的信道上完成信息上报；而当业务的消息处于高数据量和低数据量之间时，LoRa网络很难在正常工作时兼顾这种业务节点。在处理这类业务节点时传统的方法通常由节点设备将申请信道的信息上报到服务器后，由服务器为新业务统一分配信道，这样的设计方式将主要计算由服务器完成，会增大***的复杂度，并且在实际运行时对于新业务节点实时需求的响应存在延时。
为此本发明的方法提出一种LoRa网络新业务节点接入方法，通过新业务节点进行信道侦听自适应的选择合适的业务信道，从而实现将新业务节点兼容进其他业务的LoRa网络中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：LoRa网络正在工作时，新业务节点如何选择合适的信道接入。
本发明的解决方案：一种LoRa网络新业务节点接入方法，其特点在于主要包括以下步骤：
首先，在工作的LoRa网络中已经有业务占用LoRa网络所有的业务信道，此时有新的业务节点想要使用LoRa网络将消息上传，新业务节点需要通过网关的广播信道上报申请使用信道的消息，每一个网关都拥有一个广播信道和数个业务信道，所有网关的广播信道参数相同。
当新业务节点上报申请接入的信息之后，区域内可能会有一个或数个网关收到这条消息，每个网关在收到新业务节点的消息后将本网关的网关编号、本网关拥有的业务信道数量、每个业务信道基本参数和业务信道在网关中的编号通过广播信道发送给新业务节点，新业务节点在收到所有网关发来的消息之后，按照网关编号从小到大和网关中业务信道编号从小到大的顺序将所有可用的业务信道排序，建立一张可用信道表。
接下来，新业务节点按照可用信道表中的顺序选择一个业务信道进行侦听，侦听一个单位时间，单位时间的长度在新业务节点中提前设置。新业务节点侦听完成后得到该业务信道在单位时间内拥有的空闲时间段数量x和每个空闲时间段长度Ti，计算单位时间内空闲时间段的平均时间t，新业务节点有该业务信道基本参数和发送信息的数据长度，那么就可以计算出新业务节点需要占用该业务信道的时间T。
接下来就是求解新业务节点在单位时间内拥有足够时间的加权概率，其中足够时间是指单位时间内是否有空闲时间段，且空闲时间段的长度大于新业务节点上报消息需要的时间T。首先求新业务节点在单位时间内拥有足够时间的概率P1，P1满足泊松分布，计算公式为：
在单位时间内可能会有多个空闲时间段的长度都大于新业务节点上报消息需要的时间T，所以需要对P1进行加权计算，计算公式如下：
这样就可以得到新业务节点单位时间内在该信道拥有足够空闲时间的加权概率P2。
在得到该业务信道的加权概率P2之后，新业务节点循环上面的步骤遍历可用信道表中的所有业务信道，得到所有业务信道上新业务节点单位时间内拥有足够时间的加权概率P2，然后修改可用信道表的顺序，使可用信道表根据加权概率P2从大到小的顺序排列。在遍历所有可用信道之后，再次循环以上步骤，从可用信道表中第一个业务信道开始，依次求得所有业务信道的加权概率P2，再次修改可用信道表的顺序，使可用信道表根据两次平均加权概率从大到小的顺序重新排列。新业务节点不断重复上面的步骤，不断修正可用信道表中业务信道的顺序。
当新业务节点被触发需要使用业务信道时，新业务节点查找可用信道表，选择第一个业务信道进行监听，若该业务信道空闲则使用该业务信道，若该业务信道忙则选择可用信道表中的下一个业务信道进行监听，直到新业务节点接入成功。
在本方法中对新业务节点做如下举例说明：区域内部署的LoRa网络是为了停车业务所设计，由于停车业务属于数据量较大的业务，所以停车业务占用区域内所有业务信道，这时有烟感业务需要接入，烟感业务数据量较小且也没有在设计中为它独立划分信道，所以就需要烟感节点自主监听所有可用的业务信道，选择最适合自己的业务信道接入，在这个例子中新业务节点就是烟感节点。
与现有的技术相比，本发明具有以下的有益效果：
本发明提出的一种LoRa网络新业务节点接入方法与目前由服务器进行统一信道分配方法相比，本发明将选择业务信道的过程交由新业务节点完成，新业务节点自主的监听所有可用的业务信道，计算每一个业务信道拥有足够空闲时间的概率，最后自适应的选择最合适的业务信道接入，从而降低了***复杂度，提高了LoRa网络的利用率。
附图说明
下面结合附图和具体实施对本发明做进一步的详细说明：
图1为本发明的一种LoRa网络新业务节点接入方法步骤图；
图2为本发明的LoRa网络***结构图；
图3为本发明中两个LoRa网关覆盖下的新业务节点示意图；
图4为本发明的业务信道工作情况示意图；
具体实施方式
本发明是一种LoRa网络新业务节点接入方法，方法步骤如图1所示，该方法应用于LoRa网络中，如图2所示是LoRa网络的***结构图，LoRa网络由服务器、网关和节点组成，服务器主要用于处理***数据，以及为网关和节点分配资源；网关主要用于消息的转发，网关搭载有数个LoRa模块可以用于和节点通讯，网关拥有数个传输信道，分为一个广播信道和数个业务信道，网关保存有网关编号以及所有LoRa设备的基本参数；节点搭载有不同业务的传感器和LoRa设备，通过LoRa模块将消息上报。
本发明的思路：当LoRa网络工作时已经有业务占用业务信道，且该业务占用所有业务信道。这时有新的业务节点需要使用业务信道，新业务节点建立可用信道表并监听所有业务信道，计算每个业务信道拥有足够空闲时间的概率，根据概率将所有业务信道重新排序，并不断的循环监听所有业务信道，不断修正可用信道表的顺序，当新业务节点被触发时，根据可用信道表的顺序，选用最合适的业务信道接入。
以图3中区域内两个网关和一个新业务节点为例，结合图1具体说明本发明一种LoRa网络新业务节点申请信道方法的实施方式：
在图3中一共部署有两个网关M1和M2，每个网关拥有4个信道，一个为广播信道其余3个均为业务信道，网关M1和M2的广播信道参数相同。新业务节点A在LoRa网络中通过网关M1和M2的广播信道发送申请接入信息，网关M1和M2收到之后，将本网关所有的业务信道信息通过广播信道告知新业务节点A，业务信道信息包括网关M1和M2的网关编号X1和X2、业务信道在网关中的编号以及业务信道的基本参数，其中业务信道基本参数包括LoRa模块的频率、带宽、扩频因子，同步字长度等参数。当新业务节点A收到网关M1和M2的回复后，按照网关编号从小到大，业务信道编号从小到大的顺序将所有业务信道排序，建立可用信道表，可用信道表示意图如表1：
表1可用信道表
| 序号 | 网关编号 | 信道在网关中的编号 |
| p<sub>1</sub> | X<sub>1</sub> | 1 |
| p<sub>2</sub> | X<sub>1</sub> | 2 |
| p<sub>3</sub> | X<sub>1</sub> | 3 |
| p<sub>4</sub> | X<sub>2</sub> | 1 |
| p<sub>5</sub> | X<sub>2</sub> | 2 |
| p<sub>6</sub> | X<sub>2</sub> | 3 |
新业务节点按照表1中的顺序选择业务信道p1进行侦听，业务信道工作情况如图4所示，每个业务信道在工作时存在长度不同的空闲时间段，新业务节点需要监听业务信道p1在单位时间内空闲时间段的数量x和每一个空闲时间段长度Ti，计算得到空闲时间段的平均时间t，其中单位时间在新业务节点的中设置成一个固定值，这里我们设置单位时间为120秒。
新业务节点在得到业务信道p1空闲时间段的信息之后，根据该业务信道LoRa设备的基本参数以及发送信息的数据长度，计算出新业务节点需要占用该业务信道的时间T。接下来求解新业务节点A在120秒内拥有足够时间的加权概率，足够时间是指120秒内是否有空闲时间段，且该空闲时间段的长度大于新业务节点上报消息需要的时间T。首先求新业务节点在120秒内拥有足够时间的概率P1，P1满足泊松分布，计算公式为：
如图4所示，业务信道在120秒内可能会有多个空闲时间段满足大于T，所以我们需要根据120秒内出现空闲时间段的数量x对P1进行加权计算，计算公式如下：
这样就可以得到新业务节点120秒内在业务信道p1拥有足够空闲时间的加权概率P2。
接下来新业务节点循环上面的步骤，循环遍历表一中所有的业务信道p1到p6，得到业务信道p1到p6各自在120秒内拥有足够空闲时间的加权概率P2，然后修改可用信道表的顺序，使可用信道表根据加权概率P2从大到小的顺序排列。在遍历完成所有业务信道之后，再次循环以上步骤，从可用信道表中第一个业务信道开始，依次求得所有业务信道的加权概率P2，然后求两次加权概率P2的平均值，根据平均值从大到小的顺序修改可用信道表中的顺序。新业务节点不断重复上面的步骤，不断修正可用信道表中业务信道的顺序，最后得到的可用信道表如表2所示：
表2修改后的可用信道表
| 序号 | 网关编号 | 信道在网关中的编号 |
| p<sub>1</sub> | X<sub>1</sub> | 2 |
| p<sub>2</sub> | X<sub>2</sub> | 1 |
| p<sub>3</sub> | X<sub>1</sub> | 3 |
| p<sub>4</sub> | X<sub>2</sub> | 3 |
| p<sub>5</sub> | X<sub>2</sub> | 2 |
| p<sub>6</sub> | X<sub>1</sub> | 1 |
当新业务节点A被触发需要上报消息时查找表2，选择序号为p1的业务信道，新业务节点A监听p1，若p1空闲则使用业务信道p1上报消息；若p1被占用则选择序号为p2的业务信道监听，直到新业务节点接入成功。
正在工作的LoRa网络中有新业务节点接入时，可以有多种处理方式，当数据量较大时可以为新业务节点重新划分业务信道；而当数据量较小时，为新业务节点划分专用业务信道就会浪费信道资源，本发明可以使新业务节点自主监听所有可用的业务信道，并选择合适的业务信道接入，可以有效提高LoRa网络的利用率。
Claims (5)
1.一种LoRa网络新业务节点接入方法，其特征在于主要包括以下步骤：
A.在LoRa网络中，有新业务节点申请接入；
B.LoRa网关告知新业务节点所有可以使用的业务信道信息，新业务节点构建可用信道表；
C.新业务节点按照可用信道表中的顺序选择第一个业务信道进行侦听，得在单位时间内空闲时间段的数量x和每一个空闲时间段长度Ti，其中Ti代表第i个空闲时间段，i的取值为1到x的一个整数，计算所有空闲时间段的平均时间t，其中单位时间在新业务节点中设置成一个固定值；
D.新业务节点根据该业务信道参数和上报消息的数据长度计算出需要占用业务信道时间T，需要占用业务信道时间T由数据长度字节数*发送单个字节时间来计算，并计算在单位时间内拥有足够时间的概率P1，其中P1满足泊松分布，新业务节点利用业务信道在单位时间内空闲时间段的数量x、需要占用业务信道时间T以及空闲时间段的平均时间t，计算单位时间内在该业务信道拥有足够时间的加权概率P2；
E.循环步骤C和步骤D，直到遍历所有业务信道，新业务节点根据加权概率从大到小的顺序更新可用信道表；循环步骤C到步骤E，循环更新可用信道表；
F.新业务节点被触发时，在可用信道表中选择合适的业务信道接入。
2.如权利要求1所述的方法，在步骤A中，本发明的方法应用于正在工作的LoRa网络中，新业务节点申请接入是在该LoRa网络设计之外的业务需求，需要新业务节点将申请接入的信息上报到网关，LoRa网络中每个网关都会设置一个广播信道和多个业务信道，广播信道所有网关都相同，新业务节点通过广播信道上报申请接入的消息。
3.如权利要求1所述的方法，在步骤B中，所有收到新业务节点上报申请使用信道信息的网关将本网关所有业务信道信息通过广播信道发送给新业务节点，新业务节点根据网关编号和业务信道在网关中的编号顺序，从小到大的构建一张可用信道表，其中业务信道信息包括网关编号、业务信道在网关中的编号以及业务信道的基本参数。
4.如权利要求1所述的方法，在步骤E中，新业务节点按照可用信道表中的顺序依次遍历所有业务信道，依照步骤D中的方法得到所有业务信道的P2，当所有业务信道遍历完成之后，根据P2从大到小的顺序修改可用信道表的顺序，重复步骤C到步骤E。
5.如权利要求1所述的方法，在步骤F中，当新业务节点被触发需要接入LoRa网络时，新业务节点查找步骤E中得到的可用信道表，侦听第一个业务信道，若该业务信道空闲则使用该业务信道，若该业务信道忙则使用可用信道表中的下一个业务信道，直到新业务节点接入成功。
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