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(成都理工大學 信息科學與技術(shù)學院,成都 610059)

0 引言

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)一般都是短距離無線通信,如Zigbee、WIFI、藍牙。這些通信技術(shù)使用的頻段比較高繞射能力差[1],在一些差的環(huán)境條件下例如礦井,化工廠會使信號大打折扣。很多情況下這些通信技術(shù)不得不采用中繼或者有線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)傳輸,這無疑會增加組網(wǎng)的復(fù)雜度和成本。

LoRa的擴頻調(diào)制通信技術(shù)編解碼方案[2-3]擁有超遠距離通信和低功耗的特點,能夠?qū)崿F(xiàn)廣域網(wǎng)和低成本覆蓋,在LoRa在環(huán)境監(jiān)測、資源勘探、災(zāi)害預(yù)警等民用行業(yè)有很好地應(yīng)用場景[4-5]。但是目前LoRa尚未有統(tǒng)一的組網(wǎng)方案和協(xié)議而且LoRa在同一個信道下只能半雙工通信,這為LoRa的推廣和使用帶來了障礙?；诖颂岢鲆环N基于TDMA技術(shù)的LoRa通訊組網(wǎng)方案,即L-T技術(shù)(或L-T網(wǎng)絡(luò))。該方法需要設(shè)有中心基站,中心基站對接入的設(shè)備進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和控制從而實現(xiàn)全網(wǎng)狀網(wǎng)連接[6]。

1 L-T原理

基于LoRa的UE設(shè)備(以下簡稱L-UE,LoRa-UE)以星型方式進行組網(wǎng),這種組網(wǎng)方式需要有基于LoRa的中心基站(以下簡稱LC-Station,LoRa Center Station),LC-Station將會作為控制和數(shù)據(jù)處理中心,整個系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本框架

在星型組網(wǎng)方式下,L-UE將和LC-Station進行數(shù)據(jù)交互, LC-Station處理數(shù)據(jù)之后也可以和計算機進行數(shù)據(jù)交互，如果LC-Station和計算機之間選擇合適的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)還可以接入互聯(lián)網(wǎng)。為了擴充在星型組網(wǎng)方式下的L-UE接入數(shù)量,L-UE和LC-Station將會采用TDMA的通信方式。該方式的主要思想是在同一個信道下將時間劃分為不同的時間段,并且互相不重疊,稱為時隙(solt)。在同一個信道下,每一個時隙都有一個唯一序號這對判斷時隙是否被占用至關(guān)重要。時隙既可以是均勻分布的也可以是不均勻的,均勻分布的時隙如圖2所示。

圖2 均勻時隙分布

圖2中有6個不重疊的唯一時隙每一個時隙間隔為△t,為保證通信的可靠性,各個時隙之間要預(yù)留一定的保護時間[7]。在這些時隙上進行數(shù)據(jù)交互不會因信道相同而發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞,因此解決了多個L-UE設(shè)備在同一個信道下都能夠不沖突的和LC-Station通信,如圖3所示。

圖3 不同時隙下L-UE和LC-Station通信

圖3中有3個L-UE和一個LC-Station,這3個L-UE在同一個信道下分別占用編號為solt1,solt2，solt3的三個時隙,每個時隙又相當于一個地址,基站還可以通過不同的時隙(地址)來區(qū)分不同的L-UE。另外數(shù)據(jù)傳輸必須在一個時隙完成,這稱為單時隙協(xié)議[8-9]。

L-UE和LC-Station通信的時序要求很嚴格,錯誤的通信時序?qū)?dǎo)致時隙的重疊導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。采用的解決辦法為LC-Station下行的數(shù)據(jù)包之中會包含有時隙同步信息,同一個信道下的L-UE收到時隙同步信息之后會復(fù)位時隙定時器,然后等待自己的時隙到來。

L-UE設(shè)備和LC-Station之間只能以半雙工方式進行通信,因此L-UE和LC-Station之間不能同時通信,只能以握手應(yīng)答的方式進行通信。通信時LC-Station會以周期T下行發(fā)送數(shù)據(jù)包,L-UE收到數(shù)據(jù)之后將會按照自己的時隙△t進行上行數(shù)據(jù)發(fā)送,如圖4所示。

圖4 時隙在通信周期上展開

在時隙均勻劃分和LC-Station下行周期為T的情況下,一個無線信道可容納的L-UE數(shù)量為：

N=T/△t-1

(1)

由式(1)可知在一個無線信道下的L-UE接入數(shù)量取決于周期T和時隙△t,要想擴充接入數(shù)量可增大周期T或者減小時隙△t。但是擴大周期T會使通信速度變慢,而減小△t需要精確的時鐘對硬件的性能要求很高。

2 L-UE和LC-Station工作機制

2.1 L-UE隨機接入設(shè)計

為了使時隙不發(fā)生重疊,每一個L-UE設(shè)備必須知道在通信的過程中自己的時隙,為此設(shè)計出L-UE信道和時隙表以及L-UE向進行LC-Station接入的過程。信道和時隙表的目的是讓L-UE知道自己能夠搜索那些信道和時隙,有了信道和時隙表L-UE便可以對號入座接入LC-Station,這決定了L-UE的活動范圍。接入的目的是L-UE根據(jù)LC-Station下發(fā)的數(shù)據(jù)查找空閑時隙,如果有空閑時隙那么L-UE將會和時隙存比較,如果符合兩張表將完成接入轉(zhuǎn)向通信狀態(tài)。這種接入的方式能夠有效的擴大人員活動范圍,假設(shè)某人員從A區(qū)域走向B區(qū)域A區(qū)域的信號會逐漸變?nèi)?這時L-UE可以重新選擇信道和時隙向B區(qū)域的LC-Station接入。

在接入過程中不同的L-UE可能會選擇相同的信道和相同時隙進行嘗試接入,這將會產(chǎn)生沖突,對LC-Station來說哪一個能接入這是不確定的,可能都能接入也可能只有某一個接入,他們之間是競爭的關(guān)系所以這種接入是隨機競爭的。隨機競爭接入方式使L-UE擺脫物理位置的局限性,但也增加了系統(tǒng)的不確定性,因此需要建立一種機制進行解決這種不確定性。隨機接入是該通信系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的步驟,也是L-UE設(shè)備與LC-Station建立通信鏈路的最后一步。在隨機接入過程中,L-UE在不同的條件下可轉(zhuǎn)向不同的狀態(tài),共3種狀態(tài)分別為接入狀態(tài)、可通信狀態(tài)和空閑狀態(tài), 3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

圖5 L-UE狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1)接入狀態(tài):

接入狀態(tài)是L-UE正在接入LC-Station的過程,在接入過程中L-UE通過接收和分析LC-Station的下行數(shù)據(jù)包來確定當前信道時隙的狀態(tài),這個過程決定了L-UE是否能夠接入LC-Station參與通信。如果有空閑時隙,則接入當前信道進而轉(zhuǎn)向通信狀態(tài);如果沒有則搜索其他信道,當搜索完所有信道表之后依然沒有可用時隙,由圖5可知L-UE將會轉(zhuǎn)向空閑狀態(tài)。

2)通信狀態(tài):

通信狀態(tài)是L-UE接入LC-Station后能夠正常和基站進行數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài),只能從接入狀態(tài)轉(zhuǎn)換到通信狀態(tài)。此狀態(tài)下通信LC-Station相當于主機而L-UE則是從機,他們之間通信嚴格按照通信協(xié)議進行。如果LC-Station發(fā)生故障或其他原因?qū)е孪滦袛?shù)據(jù)不能被L-UE接收,L-UE將會停止數(shù)據(jù)傳輸從通信狀態(tài)進入空閑狀態(tài)。

3)空閑狀態(tài):

空閑狀態(tài)是指L-UE設(shè)備既沒有進行接入也沒有進行通信的其他狀態(tài),可從接入和通信狀態(tài)轉(zhuǎn)移到該狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下,L-UE可以設(shè)計為周期性自動嘗試接入,或當使用者有接入需求時主動接入。因為空閑狀態(tài)下核心的通信功能被不能使用,所以還可以使L-UE進入睡眠或其他低功耗模式以節(jié)約電量。

L-UE隨機競爭解決機制設(shè)計：

對所有的L-UE設(shè)備來說,他們自身在接入的過程中首先會隨機的選擇信道和時隙進行進行試探性接入。假設(shè)一種極端的情況下,某一網(wǎng)絡(luò)中所有的L-UE都處于空閑狀態(tài),然后在同時使這些L-UE設(shè)備進入接入狀態(tài),但不同的L-UE可能會搜索到相同的信道和時隙。當這些L-UE接收到LC-Station的數(shù)據(jù)時,由于信道和時隙相同他們會同時向LC-Station發(fā)起接入請求。如果LC-Station同意請求并下發(fā)帶有時隙的數(shù)據(jù),不同的L-UE可能會接入到相同的信道和時隙,這是非常危險的,因為同信道同時隙通信會造成數(shù)據(jù)的沖突導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

為解決上述的問題必須建立一種隨機競爭的解決機制,在接入基站的過程中可能會有多個L-UE設(shè)備同時向基站發(fā)出入網(wǎng)請求,但是每次這些L-UE設(shè)備只有一個或者多個能接入LC-Station。為了區(qū)分LC-Station接收到的是哪一個L-UE,需要給每一個L-UE建立一個唯一標識(以下簡稱SN,Serial Number)并燒錄到L-UE中,在同一系統(tǒng)中這些SN是絕對的不能更改。當LC-Station接收到帶有SN的L-UE之后在下發(fā)的數(shù)據(jù)包中包含此SN,收到此數(shù)據(jù)包的L-UE設(shè)備會進行SN判斷,如果符合則完成接入不符合則繼續(xù)進行接入。具體哪一個接入取決于基站收到了那些帶有SN的L-UE的入網(wǎng)請求,這是隨機競爭的結(jié)果。這種機制下,同一個信道下相同時隙的L-UE將會越來越少直到所有的時隙都不相同或者時隙滿換信道。

L-UE通過隨機接入后與基站進行數(shù)據(jù)交互,完成其他的操作如呼叫、資源請求、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。L-UE的隨機接入的過程為：

(1) 基站下行發(fā)送時隙同步和時隙狀態(tài)消息

(2) L-UE上行發(fā)送隨機接入請求

(3) LC-Station下行發(fā)送入網(wǎng)權(quán)證

(4) L-UE接收權(quán)證進行入網(wǎng)

在步驟(1)中基站下發(fā)的時隙狀態(tài)中主要是包含當前信道下時隙狀態(tài),即是否還有空閑時隙;步驟(2)中隨機接入請求包含本機的SN和接入請求指令;步驟(3)中的權(quán)證包含允許接入的L-UE設(shè)備SN和被分配的時隙。

2.2 LC-Station功能設(shè)計

LC-Station在L-T網(wǎng)絡(luò)中相當于主機位置固定,一般可將LC-Station中設(shè)計為單信道或多信道基站,信道的多少決于LoRa芯片的數(shù)量。假如需要將L-T網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連接,可以給LC-Station加上以太網(wǎng)或WIFI芯片,再配合路由器或其他網(wǎng)關(guān)就可以實現(xiàn)。LC-Station在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計為3個功能:信道管理、L-UE控制和數(shù)據(jù)處理。

1)信道的管理:

信道管理不善會引起信道和時隙的錯亂,嚴重影響L-UE接入。每一個LC-Station里面都需要建立一張信道和時隙表,這和L-UE相似但又不同。相似的是,他們都需要知道自身支持那些信道,而且L-UE和LC-Station的時隙表一樣;不同的是,L-UE具體使用的是哪一個信道不確定的,但LC-Station的信道是確定的,而且信道表的范圍要比LC-Station的多。這是因為,在L-T網(wǎng)絡(luò)中為主機角色它的位置固定,信道數(shù)量取決于LoRa芯片的數(shù)量,一個芯片對應(yīng)一個信道。L-UE是可移動的手持設(shè)備,手持人員可以在不同的區(qū)域行走從而接入不同的基站,因此L-UE的信道表數(shù)量要比LC-Station的多。

LC-Station的信道數(shù)量是不能增加但是可以刪減,具體的信道頻率和時隙數(shù)量也可以更改。更改時隙數(shù)量意味著通訊的周期也會做出相應(yīng)的更改,假設(shè)原先的通訊周期為T,時隙均勻每個時隙為△t,增加隙后的周期T=T+N*△t,N為增加的時隙數(shù)量。這些更改都是可以通過軟件層面進行配置,比如通過USART、以太網(wǎng)通信接口進行配置,但需要擬定配置協(xié)議。

LC-Station發(fā)送的下行協(xié)議中包含當前信道的時隙數(shù)量和狀態(tài),當前信道的時隙數(shù)量和狀態(tài)會根據(jù)接入的L-UE設(shè)備數(shù)量進行改變。L-UE接入LC-Station后,LC-Station會記錄哪個信道下哪一個時隙已經(jīng)被占用,如果L-UE設(shè)備由通信狀態(tài)轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)LC-Staiton將會釋放相應(yīng)的時隙留給有需要的L-UE設(shè)備。

2) L-UE控制：

LC-Station在L-T網(wǎng)絡(luò)中處于控制中心的地位,它主要對接入的L-UE設(shè)備進行控制。這些控制包括允許L-UE接入,嚴禁某L-UE接入,強制L-UE下線。允許L-UE接入則是對其開放了權(quán)限,L-UE可以根據(jù)當前信道下的時隙狀態(tài)進行接入。嚴禁某L-UE設(shè)備接入則是將其列入黑名單,無論是否有空閑時隙該設(shè)備均無法接入。強制下線是當L-UE設(shè)備已經(jīng)接入了LC-Station,但由于其他原因需要將其從網(wǎng)絡(luò)中剔除或其占用的時隙需要釋放則進行強制下線。

3) 數(shù)據(jù)處理：

LC-Station的數(shù)據(jù)處理有3方面,包括對上行協(xié)議中特殊字段、有效數(shù)據(jù)的提取以及對有效數(shù)據(jù)的處理。特殊字段表征當前L-UE設(shè)備的各種狀態(tài),提取后用以分析和向管理人員顯示,如電量狀態(tài)。有效數(shù)據(jù)提取則是手持L-UE的人發(fā)出的,可以是文字、語音和圖片,LC-Station需要將其進行提取。特殊字段和有效數(shù)據(jù)的提取都需要LC-Station進行處理,處理可以由LC-Station進行,也可以進行轉(zhuǎn)發(fā)交給電腦終端。

3 L-UE組網(wǎng)通信協(xié)議

L-UE和Station通信必須建立通訊協(xié)議,該通信協(xié)議可保證每個L-UE設(shè)備都能順利的接入基站并和基站通信。通信協(xié)議分兩部分:(1)下行通信協(xié)議即基站端發(fā)送;(2)上行通信協(xié)議即L-UE設(shè)備發(fā)送。

基站端向L-UE設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時遵循的是下行通信協(xié)議,下行通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 下行通信協(xié)議

下行通信協(xié)議分三類,入網(wǎng)協(xié)議和數(shù)據(jù)通信協(xié)議以及控制L-UE協(xié)議。信道、時隙狀態(tài)、入網(wǎng)權(quán)證為入網(wǎng)協(xié)議,目的SN、負載數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)通信協(xié)議,L-UE離線為控制協(xié)議。下行協(xié)議的長度是定長的,各個部分具體作用如下:

①數(shù)據(jù)頭(Header):用于數(shù)據(jù)開頭的檢驗以及該數(shù)據(jù)包長度的說明,因為有效數(shù)據(jù)是不固定的因此數(shù)據(jù)包的長度也是不定的。

②當前信道(C_Channel): 當前通信的信道

③時隙狀態(tài)(Solt_State):當前信道的各個時隙是否有空閑

④入網(wǎng)權(quán)證(AC_Wat):允許L-UE設(shè)備接入的命令,包含允許接入的設(shè)備SN以及允許接入的時隙。

⑤目的SN(Des_SN):要與 L-UE設(shè)備通信的SN

⑥數(shù)據(jù)負載(PayLoad):與L-UE設(shè)備交互的數(shù)據(jù)

⑦L-UE下線(Off_Line):L-UE設(shè)備進行強制下線控制字段

⑧報尾(End):用于數(shù)據(jù)結(jié)尾的檢驗

L-UE設(shè)備向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時遵循的是上行通信協(xié)議,上行通信協(xié)議格式如表2所示。

表2 上行通信協(xié)議

該上行協(xié)議支持入網(wǎng)和向基站發(fā)送數(shù)據(jù),各個協(xié)議部分作用如下:

①數(shù)據(jù)頭(Header):用于數(shù)據(jù)開頭的檢驗以及該數(shù)據(jù)包長度的說明,因為有效數(shù)據(jù)是不固定的因此數(shù)據(jù)包的長度也是不定的。

②本機SN(L-UE_SN):L-UE設(shè)備的唯一序列號

③入網(wǎng)狀態(tài)(AN_State):向LC-Station說明當前設(shè)備是處于接入狀態(tài),數(shù)據(jù)通信狀態(tài)或離線狀態(tài)。接入狀態(tài)是在接入過程中有響應(yīng),接入成功之后該字段變?yōu)橥ㄐ艩顟B(tài)。離線狀態(tài)對應(yīng)LC-Station的L-UE離線,L-UE收到強制下線命令后會在入網(wǎng)狀態(tài)中響應(yīng),并發(fā)送給LC-Station。

④有效數(shù)據(jù)(PayLoad): 與基站交互的數(shù)據(jù)

⑤本機狀態(tài)(UE_SN)：該字段在通信狀態(tài)下用來表示當前L-UE某些硬件狀態(tài),例如電量等。

⑥報尾(End):用于數(shù)據(jù)結(jié)尾的檢驗

4 實驗過程

4.1 實驗設(shè)計

本實驗采用SX1278 LoRa模塊+STM32F103MCU組成L-UE終端;用SX1278 LoRa模塊+STM32F407MCU 組成基站;用USART轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口模塊連接基站和電腦。為了能反映在復(fù)雜的環(huán)境中LoRa也能很好的通信,實驗環(huán)境選擇復(fù)雜的公寓中狹窄走廊以及房間中。

4.2 實驗步驟

(1) 根據(jù)上述上下行協(xié)議,分別為L-UE和基站編寫程序并將三個設(shè)備信道頻率均設(shè)置為433 MHz,即相同的信道。通信周期設(shè)置為1 200 ms,每一個時隙為100 ms加20 ms冗余,共10個時隙。

(2) 選兩個L-UE設(shè)備,一個基站,一臺PC,將L-UE設(shè)備放在公寓下一層走廊盡頭,基站放在公寓上一層另一走廊盡頭,兩者水平相距大約200 m。

(3) 讓兩個L-UE均接入LC-Station,接入后如果收到LC-Station的命令后兩個L-UE將按設(shè)定的程序向LC-Station發(fā)送數(shù)據(jù),收到強制下線命令后L-UE將會停止數(shù)據(jù)的發(fā)送。L-UE1發(fā)送”L-UE1 LoRa Communication is OK!”,L-UE2發(fā)送”L-UE2 LoRa Communication is OK!”。

(4) 將基站通過USART轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口模塊連接PC,通過PC端網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具發(fā)送”L-UE Are you OK”,并觀察調(diào)試工具中兩個L-UE的數(shù)據(jù),最后強制L-UE2下線。

4.3 實驗結(jié)果

PC端發(fā)送命令后經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)到L-UE設(shè)備,兩個L-UE均能收到命令并給予回復(fù),通過時間戳可觀察數(shù)據(jù)的時隙,實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 L-UE的數(shù)據(jù)接收

由實驗數(shù)據(jù)可知,L-UE1占用的是第1個時隙,L-UE2占用的是第0個時隙,理論上這兩個時隙相差120 ms但由于硬件和軟件方面的因素有一些延遲,延遲的時間也在10幾毫秒,相應(yīng)的通信周期也有一定的延遲,也在10幾毫秒。在第9秒的時候強制L-UE2下線,這時只剩下L-UE1。該實驗證實了以TDMA的方式對LoRa進行組網(wǎng)是可行的,這兩個L-UE均隨機接入了相同的信道并且在不同的時隙下進行通信互不影響,并且LC-Station還能對兩個L-UE進行控制。

5 結(jié)束語

根據(jù)LoRa目前的發(fā)展現(xiàn)狀以及其自身特點,提出了L-T技術(shù)并設(shè)計對應(yīng)的上下行協(xié)議,該方法能有效的使L-UE設(shè)備進行大規(guī)模組網(wǎng)以及擴大L-UE使用人員活動范圍。L-UE數(shù)量的增多和通信周期成正比,L-UE越多需要的時隙越多,從而必須擴大通信周期,因此數(shù)量和速度有時候需要做一個權(quán)衡。隨機競爭的解決方案避免了時隙的沖突,使L-UE能順利的接入LC-Station。LC-Station的設(shè)計不僅能夠高效的對L-UE進行控制還可以靈活的對數(shù)據(jù)處理,信道和時隙管理功使L-T網(wǎng)絡(luò)更加人性化。