[發明專利]一種基于LoRa網絡的預約時隙分配方法

在審

• 申請號: 202110253862.5
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113056010A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 劉心;馬早霞;李文竹
• 申請（專利權）人: 河北工程大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04;H04W74/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種編碼預約的時隙分配方法。該方法引入編碼預約機制對時隙進行精準分配，同時根據預約隊列的長度，動態調整時幀的長度,從減少重要節點的數據碰撞概率與減少時幀空閑時隙兩個角度來提高系統性能。與現有技術相比，本發明的方法可進一步降低數據發送時延，確保重要節點數據傳輸的時效性與可靠性。

技術領域

本發明涉及一種基于LoRa網絡的預約時隙分配方法，屬于通信網絡技術領域。

背景技術

LoRa技術具有通信距離長、抗干擾能力強，低功耗等特點，被廣泛應用于廣域傳感、監控等工業領域，為大量設備提供長距離的節能支持。LoRaWAN是基于LoRa網絡的上層協議，其定義了整個LoRa自組網的MAC操作。在LoRaWAN標準協議中，終端的信道接入方式是純Aloha機制，即不進行信道檢測，直接發送。當終端數量增多或發送包數量增多時，多個終端的包在信道上發生碰撞的概率大大增加，極易產生數據沖突，降低信道利用率。因此，最初LoRa自組網技術多應用在對數據延遲容忍度較高的領域。隨著LoRa技術的發展，LoRa技術已逐漸應用于對實時以及重要數據的收發可靠性要求較高的領域，這就對LoRaWAN安全性以及數據傳輸的時效性提出了更高的要求。

固定幀時隙算法(Framed Slotted Aloha，FSA)的特點是將數據傳輸時間分成固定長度的時幀，每個時幀分成若干個時隙，其幀結構如圖1所示。在整個識別過程中不改變幀的大小，每一幀的最大時隙數固定為m。幀中每個時隙都足夠一個發送端向接收端發送完自身的ID信息。節點通過競爭時隙獲得數據傳輸的機會，終端節點隨機選擇m個時隙中的一個與網關通信，一旦發生碰撞則等到下一幀的時候再隨機選擇時隙重發，而不是隨機延遲若干時隙后重發。這樣每個發送端在每一個幀中只占用一個時隙進行通信，在同一幀中，同一個發送端不會重復發送數據。可以理解為通過固定的規則為每個節點分配固定的時隙。

發明內容

固定幀時隙的弊端有如下兩點：

(1)終端通過爭搶時隙的方式接入信道，極易發生傳輸碰撞且碰撞發生后會延時退避，等待下一時幀再次發送，產生傳輸時延。

(2)由于每個時幀內的時隙數量是固定的，當節點數遠小于時隙數時，多余時隙空閑造成浪費；當節點數遠大于時隙數時，碰撞概率增加。因此傳輸效率較低，終端接入網絡的識別率較低。

因此，設置合適的時幀長度對數據傳輸效率極為重要。本發明從終端信道接入的角度出發，以降低數據發送時延為目的，在時隙Aloha算法基礎上進行改進，提出一種在高安全性和高實效性應用場景下，編碼預約的時隙分配方法(Coded-appointmentFramedSlottedAloha，CFSA)，根據預約隊列的長度，動態調整時幀的長度,實現時隙的按需分配。

本發明采用下述的技術方案：

一種編碼預約的時隙分配方法，該方法在時隙Aloha基礎上采用編碼預約的方式，使重要節點在數據發送前先預約搶占時隙；同時根據重要節點預約申請的數量，動態調整時幀的長度。每個時幀的第一個時隙為廣播時隙，用于編碼預約和時隙分配；其余時隙為數據傳輸時隙。

編碼預約是指，終端發送攜帶編碼序列的數據包申請預約時隙，該過程會被相鄰節點感知；由網關對數據包進行分類，攜帶編碼的重要節點加入預約隊列，預約成功的節點在數據傳輸時隙開始后接入固定分配的時隙，普通節點競爭剩余時隙。所述編碼序列包含頭部信息和沖突矩陣，頭部信息包含源地址、目的地址和業務類型，其中業務類型存儲在一位寄存器中，由{0，1}表示，0表示普通節點不參與預約，1表示重要節點申請預約時隙；網關根據編碼序列的頭部信息確定業務流程。普通節點競爭剩余時隙時，若發生碰撞則延時退避，在下一個時幀繼續競爭接入，其他未發生碰撞的節點順利進行數據傳輸，直到當前時幀的時隙全部被占用，方可進入下一個時幀。