一种基于LoRa的小规模远距离局域网系统及其工作方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于lora的小规模远距离局域网系统及其工作方法。

背景技术：

lora技术是美国semtech公司采用和推广的一种无线传输方案，其通过采用线性调频扩频调制，很大程度改善了接收的灵敏度(最高可达-148dbm)，增加了通信距离，且具有信道容量大、低功耗、抗多径衰落、抗多普勒效应等特点。

目前基于lora技术的标准规范主要是lorawan，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网络是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，lora网关是一个透明的中继，用于连接终端设备和服务器。lora网关与服务器通过标准ip连接，而终端设备采用单跳与一个或多个lora网关通信，所有的节点均是双向通信。lorawan网络的电池使用寿命较长，具有低功耗广域网络的广泛特性。

然而，lorawan网络也存在一些不可忽视的缺点：首先，其网络建设的规模较大，成本较高，因此不适合中小规模行业性的应用；其次，由于lorawan网络采用星形网络结构，需要设置lora网关，并依靠蜂窝网络、以太网络将终端节点的数据传送回网络服务器做处理，因此不适合在偏远地区或网络通信状况较差的区域布设。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于lora的小规模远距离局域网系统及其工作方法，其目的在于，解决现有lorawan网络中由于网络建成规模较大、成本较高导致其不适合中小规模行业性的应用，以及由于采用星形网络结构，其依赖蜂窝网络、以太网络实现终端节点与网络服务器交互，从而导致其不适合在偏远地区或网络通信状况较差的区域布设的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于lora的小规模远距离局域网系统，包括主节点、多个中继节点、尾节点、以及多个终端节点，主节点与中继节点、尾节点依次组成主网络，主网络与终端节点以轮询的方式进行信息交互，从而组成局域网，局域网内主节点与中继节点、中继节点之间、中继节点与终端节点之间、以及中继节点与尾节点之间是通过lora扩频通信方式彼此通信，并通过信令传输的方式进行数据传输。

优选地，主节点用于使用其动态工作表维护局域网的工作状态，并根据该动态工作表生成信令，主节点的动态工作表包括中继节点信息表和终端节点信息表，中继节点信息表用于监测和维护每个中继节点的当前状态及其对应的终端节点，终端节点信息表用于监测和维护每个终端节点的在线状态、其对应的中继节点、以及其对应的用户数据。

优选地，主节点所生成的信令包括信令头字段(field)、信令类型字段、轮询终端编号字段、通讯链路状态字段、以及加密与校验字段；信令头字段用于指示主网络中节点的地址、信令的方向、以及信令号；信令类型字段用于指示通讯中的节点所使用的信令类型，包括轮询信令、以及入网询问信令，其中轮询信令用于对终端节点信息表中的终端节点进行轮询，入网询问信令是在终端节点信息表中的终端节点被轮询完以后生成的信令，用于询问是否有新的终端节点需要接入主网络；轮询终端编号字段用于在信令头字段记载的信令方向是从主节点到尾节点时指示主节点希望通过轮询方式与其进行通讯的终端节点的编号，在信令头字段记载的信令方向是从尾节点到主节点时携带终端节点的应答信息；通讯链路状态字段用于指示当前主网络是否正常工作，以及该主网络中可能存在故障的节点；

加密与校验字段用于指示对局域网中节点之间传输的数据进行加密和校验所采用的方式。

优选地，主节点还用于将动态工作表的对应内容记录存储在本地工作日志。

优选地，中继节点用于接收主节点生成的信令，将该信令以接力的方式转发给后续的中继节点，判断是否从下一个中继节点接收到其将信令成功发送到下下一个中继节点的确认信息，并在未接收到该确认信息时，重新将信令发送到该下一个中继节点。

优选地，终端节点用于在其自身就是该信令的轮询终端编号字段中指示的该终端节点时，生成对应的应答信息，并将该应答信息发送到对应的中继节点。

优选地，应答信息包括终端节点的轮询终端编号、其对应的中继节点编号和在线状态、以及其对应的用户数据。

优选地，中继节点还用于将应答信息写入信令中，并按照接力的方式转发给后续的中继节点，尾节点用于在信令到达该尾节点时，以接力的方式将该信令经过所有中继节点返回给主节点。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于lora的小规模远距离局域网系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)主节点根据其终端节点信息表生成对应的信令，并以透明传输方式向主网络中的第一个中继节点发送信令，该信令中的轮询终端编号字段指示主网络需要轮询的终端节点编号；

其中，初始时刻是对终端节点信息表中的第一个终端节点生成轮询信令，然后依次对终端节点信息表中的剩余终端节点进行同样的生成轮询信令操作，最后生成入网询问信令。

(2)主网络中的多个中继节点按照接力的方式依次传输该信令，其中当该信令到达信令的轮询终端编号字段中指示的终端节点所对应的中继节点时，该中继节点会暂停信令的传输过程，此时对应的终端节点根据该信令生成对应的应答信息，并将该应答信息传送到对应的中继节点；

(3)该中继节点将终端应答信息写入信令中，并按照接力的方式继续将信令转发给后续的中继节点；

(4)尾节点在信令到达该尾节点时，以接力的方式将该信令经过所有中继节点返回给主节点。

(5)主节点在收到返回的信令时，根据信令中的信息更新其动态工作表。

优选地，步骤(5)具体为：当信令是轮询信令时，则根据返回给主节点的信令中的信息对终端节点信息表中轮询信令对应的终端节点编号的终端节点其在线状态、其对应中继节点的编号、以及其对应的用户数据进行更新；若信令是入网询问信令，且有新的终端节点入网，则根据返回给主节点的信令中的信息在终端节点信息表中新增该新入网的终端节点编号、对应的在线状态、其对应中继节点的编号、以及对应的用户数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明局域网系统的核心是单个独立的主节点，不依靠网关和服务器就能独立运行，网络规模较小，建造成本低，适合企业或行业性应用；

(2)本发明的局域网系统是独立网络，不需要依赖蜂窝网、以太网等传统网络，在偏远山区或网络通信状况较差的区域也可以完全独立的组网并工作；

(3)本发明的局域网系统通信距离远，既可独立地在中小型区域应用，也可在大区域通过组合的方式应用，具备良好的适用性和实用性；

(4)本发明的局域网系统可工作于休眠模式和工作模式中，功耗低，电池工作时间长。

附图说明

图1是本发明基于lora的小规模远距离局域网系统的架构图。

图2是本发明基于lora的小规模远距离局域网系统的工作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明基于lora的小规模远距离局域网系统包括主节点1、多个中继节点2、尾节点3、以及多个终端节点4。主节点1可通过多个中继节点2与尾节点3通信连接，每个中继节点2都可对应与多个终端节点4通信连接，每个终端节点4也可对应与多个中继节点2通信连接，只要其位于这些中继节点2的覆盖范围内即可。

作为进一步优选地，本发明的系统还可包括服务器5，其与主节点1通信连接。

主节点1与中继节点2、尾节点3依次组成一个链接的双向网络(将这个链接的双向网络称为主网络)，主网络与其周边的终端节点4以轮询的方式进行信息交互，从而共同组成一个局域网。为了避免局域网内的同频干扰，主节点1与中继节点2、中继节点2之间、中继节点2与终端节点4之间、以及中继节点2与尾节点3之间都是通过信令传输的方式进行通信。

在本实施方式中，终端节点4为用户手持设备或读表设备，也可以根据用户不同的需求来定义不同的终端节点4。

主节点1用于使用其动态工作表维护所在局域网的工作状态，并根据该动态工作表生成信令。

如下表1所示，主节点1的动态工作表包括中继节点2信息表和终端节点4信息表。进一步优选地，动态工作表还可包括用户自定义数据表，用于根据用户的不同需求维护用户所需数据。

表1

中继节点2信息表用于监测和维护每个中继节点2的当前状态(即正常工作或是出现故障)及其对应的终端节点4。

终端节点4信息表用于监测和维护每个终端节点4的在线状态、其对应的中继节点2、以及其对应的用户数据(例如，如果终端节点4是用于列车接近安全检测的手持终端，则用户数据是报警确认信息)。

主节点1所生成的信令的结构如下表2所示，其包括信令头字段(field)、信令类型字段、轮询终端编号字段、通讯链路状态字段、以及加密与校验字段。必要时，信令还可包括应用层数据字段，其是根据本发明网络系统所应用的具体环境，由对应用户指定生成。

表2

信令头字段用于指示主网络中节点的地址、信令的方向、以及信令号等信令基本信息，例如某个信令头字段为00001111，其中前四位0000表示节点在主网络中的地址，第五位1表示信令方向是从主节点1到尾节点3，最后三位111表示信令本身的编号；

信令类型字段用于指示通讯中的节点所使用的信令类型，包括轮询信令、以及入网询问信令。可选地，可根据具体用户需求提供其他的信令类型。局域网内可以允许不同的信令之间进行通信和信息交互，也可以根据不同的信令类型做出相应的响应动作。

轮询信令用于对终端节点信息表中的终端节点4进行轮询，入网询问信令是在终端节点信息表中的终端节点4被轮询完以后生成的信令，用于询问是否有新的终端节点4需要接入主网络。

例如，主节点1的终端节点信息表中现有3个处于在线状态的终端节点4的编号，分别为00000001，00000010，00000011，则主节点1会依次对三个终端节点4进行轮询，相应地，会首先生成一个轮询终端编号字段为00000001的信令并发送，完成后再生成一个轮询终端编号字段为00000010的信令并发送，完成后再生成一个轮询终端编号字段为00000011的信令并发送，这三个信令都是轮询信令，在发送完这三个信令以后，主节点1生成入网询问信令并发送。

轮询终端编号字段用于在信令头字段记载的信令方向是从主节点1到尾节点3时指示主节点1希望通过轮询方式与其进行通讯的终端节点4的编号，在信令头字段记载的信令方向是从尾节点3到主节点1时携带终端节点4的应答信息。

通讯链路状态字段用于指示当前主网络是否正常工作，以及该主网络中可能存在故障的节点。

加密与校验字段用于指示对局域网中节点之间传输的数据进行加密和校验所采用的方式(例如循环冗余校验算法，即crc)。

优选地，主节点1还用于将动态工作表的对应内容记录存储在本地工作日志。

例如，如果本发明的网络系统被用于列车接近安全检测，则主节点1将当天车辆到达信息以及列车对应的报警信息和报警确认信息存储在本地工作日志中，并根据需要将该工作日志传送到与主节点1通信连接的服务器5中。

中继节点2用于接收主节点1生成的信令，将该信令以接力的方式转发给后续的中继节点2，判断是否从下一个中继节点2接收到其将信令成功发送到下下一个中继节点2的确认信息，并在未接收到该确认信息时，重新将信令发送到该下一个中继节点2。

终端节点4用于在其自身就是该信令的轮询终端编号字段中指示的该终端节点4时，生成对应的应答信息，并将该应答信息发送到对应的中继节点2。

具体而言，应答信息包括终端节点4的轮询终端编号、其对应的中继节点2编号和在线状态、以及其对应的用户数据(例如，如果终端节点4是用于列车接近安全检测的手持终端，则用户数据是报警确认信息)。

中继节点2还用于将应答信息写入信令中，并按照接力的方式转发给后续的中继节点2。

尾节点3用于在信令到达该尾节点3时，以接力的方式将该信令经过所有中继节点2返回给主节点1。作为优选地，尾节点3也可替代主节点1维护动态工作表。

作为进一步优选地，终端节点4进一步用于唤醒主网络。

因为lora架构采用了低功耗设计，在主网络下没有终端节点4时，主网络中的所有节点会进入休眠状态，在新的终端节点4入网之后，主网络会被新的终端节点4快速唤醒并进入工作状态。

在本发明的局域网系统被应用在列车接近预警时，部分终端节点4可被配置为只执行接收动作，而不执行发送动作，即只被动接收主网络中的信令并执行相应的报警操作，但不执行入网和应答动作。

如图2所示，本发明基于lora的小规模远距离局域网系统的工作方法包括以下步骤：

(1)主节点根据其终端节点信息表生成对应的信令，并以透明传输方式向主网络中的第一个中继节点发送信令，该信令中的轮询终端编号字段指示主网络需要轮询的终端节点编号；

其中，初始时刻是对终端节点信息表中的第一个终端节点生成轮询信令，然后依次对终端节点信息表中的剩余终端节点进行同样的生成轮询信令操作，最后生成入网询问信令。

例如，主节点的终端节点信息表中现有3个处于在线状态的终端节点的编号，分别为00000001，00000010，00000011，则主节点会依次对三个终端节点进行轮询，相应地，会首先生成一个轮询终端编号字段为00000001的轮询信令，在该信令循环的过程完成后再生成一个轮询终端编号字段为00000010的轮询信令并发送，在该信令循环的过程完成后再生成一个轮询终端编号字段为00000011的轮询信令，在该信令循环的过程完成以后，主节点生成入网询问信令并发送。

(2)主网络中的多个中继节点按照接力的方式依次传输该信令，其中当该信令到达信令的轮询终端编号字段中指示的终端节点所对应的中继节点时，该中继节点会暂停信令的传输过程，此时对应的终端节点根据该信令生成对应的应答信息，并将该应答信息传送到对应的中继节点；

(3)该中继节点将终端应答信息写入信令中，并按照接力的方式继续将信令转发给后续的中继节点；

其中，在上述接力转发的过程中，中继节点在发送完信令后，会判断是否从下一个中继节点接收到其将信令成功发送到下下一个中继节点的信令，并将该信令当作是下一中继节点对当前中继节点的应答信息，并在未收到该应答信息时将信令重新发送到下一个中继节点。

(4)尾节点在信令到达该尾节点时，以接力的方式将该信令经过所有中继节点返回给主节点。

(5)主节点在收到返回的信令时，根据信令中的信息更新其动态工作表。

例如，若本次信令是轮询信令，且是对终端节点编号为00000001的终端节点的轮询信令，则本步骤是根据返回给主节点的信令中的信息对终端节点信息表中节点编号为00000001的终端节点对应的在线状态、其对应中继节点的编号、以及对应的用户数据进行更新。

若本次信令是入网询问信令，且有新的终端节点入网，则本步骤是根据返回给主节点的信令中的信息在终端节点信息表中新增该新入网的终端节点编号、对应的在线状态、其对应中继节点的编号、以及对应的用户数据。

若本次信令是入网询问信令，且没有新的终端节点入网，则主节点进入下一次新的发送信令的过程。

以下是本发明的重要技术指标：

一、本发明提出的一种基于lora的小规模远距离局域网系统主要为数据量较小的通讯网络系统，理论上信令的字节长度不应超过128个字节，但可以根据对实时性的不同要求来做适当调节，实时性要求不高的话可相应增加信令长度。

二、本发明提出的一种基于lora的小规模远距离局域网系统主要为中小区域型网络系统，理论上中继节点总数量不超过64个，覆盖区域的直线距离不超过30公里，但可以根据对实时性的不同要求来做适当调节，实时性要求不高的话可相应增加中继节点数量和覆盖范围。

三、本发明提出的一种基于lora的小规模远距离局域网系统对终端节点的通讯方式为轮询通信，理论上在网的终端节点的数量不应超过32个，但可以根据对实时性的不同要求来做适当调节，实时性要求不高的话可相应增加终端节点数量，只做接收不做入网动作的终端节点数量不受限制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。