一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的Lora终端节能方法与流程

本发明涉及通信领域，特别地，涉及一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的lora终端节能方法。
背景技术：
lora技术为lpwan技术的一种，具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特点。lora整个网络协议层次如下，application为应用层，常见的lorawan协议即为loramac协议，协议定义的终端类型有classa、classb、classc三种类型。classb定义ping周期，周期性进行下行数据监测。classb的节点每128秒接收网关广播的携带时间参考信息的beacon(信标)，用于校准自身的时钟。在2个beacon之间，节点会开启一些接收窗口(pingslot)，如果在窗口期接收到网关的preamble，那么它将接收完整的下行数据包。由于每个节点距离网关的位置不同，其接收灵敏度也不同，所以pingslot所需要的个数pingnb也不大相同，在实际过程中为了保证通信质量的良好，常以pingnb的k为7，即最大pingnb个数进行数据传输。如果一个节点与网关的通信仅仅需要4(k＝2)次就可以，然而使用了128个pingslot，多使用了124个pingslot，也就意味着多耗费了124个pingslot的能量。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的lora终端节能方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的lora终端节能方法，包括lora终端采用的算法、终端使用的mcu以及lora射频模块，lora终端classb采用的算法包括以下步骤：s1：当节点接收beacon，用二分搜索算法选取设定合适的pingnb,搜索过程从beacon的数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较；s2：通过时隙随机化得到每个节点的pingslot的开始时间点的偏移量pingoffset，对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量pingoffset，通过密钥为0的aes加密算法设计得出：key＝16×0x00rand＝aes128_encrypt(key,beacontime|devaddr|pad16)pingoffset＝(rand[0]+rand[1]×256)modulopingperiod；s3：进入数据接收的pingslot。优选地，终端mcu选用stm8l系列mcu，stm8l系列mcu功耗低，不用外部存储设备，完全符合无线传输的要求。优选地，所述lora射频模块选用sx1278，sx1278属于loratm扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率，能耗低。本发明的有益效果：由上述方案可知，终端算法采用二分搜索算法选取设定合适的pingnb，每一次都可以使选取范围缩小一半，且以递归的形式，可以快速准确的选取设定的pingnb，极大的缩短了通信时间，同时也节省更多的能量。采用时隙随机化得到便宜量可以保证pingslot里只有一个节点在进行数据传输，不会因通信系统性的碰撞或监听过载的情况而产生额外的能量消耗。因此，该方案可以有效的降低的功耗，达到节能目的。附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明终端采用的算法流程图。具体实施方式参照图1，一种基于二分搜索时隙随机化通信机制的lora终端节能方法，包括lora终端采用的算法、终端使用的mcu以及lora射频模块，lora终端classb采用的算法包括以下步骤：s1：当节点接收beacon，用二分搜索算法选取设定合适的pingnb,搜索过程从beacon的数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较；s2：通过时隙随机化得到每个节点的pingslot的开始时间点的偏移量pingoffset，对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量pingoffset，通过密钥为0的aes加密算法设计得出：key＝16×0x00rand＝aes128_encrypt(key,beacontime|devaddr|pad16)pingoffset＝(rand[0]+rand[1]×256)modulopingperiod；s3：进入数据接收的pingslot。。终端mcu选用stm8l系列mcu，stm8l系列mcu功耗低，不用外部存储设备，完全符合无线传输的要求。所述lora射频模块选用sx1278，sx1278属于loratm扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率，能耗低。终端算法采用二分搜索算法选取设定合适的pingnb，每一次都可以使选取范围缩小一半，且以递归的形式，可以快速准确的选取设定的pingnb，极大的缩短了通信时间，同时也节省更多的能量。采用时隙随机化得到便宜量可以保证pingslot里只有一个节点在进行数据传输，不会因通信系统性的碰撞或监听过载的情况而产生额外的能量消耗。因此，该方案可以有效的降低的功耗，达到节能目的。终端classb通信机制classb的节点每128秒接收网关广播的携带时间参考信息的beacon(信标)，用于校准自身的时钟。在2个beacon之间，节点会开启一些接收窗口(pingslot)，如果在窗口期接收到网关的preamble，那么它将接收完整的下行数据包。一个beacon的时间是128s，具体分成beacon_guard、beacon_reserved和beacon_window。beacon_guard的时间为3s，作用是防止beacon帧数据与ping数据帧的冲突；beacon_reserved的时间为2.12s，是beacon帧的保留时隙；beacon_window的时间为122.88s。beacon_window时间长度为122.88s，被划分成212＝4096个pingslot，因此每个pingslot为0.03s。当节点接收beacon，用二分搜索选取设定合适的pingnb，然后根据slotrandomization中的pingoffset，进入数据接收的pingslot。由于下行通信中的每个beacon内都可以被划分成212＝4096个pingslot。但并不是所有的时隙内都进行数据传输，为了防止通信系统性的碰撞和监听过载的情况，每个节点在不同的一定数量pingslot内进行下行数据的接收。因此需要对4096个slot进行编号索引和时隙随机化，以保证在这些pingslot里只有一个节点在进行数据传输。devaddr：设备的32位网络单播或多播地址。pingnb：一个beacon下的pingslot个数，且这个数为2的幂整数。pingperiod：节点接的pingslot。pingoffset：每给beacon周期开始的偏移量，取值范围为0～(pingperiod-1)。beacontime：这个值在bcnpayload，即将要接收beacon帧的时间。slotlen：一个pingslot的时长，30ms。其中，pingnb的取值范围，pingnb＝2k(1≤k≤7)pingperiod的值：pingperiod＝212/pingnb为了保证每个节点接收数据的时刻是随机的，我们对每个节点开始接收数据的时间都有随机的偏移量pingoffset，通过密钥为0的aes加密算法设计得出：key＝16×0x00rand＝aes128_encrypt(key,beacontime|devaddr|pad16)pingoffset＝(rand[0]+rand[1]×256)modulopingperiod每个节点的pingslot开始的时间点为ton：ton＝beacon_reserved+(pingoffset+n×pingperiod)×slotlen时隙随机化(slotrandomization)，是把每个节点的pingslot的开始时间点都有一个独一无二的pingoffset，因此以保证每个节点与网关的通信都是在不同的slot下进行。由于每个节点距离网关的位置不同，其接收灵敏度也不同，所以pingslot所需要的个数pingnb也不大相同，在实际过程中为了保证通信质量的良好，常以pingnb的k为7，即最大pingnb个数进行数据传输。如果一个节点与网关的通信仅仅需要4(k＝2)次就可以，然而使用了128个pingslot，多使用了124个pingslot，也就意味着多耗费了124个pingslot的能量。对于不同的节点，如何动态地设置其合适的pingnb，不仅可以缩短通信的时间，同时也可以节省更多的能量。假定一个节点完整的通信时长所需要的pingnb的数量为n，节点所需要设置的pingnb必须为2的幂整数，因此如何在保证通信所需要的足够时间内，合利选取k值，可以省2^(7-k)个slot的能量。以二分法的思想，搜索大于n的最小2次幂。二分搜索(binarysearch)，是一种在有序数组中查找某一特定元素的搜索算法。搜索过程从数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜索过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从中间元素开始比较。如果在某一步骤数组为空，则代表找不到。这种搜索算法每一次比较都使搜索范围缩小一半。二分搜索每次都可以把搜索区减少一半，且以递归的形式，其时间复杂度o(logn)和空间复杂度o(1)，其中，n代表集合中的元素个数。二分搜索是一种简单高效的算法，十分符合物联网下节点的mcu的性能要求，同时也满足低功耗设计的节能目标。mcu选型及引脚配置终端mcu选用stm8l系列mcu，该系列为stm公司针对物联网wsn节点设计，完全符合其资源紧张和性能苛求等特点。以stm8l151c8t6为例，它属于超低功耗，不带rtc休眠为400na，带rtc下休眠为1.4ua。该mcu拥有较大的ram(4kb)和自带eeprom(2kb)，不用扩展外部存储设备，进行一步降低功耗和成本。mcu与rf通过spi总线连接，此外还有一些控制引脚；rf通过dio0～5引脚给mcu发通知信号，nss/sck/miso/mosi是spi总线，rst2是mcu复位rf的引脚。支持低功耗的mcu一般都有好几种运行模式，以st公司的stm8l为例，它支持5种低功耗模式：等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。如下表所示，每一种模式的进入方式，节能级别和外设工作要求。如下表所示，将mcu的i/o引脚分为四类：pin_null、pin_vdd、pin_mcu_out、pin_mcu_in。i/o引脚分类详细释义pin_null未连接的i/o引脚pin_vdd接电源的i/o引脚pin_mcu_outic输入，mcu输出的i/o引脚pin_mcu_inic输出，mcu输入的i/o引脚对四类i/o口，测试实验结果如下表所示。对于接电源的引脚pin_vdd来说，push-pull模式下电流为0.4ua；nopen-drain模式下电流为29.3ua。因此mcu接电源的引脚设置为push-pull模式更省电。对于悬空的引脚pin_null来说，设置(1)input,pull-up；(2)output,open-drain,lowlevel；(3)output,push-pull,lowlevel；(4)output,push-pull,highlevel这四种工作模式均可以更节能，电流仅为0.4ua。对于ic输入，mcu输出的引脚pin_mcu_out来说，设置为input,floating模式更节能。对于ic输出，mcu输入的引脚pin_mcu_in来说，input,pull-up模式下能耗最小。mcu配置由硬件节能设计可知，mcu的pin_mcu_out引脚和pin_mcu_in引脚，在进入低功耗模式和退出低功耗模式之际，会发生动态切换引脚，即引脚的“第二次”功能配置。由于动态引脚的切换需要一定的时间，以stm8l151c8t6为例，动态切换5个引脚需要477us，可见它一般用于休眠这种较长周期的节能模式，不适合空闲停止这种短暂节能模式。为减少软件维护成本，需要设计一种优秀的数据结构，它能描述mcu所有引脚，如果引脚功能改变，只需要修改数据定义，而不需要修改程序。mcu始终是节点的持续消耗者，因此软件设计的重心依旧是尽可能快地让mcu节能，stm8l151c8t6有如下2种节能模式。短暂等待：如等待rf发送数据帧完毕，mcu执行wfi指令，一旦rf完成发送，中断将mcu唤醒继续运行；长期等待：如等待下一次主动上报数据帧，mcu执行halt指令，当指定时间到达时，rtc中断将mcu唤醒继续运行。lorarf休眠sx1278属于loratm扩频调制技术，它的远距离优势得益于调制增益，不是靠增大发射功率(那将消耗更多电能)。该射频芯片的电流消耗如下：休眠<0.2ua，空闲＝1.6ma，接收＝12ma，发射(最大功率)＝120ma.终端mcu通过“中断+定时器超时”方式控制sx1278，一旦射频完成发送或接收，立即进入休眠模式。如下表所示，为lorarf(sx1278)的能耗测试结果。根据表数据不难发现，sx1278的四种工作模式耗能排序为：sleep<standby<receive<transmit。其中发送状态下耗能最多，休眠模式下耗能仅有0.2ua，因此在节点发送完毕之后，更多的处于休眠模式下最利于节能lorarf设计lora射频模块(lorarf)是实现lora协议无线传输重要部分，同时也是系统实现的基础支撑。并且节点(node)和集中器(sink)具有相同射频模块的硬件结构，主要分为sx1278、tcxo和switch三个模块。其功能如下：sx1278：完成lora无线信号的接收和发送tcxo：为sx1287高频电路提供精确的时钟switch：为半全双工的sx1278切换输入或输出状态mcu：驱动sx1278，实现无线网络协议等sx1278是semtech公司推出的面向中国市场lora射频ic(不支持支持862～1020mhz)。sx1278的dio0～dio5这六个引脚对应的事件响应如下表所示。switch对应切换的工作状态，如下表所示。根据上文所述系统架构，本文设计并实现了相应的系统，节点和集中器均采用sx1278实现，具有相同的硬件结构，其中最主要的部分就是节点和集中器的射频模块。以上所述只是本发明的较佳实施方式，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应落入本发明的保护范围之内。当前第1页12