一种基于LoRa智能安防系统的多跳网络路由方法

一种基于lora智能安防系统的多跳网络路由方法
技术领域
1.本发明属于物联网与通信技术领域，具体涉及一种基于lora智能安防系统的多跳网络路由方法。


背景技术：

2.近年来，lora(long range)等低功耗广域网通信技术发展迅速，该类通信技术能够很好的契合物联网应用场景中对于功耗、成本、通信距离等方面的性能需求，拥有广泛的发展空间和应用前景。lora联盟组织推动了lorawan协议的标准化及该项技术的推广工作，lorawan协议规范了lora通信从物理层到应用层的技术标准，划定了lora终端工作模式，规范了lora标准网络架构，基于该协议可实现各lora标准网络的互通。在对传统行业的信息化升级中，低功耗广域覆盖的通信技术在物联网应用场景中具有很大的发展空间。lora通信技术具备超低功耗及广域覆盖的特点，解决了传统物联网通信技术低功耗与长传输距离无法兼得的问题，同时具有抗干扰能力强、部署灵活、低成本等技术优势。因此，该技术在智慧城市、无线抄表、智慧工地等领域有着广泛的应用。
3.在lora智能安防自组网系统中，大量终端设备需与网关建立可靠通信，而终端与网关多采用直接通信的方式，在复杂部署场景中难以保证通信质量和系统功耗要求。面向智能安防的终端设备采用电池供电，且多部署于建筑工地、灾难救援、多层楼宇等复杂场景中，续航时间和lora数据包成功交付率是系统尤为重要的性能指标。在终端与网关之间引入数据中继节点可有效降低系统的数据丢包率和终端功耗。针对智能安防lora自组网系统的部署场景，lora自组网网络架构和路由策略有待进一步优化，以达到系统通信性能和功耗水平的进一步平衡。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于lora智能安防系统的多跳网络路由方法，该方法包括：
5.s1：初始化lora智能安防系统和路由数据库；lora智能安防系统包括终端子系统、中继子系统、网关子系统和云平台子系统；
6.s2：终端采用lora广播通信方式发送上行通信数据帧到一层路由中继节点；
7.s3：第一层中继节点采用广播接收的方式接收上行通信数据帧并对上行通信数据帧进行封装，得到第一层中继数据帧；
8.s4：更新当前层中继节点的本地路由层间通信质量数据库；根据当前层中继节点本地存储的与下一层中继节点通信的本地路由层间通信质量数据库计算下一层中继节点路由质量系数；选择下一层中继节点中路由质量系数最大的中继节点作为下一跳中继节点并向其发送当前层中继数据帧；
9.s5：下一层中继节点接收当前层中继数据帧并对其进行封装，返回步骤s4，直到顶层中继节点接收到前一层中继数据帧；顶层中继节点计算与各网关通信的路由质量系数，
并选择路由质量系数最大的网关向其发送中继数据帧；
10.s6：网关子系统接收中继网络上传的所有中继数据帧并对其进行解析，对解析后的中继数据帧进行封装，得到上行网关数据帧，将上行网关数据帧发送给云平台；
11.s7：云平台对所有上行网关数据帧进行初步解析，得到解析结果；根据解析结果更新云平台的链路通信质量数据库并计算链路质量系数；
12.s8：云平台根据链路质量系数选择通信质量最好的数据链路传送的上行网关数据帧进行进一步解析，得到终端上传的上行数据；
13.s9：云平台根据链路通信质量数据库选择通信质量最好的链路作为下行通信链路；根据下行通信链路进行下行通信。
14.优选的，初始化lora智能安防系统和路由数据库的过程包括：
15.s11：中继节点和网关配置默认lora通信资源；其中，lora通信资源包括频率、带宽、扩频因子、编码效率；
16.s12：所有中继节点与中心网关建立数据通信，中心网关采集每个中继节点与其lora通信的信号强度并上传至云平台；
17.s13：云平台接收所有中继节点上传的信号强度，根据中继节点上传的信号强度进行中继节点路由层级划分，得到中继节点路由层级划分结果；
18.s14：所有中继节点根据中继节点路由层级划分结果进行通信并获取信号强度和信噪比，每层中继节点根据信号强度和信噪比建立本地路由层间通信质量数据库；每层中继节点以最大射频发射功率经中心网关将本地路由层间通信质量数据库上传至云平台；
19.s15：云平台接收所有中继节点的本地路由层间通信质量数据库；云平台根据所有中继节点的本地路由层间通信质量数据库建立云平台的链路通信质量数据库。
20.进一步的，得到中继节点路由层级划分结果的过程为：
21.云平台统计中继节点数量n，设置中继层数n；
22.计算n除以n，商为x，余数为y；
23.若余数y＝0，则第1层至第n层每层中继节点个数均为x；若余数y》0，则第1层至第y层每层中继节点个数均为x+1，其余层中继节点个数为x；
24.将中继节点根据信号强度按从小到大的顺序进行排序，根据排序对中继节点所属路由层级进行划分；信号强度小的中继节点为低层中继节点，信号强度大的中继节点为高层中继节点。
25.优选的，下一层中继节点对当前层中继数据帧进行封装的过程包括：在当前层数据帧尾部写入当前层中继节点的标识rtid和此次接收lora信号的通信质量数据qua_data，将写入标识和通信质量数据后的当前层数据帧封装成下一层中继数据帧ue-gw-ul-rt；其中，通信质量数据qua_data包括此次lora通信的信号强度rssi和信噪比snr。
26.优选的，网关对解析后的中继数据帧进行封装的过程包括：在中继数据帧尾添加顶层路由节点与网关通信的通信质量数据qua_data及网关标识gwid，对添加通信质量数据和网关标识后的中继数据帧进行封装，得到上行网关数据帧gw-cp-ul-data。
27.优选的，计算路由质量系数的公式为：
28.q_rt＝rssi*p1+snr*p229.其中，q_rt表示路由质量系数，rssi表示信号强度，snr表示信噪比，p1表示第一调
整系数，p2表示第二调整系数。
30.优选的，计算链路质量系数的公式为：
[0031][0032]
其中，qua表示链路质量系数，n表示路由层数，rssi_rt_k表示中继节点接收lora信号强度，rssi_gw表示网关接收lora信号强度，snr_rt_k表示中继节点接收lora信号信噪比，snr_gw表示网关接收lora信号信噪比，p
rssi
表示第三调整系数，p
snr
表示第四调整系数。
[0033]
优选的，根据下行通信链路进行下行通信的过程包括：
[0034]
s91：根据下行通信链路建立路由向量表和设置终端射频功率调整因子；
[0035]
s92：云平台根据路由向量表组装下行通信网关数据帧并向路由向量表指向的网关发送下行通信网关数据帧；
[0036]
s93：网关解析下行通信网关数据帧，对解析后的下行通信网关数据帧进行封装，得到下行通信终端数据帧；从数据帧尾读取路由向量并根据路由向量将下行通信终端数据帧交付至顶层路由中继节点；
[0037]
s94：每层中继节点读取数据帧，得到路由向量，根据路由向量进行转发交付，直到数据帧交付至指定终端；
[0038]
s95：终端解析下行通信终端数据帧，得到下行数据和终端射频功率调整因子；根据终端射频功率调整因子进行终端射频发射功率调整；
[0039]
s96：终端封装下行通信确认数据为下行确认终端数据帧，根据路由向量将下行确认终端数据帧交付至网关；网关封装下行确认终端数据帧为下行确认网关数据帧，将下行确认网关数据帧交付至云平台；
[0040]
s97：云平台接收下行确认网关数据帧，下行主动通信过程结束。
[0041]
本发明的有益效果为：本发明将中继网络引入lora网络架构，提高了lora网络的区域覆盖范围和可维护性；在上行通信链路中，采用“多链路传输，单链路解析”的策略，在下行通信链路中，采用“单链路传输，单链路解析”的策略，通过本发明的路由策略，高效地完成了上行数据的路由转发和下行通信的可靠交付，提高了系统的通信数据包成功交付率和稳定性；通过对终端射频功率进行调整，进一步平衡了终端通信性能和功耗水平，有效提高了终端系统续航时间，实用性强，推广性强。
附图说明
[0042]
图1为本发明中lora智能安防自组网系统上下行通信的信息流示意图；
[0043]
图2为本发明中lora智能安防系统路由数据库初始化流程图；
[0044]
图3为本发明中路由层级节点数量分配方法流程图；
[0045]
图4为本发明中lora智能安防系统上行链路通信示意图；
[0046]
图5为本发明中lora智能安防系统下行链路通信示意图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
本发明提出了一种基于lora智能安防系统的多跳网络路由方法，如图1所示，所述方法包括：
[0049]
s1：初始化lora智能安防系统和路由数据库；lora智能安防系统包括终端子系统、中继子系统、网关子系统和云平台子系统；
[0050]
s2：终端采用lora广播通信方式发送上行通信数据帧到一层路由中继节点；
[0051]
s3：第一层中继节点采用广播接收的方式接收上行通信数据帧并对上行通信数据帧进行封装，得到第一层中继数据帧；
[0052]
s4：更新当前层中继节点的本地路由层间通信质量数据库；根据当前层中继节点本地存储的与下一层中继节点通信的本地路由层间通信质量数据库计算下一层中继节点路由质量系数；选择下一层中继节点中路由质量系数最大的中继节点作为下一跳中继节点并向其发送当前层中继数据帧；
[0053]
s5：下一层中继节点接收当前层中继数据帧并对其进行封装，返回步骤s4，直到顶层中继节点接收到前一层中继数据帧；顶层中继节点计算与各网关通信的路由质量系数，并选择路由质量系数最大的网关向其发送中继数据帧；
[0054]
s6：网关子系统接收中继网络上传的所有中继数据帧并对其进行解析，对解析后的中继数据帧进行封装，得到上行网关数据帧，将上行网关数据帧发送给云平台；
[0055]
s7：云平台对所有上行网关数据帧进行初步解析，得到解析结果；根据解析结果更新云平台的链路通信质量数据库并计算链路质量系数；
[0056]
s8：云平台根据链路质量系数选择通信质量最好的数据链路传送的上行网关数据帧进行进一步解析，获得上行数据；
[0057]
s9：云平台根据链路通信质量数据库选择通信质量最好的链路作为下行通信链路；根据下行通信链路进行下行通信。
[0058]
本发明上行链路通信采用多链路发送的策略，中继网络基于节点本地数据库转发至上层最佳节点，最终数据经网关透传至云平台。下行链路通信采用单链路发送的策略，云平台依据链路通信质量数据库寻找最优路径并生成路由向量表，基于路由向量完成下行通信可靠交付。
[0059]
本发明中基于lora的智能安防自组网系统由四部分组成，分别为终端子系统、中继子系统、网关子系统和云平台子系统。终端子系统由若干智能安全帽终端组成，用于采集工人脱戴帽状态、环境数据和预警数据等信息并封装成帧，基于中继子系统和网关子系统实现与云平台的信息交互。中继子系统负责终端与网关间的数据帧转发。网关子系统负责中继子系统与云平台间的信息交互，最终建立终端与云平台间的可靠通信。结合实际应用环境，智能安防系统多部署于建筑工地、灾难救援等恶略环境中，终端设备密集分布于作业现场，中继网络部署于作业现场外围区域，网关架设在距离作业现场较远处。在上行通信链路中，采用“多链路传输，单链路解析”的策略。终端设备采用电池供电，对能耗要求高，在保
证通信质量的前提下lora射频发射功率应尽量低，因此上行链路通信采用一对多的通信方式，终端采用广播通信的方式与多条链路建立连接，每条链路均交付终端数据包至云平台，云平台只解析链路质量系数qua最高的链路获取终端数据。在下行通信链路中，采用“单链路传输，单链路解析”的策略。网关和中继节点可外接电源，可适当提高射频发射功率以保证终端能够正确接收到下行数据。云平台基于链路通信质量数据库选择最优路径，将数据可靠交付至终端。
[0060]
如图2所示，一种初始化lora智能安防系统和路由数据库的优选实施例如下：
[0061]
s11：中继节点和网关配置默认lora通信资源，网关初始化4g通信模组和有线网络；其中，lora通信资源包括频率、带宽、扩频因子、编码效率；
[0062]
s12：所有中继节点rt_n(n＝1,2,3,
…
,n，代表中继节点数量，以中继节点实际接入数量为准)按照标号顺序分别与中心网关建立通信；其中，中心网关为系统于初始化阶段选定的核心区域内的一个网关；中心网关采集每个中继节点与其lora通信的信号强度rssi值并上传至云平台；
[0063]
s13：云平台接收所有中继节点上传的信号强度，根据中继节点上传的信号强度进行中继节点划分即对每一个中继节点所属路由层级进行确定，得到中继节点路由层级划分结果；如图3所示，划分中继节点的具体过程为：
[0064]
云平台统计中继节点数量n，设置中继层数n，n值根据实际情况人为设定，优选的，n＝3；
[0065]
计算n除以n，商为x，余数为y；
[0066]
若余数y＝0，则第1层至第n层每层中继节点个数均为x；若余数y》0，则第1层至第y层每层中继节点个数均为x+1，其余层中继节点个数为x；例如，n＝3时，若余数y＝0，则第1层至第3层每层中继节点个数均为x；若余数y＝1，则第1层中继节点个数为x+1，第2层至第3层每层中继节点个数均为x；若余数y＝2，则第1层至第2层每层中继节点个数均为x+1，第3层中继节点个数为x。
[0067]
将中继节点根据信号强度按从小到大的顺序进行排序，根据排序对中继节点所属路由层级进行划分；信号强度小的中继节点距离终端物理距离近，为低层中继节点；信号强度大的中继节点距离网关物理距离近，为高层中继节点。
[0068]
s14：所有中继节点根据中继节点路由层级划分结果进行通信并获取信号强度和信噪比，每层中继节点根据信号强度和信噪比建立本地路由层间通信质量数据库；每层中继节点以最大射频发射功率经中心网关将本地路由层间通信质量数据库上传至云平台；具体过程为：
[0069]
一层路由中的中继节点与二层路由中的全部中继节点逐一通信获取信号强度rssi和信噪比snr，参与通信的两个节点均建立本地路由层间通信质量数据库，即两节点均存储lora通信的信号强度rssi和信噪比snr。然后一层节点以最大射频发射功率经中心网关将该节点与相邻路由层通信的本地路由层间通信质量数据库上传至云平台。中继节点上传成功后会收到云平台的确认信息，若没收到确认信息则随机延时一段时间，再次发起上传操作；若收到确认信息，则开启下一个一层中继节点的数据库创建过程。重复上述过程，直至全部一层路由中继节点本地建立该节点与相邻路由层通信的本地路由层间通信质量数据库，并上传至云平台；
[0070]
重复上述过程，由底层到高层直至所有中继节点完成与上一层节点的rssi值和snr值测量，并本地建立与相邻路由层通信的本地路由层间通信质量数据库，并将数据库上传云平台。中继节点的本地路由层间通信质量数据库包括该节点与低一层路由中继节点的本地路由层间通信质量数据库和该节点与高一层路由中继节点的本地路由层间通信质量数据库，本地路由层间通信质量数据库包括层间通信信号强度rssi数据库和层间通信信噪比snr数据库。
[0071]
s15：云平台全部接收中继节点上传的本地路由层间通信质量数据库，云平台根据所有中继节点的本地路由层间通信质量数据库建立云平台的链路通信质量数据库。
[0072]
初始化完成，中继节点、网关和云平台进入工作状态，系统等待上下行通信事件的发生。
[0073]
本发明的lora智能安防系统上行通信过程采用“多链路传输，单链路解析”的策略，数据帧网络转发借助中继节点本地建立的本地路由层间通信质量数据库，选择最佳上行转发节点，如图4所示，上行主动通信过程如下：
[0074]
a1：终端通过传感器采集环境数据，按照ue-gw接口协议标准，封装成上行通信数据帧ue-gw-ul-data，终端采用lora广播通信方式发送上行通信数据帧到一层路由中继节点；其中，上行通信数据帧包括终端标识ueid和负载数据data等内容；
[0075]
a2：一层中继节点采用广播接收的方式接收上行通信数据帧，并在帧尾部写入一层中继节点的标识rtid和此次接收lora信号的通信质量数据qua_data，将写入标识和通信质量数据后的数据帧封装成一层中继数据帧
[0076]
ue-gw-ul-rt_1；其中，通信质量数据qua_data包括此次lora通信的信号强度rssi和信噪比snr；
[0077]
a3：更新当前层中继节点的本地路由层间通信质量数据库，即更新本次接收对应的节点通信lora信号强度rssi和信噪比snr；各节点查询本地存储的本地路由层间通信质量数据库，根据该节点与下一层中继节点通信的本地路由层间通信质量数据库计算下一层中继节点路由质量系数；计算公式为：
[0078]
q_rt＝rssi*p1+snr*p2[0079]
其中，q_rt表示路由质量系数，rssi表示信号强度，snr表示信噪比，p1表示第一调整系数，p2表示第二调整系数，p1和p2根据工程经验人为设定；
[0080]
根据计算出的路由质量系数选择下一层中继节点中路由质量系数最大的中继节点作为下一跳中继节点并向其发送当前层中继数据帧；
[0081]
a4：下一层中继节点接收当前层中继数据帧并对其进行封装，返回步骤a3，直到顶层中继节点接收到前一层中继数据帧；顶层中继节点计算与各网关通信的路由质量系数，并选择路由质量系数最大的网关向其发送中继数据帧；
[0082]
a5：网关子系统接收中继网络中每条上行通信链路上传的中继数据帧并对其进行解析，在解析后的中继数据帧帧尾添加顶层路由节点与网关通信的通信质量数据qua_data及网关标识gwid，按照gw-cp接口协议标准封装成上行网关数据帧gw-cp-ul-data，将上行网关数据帧通过4g移动网络或者有线网络远程上行传输至云平台；
[0083]
a6：云平台根据gw-cp接口协议初步解析各链路的上行网关数据帧gw-cp-ul-data，得到各链路的终端标识ueid、中继节点标识rtid、网关标识gwid、中继节点接收lora
信号强度rssi和信噪比snr、网关接收lora信号强度rssi和信噪比snr；根据终端标识ueid、中继节点标识rtid和网关标识gwid，更新云平台的链路通信质量数据库中对应的中继节点lora通信信号强度rssi和信噪比snr、网关lora通信信号强度rssi和信噪比snr；根据解析出结果计算链路质量系数qua，计算公式为：
[0084][0085]
其中，qua表示链路质量系数，n表示路由层数，rssi_rt_k表示中继节点接收lora信号强度，rssi_gw表示网关接收lora信号强度，snr_rt_k表示中继节点接收lora信号信噪比，snr_gw表示网关接收lora信号信噪比，p
rssi
表示第三调整系数，p
snr
表示第四调整系数，p
rssi
和p
snr
根据工程经验人为设定；
[0086]
a7：云平台比较链路质量系数qua，选择通信质量最好的数据链路传送的上行网关数据帧进行进一步解析，得到终端上传的上行数据；
[0087]
a8：将云平台选择的该通信质量最好的数据链路作为下行确认链路；云平台发送下行确认网关数据帧cp-gw-ul-ack至网关，该数据帧包含状态标识ack_num、终端标识ueid、各中继节点标识rtid和网关标识gwid等信息。网关接收下行确认网关数据帧cp-gw-ul-ack并按照ue-gw接口协议封装为下行确认终端数据帧gw-ue-ul-ack，经路由网络沿原路径转发至终端；终端接收并解析下行确认终端数据帧gw-ue-ul-ack，本次上行数据通信结束。
[0088]
本发明的lora智能安防系统下行通信过程采用“单链路传输，单链路解析”的策略，云平台根据云端存储的链路通信质量数据库qua_database分析计算最优路径，基于路由向量建立单链路通信；如图5所示，下行主动通信过程具体定义如下：
[0089]
b1：云平台根据基于链路通信质量数据库计算出云平台至目标终端所有通信链路的链路质量系数qua，选取qua最高的链路为最优下行通信链路，建立路由向量表，基于路由向量表建立单链路通信。同时云平台根据选定通信链路中最底层路由节点的通信质量评级设置终端射频功率调整因子，通信质量评级为优质通信节点设置终端射频功率调整因子
△
为负，通信质量评级为差通信节点设置终端射频功率调整因子
△
为正，
△
绝对值大小表示终端射频发射功率调整幅度，
△
为正表示终端增大射频发射功率，
△
为负表示终端减小射频发射功率；
[0090]
b2：云平台基于gw-cp接口协议组装下行通信网关数据帧cp-gw-dl-data，下行通信网关数据帧包括下行数据data和链路路由向量指向：gwid—》rtid_a—》rtid_b—》rtid_c—》ueid；云平台发送下行通信网关数据帧至gwid所指定的网关；
[0091]
b3：网关根据gw-cp接口协议解析下行通信网关数据帧，并按照ue-gw接口协议重新封装数据帧为下行通信终端数据帧gw-ue-dl-data。从数据帧cp-gw-dl-data尾读取路由向量并根据路由向量将数据帧交付至顶层路由中继节点；
[0092]
b4：每层中继节点读取数据帧的特定位，以获取路由向量表中下一跳路由指向，并
根据指向完成数据帧的转发交付，直至数据帧交付至指定终端；
[0093]
b5：终端依据ue-gw接口协议解析下行通信终端数据帧，获取下行通信数据data和射频功率调整因子
△
，根据射频调整因子调整射频发射功率，优化终端功耗。终端射频发射功率的范围是power_min至power_max，power_min为lora射频模组支持的最低射频发射功率，power_max为lora射频模组支持的最高射频发射功率；
[0094]
b6：终端按照ue-gw接口协议封装下行确认终端数据帧ue-gw-dl-ack，经中继网络按照原数据链路交付至网关；网关接收下行确认终端数据帧ue-gw-dl-ack并按照gw-cp接口协议封装为下行确认网关数据帧gw-cp-dl-ack，将下行确认网关数据帧交付至云平台；可选的，通过4g移动网络或者有线网络将下行确认网关数据帧远程发送至云平台；
[0095]
b7：云平台接收下行确认网关数据帧gw-cp-dl-ack，本次下行主动通信过程结束。
[0096]
终端入网过程为特殊的上下行链路数据通信过程，系统在完成中继节点的本地路由层间通信质量数据库以及云平台的链路通信质量数据库之后，终端设备即可开始入网。终端设备以广播形式发送入网申请为初次上行链路通信，终端初次与一层中继节点建立通信时，一层中继节点补全本地数据库中一层路由中继节点与终端设备通信的信号强度rssi_ue和信噪比snr_ue，并将终端信号强度rssi_ue和信噪比snr_ue封装于终端入网数据帧中，经中继网络和网关转发交付至云平台。终端入网申请发送至云平台后，云平台补全链路通信质量数据库中终端通信信号强度rssi_ue和信噪比snr_ue，并分配频率、带宽、扩频因子等信道资源，封装于入网确认数据帧，下行发送至终端。终端解析入网确认数据帧，完成lora信道配置。后续终端在分配的信道资源和通信时隙下经路由网络和网关与云平台建立可靠通信。
[0097]
本发明将中继网络引入lora网络架构，提高了lora网络的区域覆盖范围和可维护性；在上行通信链路中，采用“多链路传输，单链路解析”的策略，在下行通信链路中，采用“单链路传输，单链路解析”的策略，通过本发明的路由策略，高效地完成了上行数据的路由转发和下行通信的可靠交付，提高了系统的通信数据包成功交付率和稳定性；通过对终端射频功率进行调整，进一步平衡了终端通信性能和功耗水平，有效提高了终端系统续航时间，实用性强，推广性强。
[0098]
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。