基于LoRa組網(wǎng)的多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法

姚引娣，王 磊

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)通信設(shè)備的普及，小型無線自組網(wǎng)的需求越來越大，LoRa以其通信距離長、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在無線自組網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前在LoRa組網(wǎng)中，TDMA[1,2](time division multiple access)是最常用的一種接入方法，在該方法中最常用的兩種算法是競爭時(shí)隙分配算法和固定時(shí)隙分配算法。文獻(xiàn)[3]提出了一種具有動(dòng)態(tài)重傳和差異服務(wù)機(jī)制的固定時(shí)隙分配算法，重新設(shè)計(jì)了時(shí)幀結(jié)構(gòu)，提高了LoRa組網(wǎng)通信的可靠性。文獻(xiàn)[4]提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)TDMA時(shí)隙分配算法，該算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化，按照各個(gè)節(jié)點(diǎn)的等級動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙分配策略，提高傳輸效率。但是隨著當(dāng)前無線傳輸性能要求的提升，固定時(shí)隙分配算法不能根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙分配方案[5]，會(huì)產(chǎn)生空時(shí)隙，造成時(shí)隙的浪費(fèi)；競爭時(shí)隙分配算法在一定程度上提高了時(shí)隙的利用率，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，數(shù)據(jù)碰撞概率會(huì)逐漸增大，造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量減小時(shí)延增大。

因此本文在總結(jié)上述兩種時(shí)隙分配算法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用于LoRa組網(wǎng)[6,7]的多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法，同時(shí)在通信過程中采用特定設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀[8]，相比于單一的時(shí)隙分配算法提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延,提升了LoRa自組網(wǎng)技術(shù)[9]在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[10]方面的性能。

1 多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法設(shè)計(jì)

1.1 固定時(shí)隙分配算法

基于TDMA的固定時(shí)隙分配算法是將數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間分成固定周期的時(shí)幀，每個(gè)時(shí)幀分成若干個(gè)時(shí)隙，通過指定的規(guī)則為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的時(shí)隙，使該節(jié)點(diǎn)只能在固定時(shí)隙上傳輸數(shù)據(jù)，其工作原理如圖1所示。

圖1 時(shí)隙分配原理

在固定時(shí)隙分配算法中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一時(shí)幀中都占用一個(gè)時(shí)隙，如果節(jié)點(diǎn)在已分配的時(shí)隙上沒有數(shù)據(jù)傳輸，就會(huì)產(chǎn)生空時(shí)隙，造成資源的浪費(fèi)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，并且該算法在使用中要求有精確的時(shí)鐘定時(shí)以保證系統(tǒng)中用戶(或設(shè)備)間時(shí)隙劃分的準(zhǔn)確性，一般通過高精度時(shí)鐘或衛(wèi)星授時(shí)解決，但實(shí)現(xiàn)成本較高。

1.2 競爭時(shí)隙分配算法

在競爭時(shí)隙分配算法中，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通過爭搶時(shí)隙來發(fā)送數(shù)據(jù)，隨機(jī)調(diào)配時(shí)隙大小，靈活性比較強(qiáng)，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)離接收點(diǎn)的距離比較近時(shí)，該節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)隙的概率會(huì)增加，存在不公平現(xiàn)象，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率也會(huì)快速下降。

在LoRa組網(wǎng)中，通常采用具有信道偵聽的CSMA/CA算法[11,12]，其原理是：節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先檢測當(dāng)前信道是否空閑，等到信道空閑后，再發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間，再進(jìn)行信道檢測，此算法在一定程度上降低了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)碰撞的概率，提高了系統(tǒng)的吞吐量。

1.3 多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法

根據(jù)固定時(shí)隙分配算法和競爭時(shí)隙分配算法的不足，本文提出了一種多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法[13,14]，多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法的設(shè)計(jì)原理為：將一個(gè)完整的時(shí)幀劃分為固定時(shí)隙和競爭時(shí)隙兩部分，各個(gè)節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級進(jìn)行劃分，優(yōu)先級高的核心節(jié)點(diǎn)采用固定時(shí)隙分配策略,將一部分穩(wěn)定的時(shí)隙分配給核心節(jié)點(diǎn)，以保障高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸，再將另一部分競爭時(shí)隙用于其它優(yōu)先級較低的普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行競爭數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙分配的策略，對于競爭時(shí)隙通過判斷競爭算法中碰撞延時(shí)的大小來動(dòng)態(tài)調(diào)整固定時(shí)隙和競爭時(shí)隙的個(gè)數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸時(shí)延；在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，占有固定時(shí)隙的核心節(jié)點(diǎn)只需要周期性的和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，并不是每個(gè)時(shí)幀內(nèi)都發(fā)送數(shù)據(jù)，在一定程度上會(huì)造成時(shí)隙浪費(fèi)，因此對于固定時(shí)隙，需要通過節(jié)點(diǎn)的上報(bào)周期來調(diào)整固定時(shí)隙的個(gè)數(shù)，當(dāng)核心節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)隙不發(fā)送消息時(shí)，就釋放該時(shí)隙，提高時(shí)隙利用率，具體算法流程如圖2所示。

圖2 主要流程

節(jié)點(diǎn)在競爭時(shí)隙時(shí)采用CSMA/CA算法,因此在動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級大小時(shí)，可以通過CSMA/CA算法中發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞時(shí)節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)延來判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，根據(jù)退避算法中節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間設(shè)置閾值，當(dāng)隨機(jī)延時(shí)超過或者低于設(shè)置的閾值時(shí)，通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級動(dòng)態(tài)調(diào)整固定時(shí)隙與競爭時(shí)隙的個(gè)數(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)的性能。

在LoRa同頻組網(wǎng)中要避免通信沖突一般采用時(shí)分復(fù)用的方式，要求在同一時(shí)間內(nèi)子網(wǎng)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)上報(bào)數(shù)據(jù)，因此將系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能的不同劃分優(yōu)先級，高優(yōu)先級為核心節(jié)點(diǎn)，低優(yōu)先級為普通節(jié)點(diǎn)，按照優(yōu)先級為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配對應(yīng)的時(shí)間槽，進(jìn)行入網(wǎng)和數(shù)據(jù)的上報(bào)，在整個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)來源主要來自于低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)，而網(wǎng)關(guān)的下行數(shù)據(jù)相對較少，因此在組網(wǎng)中用網(wǎng)關(guān)來控制網(wǎng)絡(luò)中時(shí)隙的分配和時(shí)鐘同步。在應(yīng)用中將整個(gè)算法流程分為3部分：節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘同步[15]。

(1)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)

節(jié)點(diǎn)(Node)在入網(wǎng)時(shí)優(yōu)先級高的核心節(jié)點(diǎn)采用固定時(shí)隙進(jìn)行入網(wǎng)，優(yōu)先級低的普通節(jié)點(diǎn)采用競爭時(shí)隙的方式進(jìn)行入網(wǎng)，普通節(jié)點(diǎn)在競爭入網(wǎng)之前，先偵聽信道是否空閑，如果信道空閑則立即發(fā)送入網(wǎng)請求，當(dāng)偵聽到信道忙碌時(shí)，隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后再次申請入網(wǎng)，具體可分為以下3種情況：

情況一：Node發(fā)送入網(wǎng)請求后，先接收到“噪聲數(shù)據(jù)幀”后收到“回應(yīng)數(shù)據(jù)幀”。原因是:其它節(jié)點(diǎn)也在發(fā)送請求幀，解決方法：在整個(gè)等待期間忽略其它信息，只接收自己的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。

情況二：Node在整個(gè)等待周期都沒有收到任何信息，原因是：網(wǎng)關(guān)丟失了請求幀，或者沖突毀壞通信鏈路，解決方法：采用隨機(jī)延時(shí)退避算法。

情況三：Node在整個(gè)等待周期接收到噪聲但沒有接收到回應(yīng)數(shù)據(jù)幀，原因是：有其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求幀并且破壞了網(wǎng)關(guān)回應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。解決方法：采用隨機(jī)延時(shí)退避算法。

將上述情況進(jìn)行總結(jié)可得LoRa節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)的算法邏輯如圖3所示。

圖3 入網(wǎng)流程

(2)數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，除固定時(shí)隙外，其它通過競爭共享時(shí)隙來發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的主要工作是計(jì)算它下一次進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)的時(shí)間，計(jì)算下一次上報(bào)時(shí)刻算法的流程如圖4所示。它基于兩個(gè)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)，系統(tǒng)輸入當(dāng)前本地RTC(real-time clock)的數(shù)值，輸出下次上報(bào)時(shí)刻，其中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為網(wǎng)關(guān)下發(fā)的同步時(shí)間和數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，內(nèi)部參數(shù)為數(shù)據(jù)處理所耗費(fèi)的時(shí)間。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸算法流程

根據(jù)算法流程可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)下一次的上報(bào)時(shí)間f(t)

f(t)=RTC+slove_time+slot_length+ trans_time+delay_time

(1)

其中，內(nèi)部參數(shù)有本地RTC(本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘)slove_time(節(jié)點(diǎn)的信息處理時(shí)間)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有slot_length(網(wǎng)關(guān)分配的時(shí)隙長度)，空中傳輸?shù)臅r(shí)間(trans_time)，delay_time(發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀延時(shí)補(bǔ)償)；在計(jì)算過程中需要加上發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀的延時(shí)補(bǔ)償，以提高同步精度減少誤差。

(3)時(shí)鐘同步

多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法是基于時(shí)分復(fù)用的方式，所以需要進(jìn)行時(shí)鐘同步，在進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)幀與時(shí)隙的關(guān)系，通過特殊格式的數(shù)據(jù)幀對節(jié)點(diǎn)周期性的進(jìn)行時(shí)鐘同步，優(yōu)化單時(shí)隙算法的時(shí)鐘精度，具體流程為：網(wǎng)關(guān)發(fā)送包含本地RTC和時(shí)隙分配的數(shù)據(jù)幀，節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)幀解析后校準(zhǔn)自身時(shí)鐘，相比于常用的高精度時(shí)鐘或衛(wèi)星授時(shí)降低了成本。

在時(shí)鐘同步過程中，網(wǎng)關(guān)需要3個(gè)步驟來完成發(fā)送包含有本地RTC和時(shí)隙分配的數(shù)據(jù)幀：取本網(wǎng)關(guān)的RTC值、分配時(shí)隙、生成數(shù)據(jù)幀并發(fā)送，這3個(gè)步驟不能被打斷，否則該RTC就不再實(shí)時(shí)，因此需要在執(zhí)行之前開啟和關(guān)閉中斷以保證原子性。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己與網(wǎng)絡(luò)失步時(shí)，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)入網(wǎng)流程重新申請入網(wǎng)，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀校準(zhǔn)自身時(shí)鐘，進(jìn)行時(shí)鐘同步。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了測試本文提出的多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法的合理性和優(yōu)越性，在MATLAB2016a環(huán)境下對多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本次仿真在理想信道下進(jìn)行忽略信道中的誤碼率，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)包速率相等，每成功傳輸一幀或丟棄一幀立刻產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)幀，保證節(jié)點(diǎn)一直都有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)定了 2-10個(gè)星型分布的節(jié)點(diǎn)，并與競爭時(shí)隙算法進(jìn)行了對比分析。具體仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果分析

在理想環(huán)境下通過MATLAB仿真，對不同網(wǎng)絡(luò)容量下兩種算法的吞吐率和傳輸時(shí)延進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5，圖6所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)數(shù)目與吞吐率

圖6 節(jié)點(diǎn)數(shù)目與傳輸延時(shí)

由圖5，圖6可以得出，在其它環(huán)境相同下，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法的吞吐量比競爭時(shí)隙算法高，傳輸時(shí)延比競爭時(shí)隙算法低。在同一網(wǎng)絡(luò)下，多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)改變節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級，平衡競爭時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和固定時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，相比與單純的競爭時(shí)隙算法在數(shù)據(jù)傳輸中的吞吐量更大，數(shù)據(jù)時(shí)延更小，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3 硬件實(shí)驗(yàn)

3.1 硬件參數(shù)設(shè)置

為了測試本算法的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了用于測試的硬件模塊，本文的硬件測試模塊主要由主控電路、射頻電路和外圍電路組成，主控芯片采用ST公司的低功耗芯片STM8L151；無線部分的射頻芯片使用的是SX1278LoRa芯片；外圍電路主要由電源、傳感器、顯示模塊等組成，硬件框架如圖7所示。各個(gè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成星型網(wǎng)絡(luò)，周期性的將傳感器采集的數(shù)據(jù)和本地時(shí)鐘上報(bào)至網(wǎng)關(guān)，并通過串口將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存到文件中。

圖7 硬件框架

節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間傳輸數(shù)據(jù)幀的固定大小為12個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)包含采集節(jié)點(diǎn)的上報(bào)信息和控制節(jié)點(diǎn)的指令信息，采用CRC16方式進(jìn)行校驗(yàn)，數(shù)據(jù)包格式如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)包格式

表2 LoRa參數(shù)設(shè)置

3.2 測試結(jié)果分析

實(shí)際測試是通過實(shí)測多節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信來確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的上報(bào)時(shí)延和丟包率情況。具體測試環(huán)境為室外空地，測試距離為800 m，數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為1000個(gè)，20次后取平均結(jié)果，測試方法為：通過串口窗口接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和文件中節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的時(shí)鐘差來分析網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延和丟包率。在同一環(huán)境下實(shí)測的兩種算法在同一網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況如圖9所示。由圖9可以看出隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，本文采用的多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法的傳輸時(shí)延比競爭時(shí)隙分配算法的傳輸時(shí)延低，該算法會(huì)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級大小調(diào)整固定時(shí)隙和競爭時(shí)隙的數(shù)目，通過降低節(jié)點(diǎn)爭搶時(shí)隙的概率降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

圖9 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

圖10為實(shí)測的系統(tǒng)在同一條件下分別采用競爭時(shí)隙分配算法和多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法在網(wǎng)絡(luò)中的丟包情況，從圖中可以看出隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，競爭時(shí)隙分配算法的數(shù)據(jù)碰撞概率會(huì)增加，導(dǎo)致有些節(jié)點(diǎn)因競爭不到時(shí)隙產(chǎn)生丟包，而多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法將優(yōu)先級高的核心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)用固定時(shí)隙進(jìn)行傳輸，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級，周期性的釋放固定時(shí)隙資源，保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，相比與競爭時(shí)隙分配算法降低了節(jié)點(diǎn)在傳輸中的丟包率，提升了整體傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖10 丟包率對比

4 對比分析

本文的應(yīng)用場景是基于LoRa的小型自組織網(wǎng)絡(luò)，在自組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)容量、數(shù)據(jù)丟包率，和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延都是評估網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，通過對比競爭時(shí)隙算法的MATLAB仿真和實(shí)際測試，得出在相同環(huán)境下，本算法與常用的固定時(shí)隙分配算法和競爭時(shí)隙分配算法相比在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)吞吐量方面效果更優(yōu)，更適合LoRa組網(wǎng)的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于LoRa同頻組網(wǎng)的多優(yōu)先級時(shí)隙分配算法，首先每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開機(jī)入網(wǎng)，入網(wǎng)成功后網(wǎng)關(guān)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級分配固定時(shí)隙和競爭時(shí)隙，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整核心節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，周期性釋放空閑的固定時(shí)隙；各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過讀取網(wǎng)關(guān)發(fā)送的帶有控制信息和時(shí)隙分配信息的數(shù)據(jù)幀，完成時(shí)隙的校準(zhǔn)并同步本地時(shí)鐘。通過對提出算法的仿真和實(shí)測分析，驗(yàn)證了該算法相比于同頻組網(wǎng)中常用的競爭時(shí)隙分配算法具有較高的傳輸效率和較好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，優(yōu)化了單時(shí)隙分配算法在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的延遲和數(shù)據(jù)丟包。本算法設(shè)計(jì)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，能夠提升多種組網(wǎng)通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性,在嵌入式物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。