基于LoRa組網的多優先級時隙分配算法

姚引娣，王 磊

(西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710121)

0 引 言

隨著無線通信技術的發展和移動通信設備的普及，小型無線自組網的需求越來越大，LoRa以其通信距離長、抗干擾能力強、低功耗等優點，在無線自組網中得到了廣泛的應用。

目前在LoRa組網中，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隙分配算法和固定時隙分配算法。文獻[3]提出了一種具有動態重傳和差異服務機制的固定時隙分配算法，重新設計了時幀結構，提高了LoRa組網通信的可靠性。文獻[4]提出了一種改進的動態TDMA時隙分配算法，該算法根據節點數目的變化，按照各個節點的等級動態調整時隙分配策略，提高傳輸效率。但是隨著當前無線傳輸性能要求的提升，固定時隙分配算法不能根據當前節點數目的變化動態調整時隙分配方案[5]，會產生空時隙，造成時隙的浪費；競爭時隙分配算法在一定程度上提高了時隙的利用率，但是當節點較多時，數據碰撞概率會逐漸增大，造成網絡吞吐量減小時延增大。

因此本文在總結上述兩種時隙分配算法優點的基礎上，提出了一種應用于LoRa組網[6,7]的多優先級時隙分配算法，同時在通信過程中采用特定設計的數據幀[8]，相比于單一的時隙分配算法提高了整個網絡的吞吐量，降低了數據傳輸的時延,提升了LoRa自組網技術[9]在物聯網應用[10]方面的性能。

1 多優先級時隙分配算法設計

1.1 固定時隙分配算法

基于TDMA的固定時隙分配算法是將數據傳輸的時間分成固定周期的時幀，每個時幀分成若干個時隙，通過指定的規則為每個節點分配固定的時隙，使該節點只能在固定時隙上傳輸數據，其工作原理如圖1所示。

圖1 時隙分配原理

在固定時隙分配算法中，各個節點在每一時幀中都占用一個時隙，如果節點在已分配的時隙上沒有數據傳輸，就會產生空時隙，造成資源的浪費，當節點網絡規模較大時，會產生數據沖突，并且該算法在使用中要求有精確的時鐘定時以保證系統中用戶(或設備)間時隙劃分的準確性，一般通過高精度時鐘或衛星授時解決，但實現成本較高。

1.2 競爭時隙分配算法

在競爭時隙分配算法中，網絡中所有節點通過爭搶時隙來發送數據，隨機調配時隙大小，靈活性比較強，但是當節點離接收點的距離比較近時，該節點獲得時隙的概率會增加，存在不公平現象，并且當網絡中節點數目較多時，數據發送的成功率也會快速下降。

在LoRa組網中，通常采用具有信道偵聽的CSMA/CA算法[11,12]，其原理是：節點在發送數據前，先檢測當前信道是否空閑，等到信道空閑后，再發送數據，否則，隨機延時一段時間，再進行信道檢測，此算法在一定程度上降低了節點數據碰撞的概率，提高了系統的吞吐量。

1.3 多優先級時隙分配算法

根據固定時隙分配算法和競爭時隙分配算法的不足，本文提出了一種多優先級時隙分配算法[13,14]，多優先級時隙分配算法的設計原理為：將一個完整的時幀劃分為固定時隙和競爭時隙兩部分，各個節點按優先級進行劃分，優先級高的核心節點采用固定時隙分配策略,將一部分穩定的時隙分配給核心節點，以保障高優先級數據的傳輸，再將另一部分競爭時隙用于其它優先級較低的普通節點進行競爭數據傳輸。

根據不同的網絡情況，動態調整時隙分配的策略，對于競爭時隙通過判斷競爭算法中碰撞延時的大小來動態調整固定時隙和競爭時隙的個數，優化網絡的吞吐量和傳輸時延；在實際網絡中，占有固定時隙的核心節點只需要周期性的和網關進行通信，并不是每個時幀內都發送數據，在一定程度上會造成時隙浪費，因此對于固定時隙，需要通過節點的上報周期來調整固定時隙的個數，當核心節點在固定時隙不發送消息時，就釋放該時隙，提高時隙利用率，具體算法流程如圖2所示。

圖2 主要流程

節點在競爭時隙時采用CSMA/CA算法,因此在動態調整優先級大小時，可以通過CSMA/CA算法中發生數據碰撞時節點的退避時延來判斷網絡的擁塞程度，根據退避算法中節點的退避時間設置閾值，當隨機延時超過或者低于設置的閾值時，通過調整節點的優先級動態調整固定時隙與競爭時隙的個數，提升網絡的性能。

在LoRa同頻組網中要避免通信沖突一般采用時分復用的方式，要求在同一時間內子網中只有一個節點向網關上報數據，因此將系統中的各個節點根據功能的不同劃分優先級，高優先級為核心節點，低優先級為普通節點，按照優先級為每個節點分配對應的時間槽，進行入網和數據的上報，在整個系統中，數據來源主要來自于低優先級節點的上行數據，而網關的下行數據相對較少，因此在組網中用網關來控制網絡中時隙的分配和時鐘同步。在應用中將整個算法流程分為3部分：節點入網、數據傳輸和時鐘同步[15]。

(1)節點入網

節點(Node)在入網時優先級高的核心節點采用固定時隙進行入網，優先級低的普通節點采用競爭時隙的方式進行入網，普通節點在競爭入網之前，先偵聽信道是否空閑，如果信道空閑則立即發送入網請求，當偵聽到信道忙碌時，隨機延時一段時間后再次申請入網，具體可分為以下3種情況：

情況一：Node發送入網請求后，先接收到“噪聲數據幀”后收到“回應數據幀”。原因是:其它節點也在發送請求幀，解決方法：在整個等待期間忽略其它信息，只接收自己的應答數據幀。

情況二：Node在整個等待周期都沒有收到任何信息，原因是：網關丟失了請求幀，或者沖突毀壞通信鏈路，解決方法：采用隨機延時退避算法。

情況三：Node在整個等待周期接收到噪聲但沒有接收到回應數據幀，原因是：有其它節點發送請求幀并且破壞了網關回應的數據幀。解決方法：采用隨機延時退避算法。

將上述情況進行總結可得LoRa節點申請入網的算法邏輯如圖3所示。

圖3 入網流程

(2)數據傳輸

在數據傳輸過程中，除固定時隙外，其它通過競爭共享時隙來發送數據節點的主要工作是計算它下一次進行數據上報的時間，計算下一次上報時刻算法的流程如圖4所示。它基于兩個參數網絡參數和內部參數，系統輸入當前本地RTC(real-time clock)的數值，輸出下次上報時刻，其中網絡參數為網關下發的同步時間和數據的傳輸時間，內部參數為數據處理所耗費的時間。

圖4 數據傳輸算法流程

根據算法流程可以計算出節點下一次的上報時間f(t)

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

(1)

其中，內部參數有本地RTC(本地實時時鐘)slove_time(節點的信息處理時間)，網絡參數有slot_length(網關分配的時隙長度)，空中傳輸的時間(trans_time)，delay_time(發送與接收數據幀延時補償)；在計算過程中需要加上發送與接收數據幀的延時補償，以提高同步精度減少誤差。

(3)時鐘同步

多優先級時隙分配算法是基于時分復用的方式，所以需要進行時鐘同步，在進行時鐘同步時，結合數據幀與時隙的關系，通過特殊格式的數據幀對節點周期性的進行時鐘同步，優化單時隙算法的時鐘精度，具體流程為：網關發送包含本地RTC和時隙分配的數據幀，節點接收數據幀解析后校準自身時鐘，相比于常用的高精度時鐘或衛星授時降低了成本。

在時鐘同步過程中，網關需要3個步驟來完成發送包含有本地RTC和時隙分配的數據幀：取本網關的RTC值、分配時隙、生成數據幀并發送，這3個步驟不能被打斷，否則該RTC就不再實時，因此需要在執行之前開啟和關閉中斷以保證原子性。

當節點發現自己與網絡失步時，節點將根據入網流程重新申請入網，根據接收到的數據幀校準自身時鐘，進行時鐘同步。

2 仿真實驗

2.1 仿真參數設置

為了測試本文提出的多優先級時隙分配算法的合理性和優越性，在MATLAB2016a環境下對多優先級時隙分配算法進行了仿真驗證。本次仿真在理想信道下進行忽略信道中的誤碼率，各個節點的發包速率相等，每成功傳輸一幀或丟棄一幀立刻產生新的數據幀，保證節點一直都有數據等待發送。實驗中分別設定了 2-10個星型分布的節點，并與競爭時隙算法進行了對比分析。具體仿真參數見表1。

表1 仿真環境參數設置

2.2 仿真結果分析

在理想環境下通過MATLAB仿真，對不同網絡容量下兩種算法的吞吐率和傳輸時延進行對比，結果如圖5，圖6所示。

圖5 節點數目與吞吐率

圖6 節點數目與傳輸延時

由圖5，圖6可以得出，在其它環境相同下，隨著節點數目的增加，多優先級時隙分配算法的吞吐量比競爭時隙算法高，傳輸時延比競爭時隙算法低。在同一網絡下，多優先級時隙分配算法能夠根據當前的網絡狀況動態改變節點的優先級，平衡競爭時隙的節點數目和固定時隙的節點數目，相比與單純的競爭時隙算法在數據傳輸中的吞吐量更大，數據時延更小，網絡的穩定性更強。

3 硬件實驗

3.1 硬件參數設置

為了測試本算法的實際效果，設計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。各個節點和網關組成星型網絡，周期性的將傳感器采集的數據和本地時鐘上報至網關，并通過串口將傳輸的數據保存到文件中。

圖7 硬件框架

節點與網關之間傳輸數據幀的固定大小為12個字節，數據包含采集節點的上報信息和控制節點的指令信息，采用CRC16方式進行校驗，數據包格式如圖8所示。

圖8 數據包格式

表2 LoRa參數設置

3.2 測試結果分析

實際測試是通過實測多節點和網關的數據通信來確認網絡的上報時延和丟包率情況。具體測試環境為室外空地，測試距離為800 m，數據包個數為1000個，20次后取平均結果，測試方法為：通過串口窗口接收到的數據包個數和文件中節點與網關的時鐘差來分析網絡的傳輸時延和丟包率。在同一環境下實測的兩種算法在同一網絡中的節點數量和網絡的延時情況如圖9所示。由圖9可以看出隨著網絡中節點個數的增加，本文采用的多優先級時隙分配算法的傳輸時延比競爭時隙分配算法的傳輸時延低，該算法會根據當前網絡中各個節點的優先級大小調整固定時隙和競爭時隙的數目，通過降低節點爭搶時隙的概率降低網絡延時。

圖9 網絡延時

圖10為實測的系統在同一條件下分別采用競爭時隙分配算法和多優先級時隙分配算法在網絡中的丟包情況，從圖中可以看出隨著網絡節點的增加，競爭時隙分配算法的數據碰撞概率會增加，導致有些節點因競爭不到時隙產生丟包，而多優先級時隙分配算法將優先級高的核心節點數據用固定時隙進行傳輸，根據當前網絡的擁塞程度動態調整節點的優先級，周期性的釋放固定時隙資源，保證高優先級數據傳輸的穩定性，相比與競爭時隙分配算法降低了節點在傳輸中的丟包率，提升了整體傳輸的穩定性。

圖10 丟包率對比

4 對比分析

本文的應用場景是基于LoRa的小型自組織網絡，在自組網中網絡容量、數據丟包率，和網絡時延都是評估網絡性能的重要指標，通過對比競爭時隙算法的MATLAB仿真和實際測試，得出在相同環境下，本算法與常用的固定時隙分配算法和競爭時隙分配算法相比在數據傳輸時延和數據吞吐量方面效果更優，更適合LoRa組網的應用。

5 結束語

本文提出了一種基于LoRa同頻組網的多優先級時隙分配算法，首先每個節點進行開機入網，入網成功后網關根據各個節點的優先級分配固定時隙和競爭時隙，根據當前網絡狀況動態調整核心節點和普通節點的個數，周期性釋放空閑的固定時隙；各個節點通過讀取網關發送的帶有控制信息和時隙分配信息的數據幀，完成時隙的校準并同步本地時鐘。通過對提出算法的仿真和實測分析，驗證了該算法相比于同頻組網中常用的競爭時隙分配算法具有較高的傳輸效率和較好的網絡穩定性，優化了單時隙分配算法在網絡傳輸過程中的延遲和數據丟包。本算法設計簡單，實現方便，能夠提升多種組網通信中數據傳輸的效率和穩定性,在嵌入式物聯網領域有著良好的應用前景。