LoRaWAN介绍11 唤醒通信

“矛盾是一切运动和生命的根源。”--〔德〕黑格尔：《大逻辑》

 

在无线通信设计中有一个矛盾的地方：一方面，为了节能，要求节点尽可能长时间地休眠；另一方面，为了快速通信，要求服务器尽可能快地唤醒节点。

缓解该矛盾的办法是：约定唤醒、时钟同步和避免冲突。本文通过对LoRaWAN的Class B唤醒通信的分析，您将会看到设计一个物联网不得不在诸多因素中作出折中，即“两害相权取其轻”。

1 切换Class B

一个End Node从Class A（Class C不能）能切换到Class B，这取决于该Node的应用需要，切换过程如下：

(1) Node的应用请求LoRaWAN协议栈切换到Class B；

(2) 协议栈开始搜索网关发送的Beacon（信标帧），如果搜到Beacon，则返回BEACON_LOCKED原语，否则返回BEACON_NOT_FOUND原语；

(3) 如果希望加速发现Beacon，协议栈可以使用“BeaconTimingReq”的MAC命令，为保证网络高效运行，该命令1小时内仅能发送一次；

(4) Node根据自身电量和应用需求，选择唤醒通信的时隙间隔和通信速率；

(5) 如果Node成功切换到Class B模式，它每次UPLINK的帧中FCTRL=1；

(6) 一个移动的Node，必须定时告诉Server自己的方位，这往往通过发送一个UPLINK帧来完成，用于Server选择信号最强的Gateway唤醒通信；

(7) 如果一个节点在2小时内，没有接收到Beacon帧，那么它将失去与网络的同步，协议栈会通知应用层切换回Class A模式。

2  Beacon时间值

Class B中Beacon每隔128秒发送一次，End Node定期打开一个接收窗口，称之为“ping slot”，Server在该接收窗口发送的下行通信称之为“ping”。

如下图所示，Gateway每隔128秒发送Beacon，End Node每32秒打开一个“ping slot”，如果Server发送“ping”，End Node将回应数据帧。

 

为保证Beacon帧的正确发送，设置了BEACON_RESERVED时间值；

为防止一次ping和response通信，与Beacon的发送相冲突，设置了BEACON_GUARD时间值；

因此，留给Server和Node唤醒通信的时间值BEACON_WINDOW=

BEACON_PERIOD – BEACON_RESERVED –BEACON_GUARD；

这4个时间值如下：

BEACON_PERIOD    = 128s

BEACON_RESERVED = 2.120s

BEACON_GUARD    = 3.000s

BEACON_WINDOW   = 122.880s

 

 

3 时隙随机化

想象下，如果一个网络有1000个End Node，如果它们在同一时刻侦听ping，那会带来什么后果呢？

答案是：系统冲突，或者叫过度侦听，这会消耗End Nodes更多的电能。如，Server希望唤醒第1000号End Node进行通信，其他999个End Nodes也不得不侦听 “与自己无关的DOWNLINK帧”而消耗电能。

为解决这个问题，每个EndNode的唤醒时刻是随机化的。每个Beacon周期（128s），Node的pingOffset（第一个ping窗口）随机公式如下：

Key = 16 x 0x00

Rand = aes128_encrypt(Key, beaconTime |DevAddr | pad16)

pingOffset = (Rand[0] + Rand[1] x 256) % pingPeriod

前面提到BEACON_WINDOW=122.880s，它被分成2¹²=4096时隙，每个时隙30ms.

如上图所示，EndNode在一个Beacon周期开启4次ping slot，即pingPeriod=1024（时长=1024x30ms=30720ms），pingOffset每次都不一样（在3个Bacon周期中，它分别为：512、0和1023）。

以pingOffset=512，可以看到4次ping slot打开的时刻点，如下表所示。

slot	BeaconReserved + (pingOffset + N x pingPeriod) x 30ms	Ton
#1	2.120s + (512 + 0 x 1024) x 30ms	17.48s
#2	2.120s + (512 + 1 x 1024) x 30ms	48.20s
#3	2.120s + (512 + 2 x 1024) x 30ms	78.92s
#4	2.120s + (512 + 3 x 1024) x 30ms	109.64s

4  Beacon帧结构

Beacon帧分成2部分：common part和gateway specific part，每个地区该帧的结构不一样。Time是UTC（Coordinated Universal Time，宇宙统一时间），GwSpecific包括Gateway的GPS信息。

对于一个固定的End Node，它仅解析common part并同步时钟，即可；

对于一个移动的End Node，它需要解析所有帧内容，获取Gateway的GPS信息，通过发送UPLINK帧，将告诉Server用于选择最佳的Gateway。

5  Beacon失步

设备的时钟都有漂移，如+/-10ppm的晶振128秒内将漂移+/-1.3ms，Gateway由GPS秒同步校准，而End Node则靠Beacon帧中的时间值来校准。

实际运行中，End Node可能会因为某些原因（无线干扰、通信拥塞或节点移动至远距离等）而接收不到Beacon。在这种情况下，LoRaWAN允许该End Node继续运行120分钟（2小时），同时允许End Node延伸ping slot时间窗口长度，以便缓解时钟漂移带来的误差。

在此2小时内，只要接收到Beacon帧，该End Node可以继续运行120分钟；否则，它将切换到Class A。