物联网LoRa系列30：LoRaWANA类/C类终端的载波信道资源与时间资源上下行调度算法

前言：

本文将从频率、时间这两个资源的角度，来剖析LoRaWAN A类/C类终端的信道选择算法与代码实现示例。

不同的地区的频段，有不同的规范要求，算法有所差异，本文将以中国区的470M频段为例进行拆解，其他区域的频段以此类推。

不同的终端类型，算法也算法有所差异，本文将以ClassA与Class C为例，而Class B相对比较复杂，将单独讨论。

Table of Contents

前言：

第一章 频谱资源与载波信道

1.1 电磁频谱

1.2 LoRa WAN频段：

1.3 载波信道

1. 4 RegionCN470载波信道的划分与定义

1.5  RegionCN470信道号与频率的映射关系

第二章  RegionCN470上行发送的信道/频率资源调度算法

第三章 RegionCN470下行接收的信道/频率资源调度算法

3.1 接收窗口Rx1

3.2 接收窗口Rx2

第四章 RegionCN470上下发送的时间资源调度算法

4.1 非Join消息上行调度算法--占空比未使能

4.2 非Join消息上行调度算法--占空比使能

4.3 Join消息上行调度算法--自带占空比使能

第五章 RegionCN470下行接收的时间资源调度算法

5.1 Class A类型终端

5.2 Class C类型终端

5.3 时间资源调度算法代码示例

第一章 频谱资源与载波信道

1.1 电磁频谱

是指按电磁波波长（或频率）连续排列的整个电磁波族。

1.2 LoRa WAN频段：

频段：无线通信中使用的频段只是电磁波频段中很小的一部分，定义了无线电波的频率范围。

LoRaWAN代码目前支持的频段  
 *              - #define REGION_EU433
 *              - #define REGION_CN470
 *              - #define REGION_CN779
 *              - #define REGION_IN865
 *              - #define REGION_EU868
 *              - #define REGION_AU915
 *              - #define REGION_US915
 *              - #define REGION_US915_HYBRID
 *              - #define REGION_KR920
 *              - #define REGION_AS923

EU: 欧洲； CN: 中国；IN:印度；AU:澳大利亚；US: 美国；

1.3 载波信道

频段是一段频率范围，跨越的范围有几十兆，甚至上百兆。对于LoRa而言，一次数据传输通常只需要125K或250K或500K的频谱带宽。因此需要把整个频段的频谱进一步的平均切分。有点类似整个马路的车道：

每个切分的一小段称为载波带宽

在LTE里面，每个切分的一小段载波带宽，又称为子载波；

在LoRa里，没有子载波的概念，每个切分的一小段载波带宽，被称为一个独立的信道（channel）

LoRa的调制解调，就是对125K或250K或500K这么一小段的载波带宽进行的。

1. 4 RegionCN470载波信道的划分与定义

上行发送信道：96个信道，信道带宽：200K， 总带宽=96*0.2K = 19.2M

下行接收信道：48个信道，信道带宽：200K,   总带宽=48*0.2K = 9.6M

接收窗口Rx1和RX2的信道都来下行接收信道。

至于Rx1和Rx2窗口选择哪个具体的信道，由下行信道的算法所决定。

代码实现参考：

/*!
* Defines the first channel for RX window 1 for CN470 band
*/
#define CN470_FIRST_RX1_CHANNEL ( (uint32_t) 500300000 )
/*!
* Defines the last channel for RX window 1 for CN470 band
*/
#define CN470_LAST_RX1_CHANNEL ( (uint32_t) 509700000 )
/*!
* Defines the step width of the channels for RX window 1
*/
#define CN470_STEPWIDTH_RX1_CHANNEL ( (uint32_t) 200000 )
/*!
* Second reception window channel frequency definition.
*/
#define CN470_RX_WND_2_FREQ ( (uint32_t)505300000 )
/*!
* LoRaMac maximum number of channels
*/
#define CN470_MAX_NB_CHANNELS 96
/*!
* LoRaMAC channel definition
*/
typedef struct sChannelParams
{
/*!
* Frequency in Hz
*/
uint32_t Frequency;
/*!
* Alternative frequency for RX window 1
*/
uint32_t Rx1Frequency;
/*!
* Data rate definition
*/
DrRange_t DrRange;
/*!
* Band index
*/
uint8_t Band;
}ChannelParams_t;
/*!
* LoRaMAC receive window 2 channel parameters
*/
typedef struct sRx2ChannelParams
{
/*!
* Frequency in Hz
*/
uint32_t Frequency;
/*!
* Data rate
*
* LoRaWAN Regional Parameters V1.0.2rB
*
* The allowed ranges are region specific. Please refer to \ref DR_0 to \ref DR_15 for details.
*/
uint8_t Datarate;
}Rx2ChannelParams_t;
// Global attributes
/*!
* LoRaMAC channels
*/
static ChannelParams_t Channels[CN470_MAX_NB_CHANNELS];
/*!
* LoRaMac bands
*/
static Band_t Bands[CN470_MAX_NB_BANDS] =
{
CN470_BAND0
};
/*!
* LoRaMac channels mask
*/
static uint16_t ChannelsMask[CHANNELS_MASK_SIZE]; //通过mask，可以中96个信道中选择部分信道
/*!
* LoRaMac channels default mask
*/
static uint16_t ChannelsDefaultMask[CHANNELS_MASK_SIZE];
//上行信道号与上行发送频率之间的映射关系：按顺序一一映射
void RegionCN470InitDefaults( InitType_t type )
{
//.........................................
// 125 kHz channels
for( i = 0; i {
Channels[i].Frequency = 470300000 + i * 200000;
Channels[i].DrRange.Value = ( DR_5 <<4 ) | DR_0;
Channels[i].Band = 0;
}

// Initialize the channels default mask
// 使用所有的96个信道
ChannelsDefaultMask[0] = 0xFFFF;
ChannelsDefaultMask[1] = 0xFFFF;
ChannelsDefaultMask[2] = 0xFFFF;
ChannelsDefaultMask[3] = 0xFFFF;
ChannelsDefaultMask[4] = 0xFFFF;
ChannelsDefaultMask[5] = 0xFFFF;
}
//下行信道号与下行发送频率之间的映射关系：按顺序一一映射
//这里采用的是动态计算还是一次性初始化
bool RegionCN470RxConfig( RxConfigParams_t* rxConfig, int8_t* datarate )
{
if( rxConfig->RxSlot == RX_SLOT_WIN_1 )
{
// Apply window 1 frequency
frequency = CN470_FIRST_RX1_CHANNEL + ( rxConfig->Channel % 48 ) * CN470_STEPWIDTH_RX1_CHANNEL;
}
}


1.5  RegionCN470信道号与频率的映射关系

对上述代码需要进一步解读的是：信道号与频率的映射关系

（1）发送信道号与频率的映射关系：是在程序初始时，进行映射的。

（2）接收信道号与频率的映射关系：

接收窗口Rx1：是在每次RxConfg的时候，进行映射的。

bool RegionCN470RxConfig( RxConfigParams_t* rxConfig, int8_t* datarate )
{
}

接收窗口Rx2：是动态参数配置

static void OnRxWindow2TimerEvent( void )
{

    RxWindow2Config.Channel = Channel;
    RxWindow2Config.Frequency = LoRaMacParams.Rx2Channel.Frequency;  //读取参数设置。

   RegionRxConfig( LoRaMacRegion, &RxWindow2Config, ....)

}

第二章  RegionCN470上行发送的信道/频率资源调度算法

每一次数据发送，LoWAN MAC都会从96个最大信道数，随机的选择一个可用的信道，而不是采用固定信道：

代码示例：

LoRaMacStatus_t RegionCN470NextChannel(...)
{
// We found a valid channel
*channel = enabledChannels[randr( 0, nbEnabledChannels - 1 )];
}

nbEnabledChannels：是支持的最大时机channel数目

randr( 0, nbEnabledChannels - 1)：在0和nbEnabledChannels - 1产生一个随机数，通过该随机数的下标，从enabledChannels【】数组中获取实际的信道号 。

第三章 RegionCN470下行接收的信道/频率资源调度算法

RegionCN470 FDD模式，上下行的频率是分开的。

3.1 接收窗口Rx1

由于上行发送最大支持96个信道，下行接收只支持48个信道，因此无法采用1对1的映射。

RegionCN470采用的是多对1的映射关系：接收信号号=发送信道号%48.

当LoRa的网关接收到终端的数据，并获取该数据对应的信道后，通过上述同样的映射关系，选择下行的发送信道。

确保终端的接收与网关的发送是在相同的信道上。

bool RegionCN470RxConfig( RxConfigParams_t* rxConfig, int8_t* datarate )
{
//...................................
if( rxConfig->RxSlot == RX_SLOT_WIN_1 )
{
// Apply window 1 frequency
rx_channel = rxConfig->Channel % 48;
frequency = CN470_FIRST_RX1_CHANNEL + rx_channel * CN470_STEPWIDTH_RX1_CHANNEL;
}
}

注意：

多对一的映射关系不会引发错乱，只有一对多的关系，才会导致错乱，才会导致终端接收与网关发送的信道不一致。

3.2 接收窗口Rx2

终端的接收窗口Rx2的接收信道与发送信道号无关。采用两种机制

• 终端与网关预先约定好


• 网关通过接收窗口Rx1的信道，下发配置命令，通知终端接收窗口Rx2信道号，实际上是接收频率。

代码示例：

static void OnRxWindow2TimerEvent( void )
{
RxWindow2Config.Frequency = LoRaMacParams.Rx2Channel.Frequency;
}


上述参数LoRaMacParams.Rx2Channel.Frequency是实现线下预约好的，作为默认值，也可以通过下发配置命令修改该默认值。

至此：探讨了LoRa终端在接收和发送数据时，发送和接收信道的选择，即发送和接收数据时，载波频率的选择。

但每个LoRa终端，并非在任何时间，都可以占用信道发送数据，这里受限于发送占空比（消息类型、占空比 duty cycle的设定）

也并非在任何时候，都可以通过信道接收数据，这里这里所限于终端的工作模式（种类类型、接收窗口）

第四章 RegionCN470上下发送的时间资源调度算法

4.1 非Join消息上行调度算法--占空比未使能

在这种情况下，不受空口占用信道占空比的限制，可以在任意时刻发送数据。

发送数据的周期只收到如下参数的影响：

#define CN470_DUTY_CYCLE_ENABLED 0
/*!
* Defines the application data transmission duty cycle. 5s, value in [ms].
*/
#define APP_TX_DUTYCYCLE 5000
/*!
* Defines a random delay for application data transmission duty cycle. 1s,
* value in [ms].
*/
#define APP_TX_DUTYCYCLE_RND 1000
// Schedule next packet transmission
TxDutyCycleTime = APP_TX_DUTYCYCLE + randr( 0, APP_TX_DUTYCYCLE_RND );


TxDutyCycleTime定义了下次发送数据的时间，叠加了周期性与随机性双重特征。

4.2 非Join消息上行调度算法--占空比使能

当应用层有数据发送时，LoRaWAN的发送调度器必须确保：发送数据占用空口信道的时间满足占空比的要求。

在上图中，在T0和T2之间的任何时间是不允许发送数据的，比如T1，因为这段时间，不满足发送占空比的要求。

只有当前时间大于T2, 比如T3， 才能允许发送下一个数据。

这里的关键是如何求发送间隔周期？

发送间隔周期T =  数据帧在空口发送时间 /占空比。

举例：

空口发送时间1.2s， 占空比100%（或者变成1）， 最短发送周期=1.2s

空口发送时间1.2s， 占空比1%（或者表达成100）， 最短发送周期=1.2s * 100 =》120s =》2分钟。

空口发送时间1.2s， 占空比0.1%（或者表达成1000）， 最短发送周期=1.2s * 1000 =》1200s =》20分钟。

代码示例：

#define CN470_DUTY_CYCLE_ENABLED 1
/*!
* Band 0 definition
* { DutyCycle, TxMaxPower, LastJoinTxDoneTime, LastTxDoneTime, TimeOff }
*/
#define CN470_BAND0 { 1, CN470_MAX_TX_POWER, 0, 0, 0 } // 占空比：1/1 = 100.0 %
void RegionCommonCalcBackOff( RegionCommonCalcBackOffParams_t* calcBackOffParams )
{
if( calcBackOffParams->DutyCycleEnabled == true ) //发送占空比使能
{
//计算还剩多少时间，允许下次发送数据
calcBackOffParams->Bands[bandIdx].TimeOff = calcBackOffParams->TxTimeOnAir * dutyCycle - calcBackOffParams->TxTimeOnAir;
}
else //发送占空比没有使能
{
//立即发送数据，无时间延时：TimeOff = 0
calcBackOffParams->Bands[bandIdx].TimeOff = 0;
}
}

4.3 Join消息上行调度算法--自带占空比使能

（1）Join消息的可变占空比

为了防止join request失败或无响应后，终端无休止的发送Jion request。

针对request成功之前的Join消息请求，LoRaWAN MAC设计了强制性的占空比使能机制。

且随着时间的推移，占空比的比值不是固定的，需要分等级性的变化，时间越长，占空比的比值越小。

定义可变占空比的代码案例：


#define BACKOFF_DC_1_HOUR 100 //占空比=1%
#define BACKOFF_DC_10_HOURS 1000 //占空比=0.1%
#define BACKOFF_DC_24_HOURS 10000 //占空比=0.01%
uint16_t RegionCommonGetJoinDc( TimerTime_t elapsedTime )
{
uint16_t dutyCycle = 0;
if( elapsedTime <3600000 )
{
dutyCycle = BACKOFF_DC_1_HOUR;
}
else if( elapsedTime <( 3600000 + 36000000 ) )
{
dutyCycle = BACKOFF_DC_10_HOURS;
}
else
{
dutyCycle = BACKOFF_DC_24_HOURS;
}
return dutyCycle;
}


（2）通过占空比和join消息空口的发送时间求下次发送的剩余时间time_off

void RegionCommonCalcBackOff( RegionCommonCalcBackOffParams_t* calcBackOffParams )
{
if( calcBackOffParams->Joined == false )
{
// Get the join duty cycle： 100, 1000， 10000
joinDutyCycle = RegionCommonGetJoinDc( calcBackOffParams->ElapsedTime );
// Apply band time-off.
calcBackOffParams->Bands[bandIdx].TimeOff = calcBackOffParams->TxTimeOnAir * （dutyCycle - 1）;
}
}


因此，如果Join request消息的空口发送时间是1.5s，

则Join request失败或超时重新请求的最小周期为：1.5s * 100 = 1500s => 2.5分钟。

第五章 RegionCN470下行接收的时间资源调度算法

5.1 Class A类型终端

（1）Join accept之前

（2）Join accept之后：

5.2 Class C类型终端

（1）Join accept之前

（2）Join accept之后：

5.3 时间资源调度算法代码示例

static void OnRadioTxDone( void )
{
GetPhyParams_t getPhy;
PhyParam_t phyParam;
SetBandTxDoneParams_t txDone;
TimerTime_t curTime = TimerGetCurrentTime( );
if( LoRaMacDeviceClass != CLASS_C )
{
Radio.Sleep( ); //Class A终端，发送完成后，直接进入休眠状态
}
else
{
OpenContinuousRx2Window( ); //Class A终端，发送完成后, 带宽Rx2接收窗口
}

// Setup timers
if( IsRxWindowsEnabled == true )
{
TimerSetValue( &RxWindowTimer1, RxWindow1Delay ); //1s或5s之后打开Rx1窗口
TimerStart( &RxWindowTimer1 );

if( LoRaMacDeviceClass != CLASS_C )
{
TimerSetValue( &RxWindowTimer2, RxWindow2Delay ); //2s或6s之后打开Rx2窗口
TimerStart( &RxWindowTimer2 );
}

if( ( LoRaMacDeviceClass == CLASS_C ) || ( NodeAckRequested == true ) )
{
getPhy.Attribute = PHY_ACK_TIMEOUT;
phyParam = RegionGetPhyParam( LoRaMacRegion, &getPhy );
TimerSetValue( &AckTimeoutTimer, RxWindow2Delay + phyParam.Value );
TimerStart( &AckTimeoutTimer ); //对于需要应答的消息，额外等待2s
}
}
//...................
}