一种基于LORA的无线高动态实时数据时分通信网络和终端的制作方法

本发明涉及通信，尤其是涉及一种基于lora的无线高动态实时数据时分通信网络和终端。

背景技术：

1、通常有中继存在的lora局域网，包括一个服务器端即主机、一定数量的终端即通信节点或从机、中继，从机分布于主机所覆盖的通信距离内或为中继的通信距离内，从机设备通常在相对固定的位置，不会经常进行移动，中继所覆盖的从机会建立与中继的固定网络拓扑，中继挂载从机设备的增减需要进行握手确认，中继所覆盖的从机必须要通过中继进行转发，才能与主机进行通信。

2、从机设备上线后，首先需要进行入网申请，当中继和新入网的从机通过握手通信建立连接后，该系统就建立了相对固定的网络拓扑，即树形拓扑。

3、从机作为中继的下属节点，与主机的通信必须通过中继进行转发，中继对于自身的子节点会定期进行维护，即便从机同时处于中继和主机的通信范围，也无法和主机进行直接通信。

4、当从机因为某种原因脱离了中继的通信范围，会进入失联状态，即便此时从机在其他中继或者主机的通信范围内也无法和主机及时连接，直到从机进行脱网再入网的操作，重新建立网络拓扑，通信系统才能恢复正常。

5、当网络拓扑频繁变化，入网退网请求增加，通信系统被握手通信频繁占用，将严重影响系统的正常通信。

6、而当从机位置移动时，通信距离实时变化，主机和中继覆盖的终端（网络拓扑）都在随着位置变化，网络需要克服非视距和移动过程中的障碍物遮挡所造成的频繁的通信中断，以满足实时性通信需求。

7、在现有的lora通信协议和在低速动态实时的应用场景下，通信质量会出现下列影响：通信效率低，随机等待的冲突对策难以解决通信拥堵问题，网络阻塞程度较高时，通信延迟会大幅增长；在实时性通信要求较高时，在部分从机可能只有较短时间的通信窗口的情况下，从机难以在这个时间窗口内完成和中继的入网或脱网过程，导致中继无法及时维护自身的节点列表的准确性，影响通信质量，甚至发生永久性通信丢失；传统的固定中继通信方法中，主机不能与中继的子节点进行直接通信，在可移动网络中，节点可能处于中继的通信覆盖范围边缘的情况，这会导致节点需要频繁进行入网确认或退网通信，增大网络负担。

8、因此，如何设置主机与从机或中继的高效通信模式，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一基于lora的无线高动态实时数据时分通信网络和终端，构建通信组合帧，以通信组合帧中的信息确认帧（ack）作为心跳帧，在信息确认帧中携带各从机在网络中的唯一编号及回复顺序，各从机在收到主机或中继发送的广播帧后，比对自身的编号以及回复顺序，在获得回复顺序后，各从机延迟相应时间，在正确的时隙发送ack回报帧，回报帧中携带了从机的编号信息以及状态信息，主机在收到所有回报信息后，对数据进行汇总分析，并以此为依据，决定下一步的通信策略，按需动态分配时隙，中继节点动态介入和退出中心主机和节点从机间的上下行通信传输，零等待、无入网交互过程，提高网络传输可靠性。

2、第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

3、一种基于lora的无线高动态实时数据时分通信网络，包括主机、中继和至少一个从机，主机用于构建通信网络中用于时分通信的通信组合帧，确定各通信组合帧通信时序，主机是所有通信任务的发起者，主机将时间切片，在一个时间片中进行一个通信组合帧的通信，在每个通信组合帧的起始，主机根据任务信息，计算本通信帧的通信参数，参数包括内容、时间、对象、从机编号和从机回复顺序；在通信组合帧的第一时隙中，主机发送帧信息给通信网络中的所有从机和中继，在后续不同时隙中，主机接收与帧信息有关的从机发送的回报帧信息，回报帧信息是从机按照回复顺序，在对应时隙中发送的回报帧；或主机接收中继在对应时隙中转发的回报帧信息，中继转发的回报帧信息是：在中继通信范围内、与帧信息有关的从机，在对应时隙中发送的回报帧信息，若中继转发的回报帧信息与主机接收的回报帧信息来自同一从机， 主机以自身接收到的回报帧与从机进行通信，主机根据回报帧内容决定下一步的通信策略。

4、本发明进一步设置为：通信组合帧包括信息确认帧、广播命令帧、命令帧、下行数据帧、上行数据帧；主机抽取当前在线的部分从机进行编号，以广播的形式，发送通信组合帖给抽取的部分从机和中继；信息确认帧是主机的心跳帧，用于主机收集信息，抽取当前在线的部分从机进行编号并广播；广播命令帧用于主机向所有从机进行广播信息；命令帧用于主机向某些指定从机发送某项预设命令；下行数据帧用于主机向某一指定从机进行数据传输；上行数据帧用于从机向主机进行长数据传输。

5、本发明进一步设置为：信息确认帧的通信时序，包括6时隙：时隙1用于主机发送信息确认帧给处于主机通信范围内的抽取从机和中继，时隙2用于中继转发信息确认帧给处于中继通信范围内的所有从机，时隙3用于处于主机通信范围内的抽取部分从机，按照回复顺序发送信息确认回报帧给主机，时隙4用于处于中继通信范围内的所有从机，按照回复顺序发送信息确认回报帧给中继，时隙5用于同时处于主机和中继通信范围内的所有从机，按照回复顺序发送信息确认回报帧给主机和中继，时隙6用于中继转发所有信息确认回报帧给主机。

6、本发明进一步设置为：命令帧中包括帧长度、命令对象、命令编号，根据目标从机的所属通信范围不同，命令帧的通信时序不同，若目标从机只属于中继的通信范围内，则命令帧的通信时序包括4时隙：时隙1用于主机对其通信范围内的所有从机和中继发送命令帧，处于其通信范围内的所有从机与中继都接收到该命令帧，时隙2用于中继进行至少一次的转发给其通信范围内的所有从机，时隙3用于处于中继通信范围的目标从机，发送命令回报帧给中继，时隙4用于中继转发命令回报帧给主机。

7、本发明进一步设置为：若目标从机同时属于主机与中继的通信范围内，则命令帧的通信时序包括3时隙：时隙1用于主机对其通信范围内的所有从机和中继从机发送命令帧，处于其通信范围内的所有从机与中继都接收到该命令帧，时隙2用于中继进行至少一次的转发，时隙3用于同时属于主机与中继的通信范围内的目标从机，发送命令回报帧给主机与中继。

8、本发明进一步设置为：下行数据帧是主机需要向目标从机进行数据传输时用到的帧，包括下行数据前导帧和数据帧，数据帧包括6时隙，通信时序包括：时隙1用于主机广播下行数据前导帧给其通信范围内的所有从机及中继，时隙2用于中继转发下行数据前导帧给其通信范围内的所有从机，此时，目标从机视中继的转发为无效帧，时隙3用于目标从机发送下行前导回报帖给主机和中继，时隙4用于中继转发下行前导回报帧给主机，时隙5用于主机发送数据帧给中继与目标从机，时隙6用于目标从机发送数据接收确认帧给主机与中继。

9、本发明进一步设置为：对同时处于主机与中继通信范围的目标从机，上行数据帧包括4时隙，通信时序包括：时隙1用于主机广播上行数据前导帧给其通信范围内的所有从机及中继，时隙2用于中继转发上行数据前导帧给其通信范围内的所有从机，时隙3用于目标从机发送上行数据给处于监听状态的中继和主机，时隙4用于主机发送数据接收确认帧给处于监听状态的中继和目标从机。

10、本发明进一步设置为：对处于中继通信范围的目标从机，上行数据帧包括7时隙，时隙1用于主机广播上行数据前导帧给其通信范围内的所有从机及中继，时隙2用于中继转发上行数据前导帧给其通信范围内的所有从机，时隙3用于目标从机发送数据帧给处于监听状态的中继，时隙4用于主机发送接收失败帧给中继，用于中继的缓存调用，时隙5用于中继转发数据帧给主机，时隙6用于主机在收到中继转发数据帧后，发送上行数据接收确认帧给处于监听状态的中继，时隙7用于中继转发主机的上行数据接收确认帧给处于监听状态的主机和目标从机。

11、第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

12、一种基于lora的无线高动态实时数据时分通信网络，通信网络包括主机、中继和至少一个从机，从机接收主机发送或/和中继转发的通信组合帧，对于与自身相关的通信组合帧，按照回复顺序，在相应时间发送回报帧给主机或/和中继，若从机同时处于主机与中继的通信范围，则同时发送回报帧给主机与中继，若从机只处于主机的通信范围，则发送回报帧给主机，若从机只处于中继的通信范围，则发送回报帧给中继，用于中继转发给主机。

13、第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

14、一种基于lora的无线高动态实时数据时分通信网络，通信网络包括主机、中继和至少一个从机，中继接收主机发送的通信组合帧，将通信组合帧转发给中继通信范围内的所有从机，接收与通信组合帧相关的从机，在通信组合帧确定的从机回复时隙发送的回报帧，并将回报帧在中继回复时隙转发给主机。

15、与现有技术相比，本技术的有益技术效果为：

16、1.本技术通过主机控制整个网络以时分方式通信，按需动态分配时隙，有效控制了网络延时的稳定性，避免无序的网络收发冲突；

17、2.进一步地，本技术通过设置通信组合帧，在各组合帧中确定时隙，通信网络中的各设备按照时隙进行通信，提高了通信的稳定性；

18、3.进一步地，本技术通过通信组合帧，动态按需无缝切换从机与主机直接通信、从机通过中继与主机间接通信，有效避免了固定中继带来的传输效率损失；

19、4.进一步地，本技术通过中继先收集心跳帧内携带的信息，在心跳帧的末尾进行上报，方便主机进行信息统计；

20、5.进一步地，本技术中继无需判断主机与从机的通信内容，只需要在组合帧的合适时隙对收到的数据帧进行组包转发，保证通信的完整性即可，从机无需与中继进行入网确认或退网通信，降低了网络负担，提高了通信效率。