物联网LoRa系列-30：LoRaWAN A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 channelsfor( i = 0; i < CN470_MAX_NB_CHANNELS; 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 frequencyfrequency = 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 frequencyrx_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 = 0calcBackOffParams->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， 10000joinDutyCycle = 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。