一種LoRa網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法及系統(tǒng)

本發(fā)明屬于lpwan物聯(lián)網(wǎng)，具體涉及一種lora網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、lora(long?range)是由semtech公司提出的一種采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的通信方式，在眾多低功耗廣域網(wǎng)(low?power?wide?area?network,lpwan)技術(shù)中，lora技術(shù)具有功耗低、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)和網(wǎng)絡(luò)容量高等獨(dú)特優(yōu)勢。lorawan是使用lora技術(shù)構(gòu)建的lpwan，可廣泛應(yīng)用于各種需要遠(yuǎn)距離通信的物聯(lián)網(wǎng)場景。由于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署在人工維護(hù)困難的環(huán)境中且多采用電池供電，因此物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備通常需要在低功耗狀態(tài)下長時間運(yùn)行，盡可能延長電池壽命。

2、lora技術(shù)的物理層采用特殊的調(diào)制技術(shù)和編碼方式，使得使用lora通信的設(shè)備可以根據(jù)場景部署選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸速率。lora通信設(shè)備數(shù)據(jù)速率的選取只需要設(shè)置擴(kuò)頻因子和帶寬，不同擴(kuò)頻因子的無線信號相互正交互不干擾。lora網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)可同時解調(diào)多個不同擴(kuò)頻因子和帶寬的lora信號。

3、目前，針對lora網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法，研究主要集中在終端鏈路級優(yōu)化和低功耗問題，即在保證終端與網(wǎng)關(guān)通信質(zhì)量的同時盡可能降低終端功耗。然而，在大量lora終端的場景中，需考慮網(wǎng)絡(luò)性能，現(xiàn)有方法難以滿足應(yīng)用需求。此外，lora終端依據(jù)aloha協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包時，使用相同擴(kuò)頻因子和帶寬傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可能發(fā)生碰撞，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能并增加終端功耗。因此，提出了一種結(jié)合鏈路級和網(wǎng)絡(luò)級優(yōu)化的自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法。該方法不僅通過優(yōu)化發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率來減少功耗，還通過自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中終端的數(shù)據(jù)速率，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能并進(jìn)一步降低終端功耗。這種方法尤其適用于大量終端且功耗受限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

4、在現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)明專利申請《一種lpwan物聯(lián)網(wǎng)基于網(wǎng)絡(luò)狀況的自適應(yīng)速率調(diào)整方法》(申請?zhí)?01711395954.7)提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整速率的方法。該方法通過接收的上行幀，利用信噪比、信號強(qiáng)度值以及幀序列號的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合擴(kuò)頻因子信道負(fù)荷，計(jì)算終端期望的數(shù)據(jù)速率并進(jìn)行調(diào)整。然而，該方法主要側(cè)重于終端與網(wǎng)關(guān)之間通信鏈路的優(yōu)化，缺乏對復(fù)雜應(yīng)用場景的適應(yīng)性。例如，在具有大量終端的密集網(wǎng)絡(luò)中，單純依賴鏈路級優(yōu)化可能無法有效應(yīng)對由于終端密度增加而引發(fā)的數(shù)據(jù)包碰撞和網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。此外，該方法未充分考慮終端功耗與網(wǎng)絡(luò)整體性能之間的平衡，從而在某些應(yīng)用場景中可能難以滿足功耗受限的約束。因此，現(xiàn)有方法在實(shí)際部署中存在一定局限性，無法滿足多樣化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景需求。

5、發(fā)明專利申請《一種浮動lora網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)傳輸控制方法及系統(tǒng)》(申請?zhí)?02111248808.8)提出了一種動態(tài)控制lora網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆椒?。該方法通過計(jì)算最小信噪比來確定不同頻段的傳輸功率和數(shù)據(jù)速率，并結(jié)合不同拓頻因子和極化角對應(yīng)數(shù)據(jù)包交付率和數(shù)據(jù)速率優(yōu)化吞吐量。然而，該方法主要依賴特定的信噪比和區(qū)域參數(shù)，未能從全局角度綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。此外，該方案未對終端發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化，在終端功耗受限的應(yīng)用場景中，可能存在局限性。

6、發(fā)明專利申請《一種基于lorawan網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率自適應(yīng)方法》(申請?zhí)?02110382337.3)提出了一種基于lorawan網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整方法。該方法利用lora技術(shù)的多擴(kuò)頻因子(sf)和多數(shù)據(jù)速率特點(diǎn)，根據(jù)接收端當(dāng)前的信道狀況和信噪比(snr)動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，從而減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率，提高系統(tǒng)傳輸性能。然而，該方法在優(yōu)化終端通信鏈路時，僅依據(jù)信噪比調(diào)整數(shù)據(jù)速率，未能充分考慮通信鏈路的可靠性和穩(wěn)定性。此外，該方案忽略了lora網(wǎng)絡(luò)中大量終端同時存在時，數(shù)據(jù)包碰撞對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，因此在具有大量終端的場景中存在局限性。

7、發(fā)明專利申請《一種基于信道狀態(tài)識別的lorawan網(wǎng)絡(luò)速率自適應(yīng)調(diào)整方法》提出了一種基于信道狀態(tài)識別的速率自適應(yīng)調(diào)整方法。該方法通過建立路徑表征丟包概率的估算模型和數(shù)據(jù)沖突丟包概率模型，結(jié)合信道狀態(tài)的分類與識別，對網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備進(jìn)行速率調(diào)整，旨在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托?。盡管該方法能夠有效減少丟包率和數(shù)據(jù)沖突，并能提升數(shù)據(jù)包的吞吐量和傳輸性能，但在實(shí)際應(yīng)用中建立精確的丟包概率和數(shù)據(jù)沖突概率模型可能需要大量的測量數(shù)據(jù)和計(jì)算資源。此外，信道狀態(tài)的分類和實(shí)時速率調(diào)整的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，對硬件和軟件的要求較為嚴(yán)格，可能限制其在資源受限設(shè)備中的應(yīng)用。

8、綜上，自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法對于lora網(wǎng)絡(luò)具有降低終端功耗和提升網(wǎng)絡(luò)性能的必要性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種lora網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法及系統(tǒng)，能夠保證終端與網(wǎng)關(guān)可靠通信，并降低終端平均功耗，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種lora網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制方法，包括以下步驟：

4、持續(xù)接收lora網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并統(tǒng)計(jì)接收到數(shù)據(jù)包的鏈路信息；

5、獲取固定時間窗口內(nèi)lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路信息，并根據(jù)鏈路信息評估lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路狀態(tài)；

6、根據(jù)鏈路狀態(tài)，獲得通信可達(dá)前提下lora網(wǎng)絡(luò)終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表；

7、獲取lora網(wǎng)絡(luò)中通信可達(dá)前提下所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，從可選列表中選擇發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值計(jì)算初始化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)；

8、基于初始化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，在終端功耗受限的條件下利用終端的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值以及所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，獲得網(wǎng)絡(luò)中每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率，并評估lora網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能。

9、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，持續(xù)接收lora網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并統(tǒng)計(jì)接收到數(shù)據(jù)包的鏈路信息的具體方法如下：

10、lora網(wǎng)絡(luò)終端按照預(yù)設(shè)的發(fā)射功率及數(shù)據(jù)速率發(fā)送數(shù)據(jù)包；

11、根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包中的終端id統(tǒng)計(jì)每個終端的鏈路信息。

12、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，接收到的數(shù)據(jù)包信息，包括信噪比、信號強(qiáng)度和數(shù)據(jù)信息；

13、每個終端的鏈路信息包括數(shù)據(jù)包的信噪比snr和信號強(qiáng)度rssi。

14、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，獲取固定時間窗口內(nèi)lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路信息，并根據(jù)鏈路信息評估lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路狀態(tài)的具體方法如下：

15、固定時間窗口內(nèi)持續(xù)獲取數(shù)據(jù)包的鏈路信息，計(jì)算該終端發(fā)送數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)鏈路信息；

16、使用組合賦權(quán)法評估該終端的鏈路狀態(tài)。

17、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，使用組合賦權(quán)法評估該終端的鏈路狀態(tài)的具體方法如下：

18、對統(tǒng)計(jì)鏈路信息進(jìn)行歸一化處理，使用模糊層次分析法計(jì)算統(tǒng)計(jì)鏈路信息的主觀權(quán)重；

19、使用critic法計(jì)算統(tǒng)計(jì)鏈路信息的客觀權(quán)重，利用vikor法優(yōu)化客觀權(quán)重；

20、利用乘法綜合法將主觀權(quán)重與優(yōu)化后的客觀權(quán)重結(jié)合得到組合權(quán)重，利用組合權(quán)重與歸一化后的對應(yīng)統(tǒng)計(jì)鏈路信息，得到終端鏈路狀態(tài)的評分。

21、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，根據(jù)鏈路狀態(tài)，計(jì)算通信可達(dá)前提下lora網(wǎng)絡(luò)終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表的具體方法如下：

22、根據(jù)lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路狀態(tài)，計(jì)算lora網(wǎng)絡(luò)終端的信噪比裕度和鏈路預(yù)算裕度；

23、根據(jù)lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路信息，結(jié)合信噪比裕度和鏈路預(yù)算裕度，得到信噪比裕量和理論鏈路預(yù)算；

24、根據(jù)信噪比裕量和理論鏈路預(yù)算，計(jì)算通信可達(dá)前提下lora網(wǎng)絡(luò)終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表。

25、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，根據(jù)信噪比裕量和理論鏈路預(yù)算，計(jì)算通信可達(dá)前提下lora網(wǎng)絡(luò)終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表的具體方法如下：

26、根據(jù)信噪比裕量，確定鏈路資源的充裕程度，當(dāng)鏈路資源有冗余時，降低擴(kuò)頻因子以提高數(shù)據(jù)速率或降低發(fā)射功率以減少功耗；當(dāng)鏈路資源不足時，增大發(fā)射功率以提高接收信號質(zhì)量或增大擴(kuò)頻因子以降低數(shù)據(jù)速率；

27、當(dāng)理論鏈路高于預(yù)設(shè)值時，增大帶寬以提高數(shù)據(jù)速率；當(dāng)理論鏈路低于預(yù)設(shè)值時，減小帶寬以降低數(shù)據(jù)速率；

28、基于信噪比裕量snrmargin和理論鏈路預(yù)算lm的數(shù)值，得到終端通信可達(dá)前提下可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表。

29、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，基于初始化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，在終端功耗受限的條件下利用終端的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值以及所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，獲得網(wǎng)絡(luò)中每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率，并評估lora網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能的具體方法如下：

30、基于發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率，在終端功耗受限的條件下建立網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化模型并確定目標(biāo)函數(shù)；

31、基于根據(jù)發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值，結(jié)合lora網(wǎng)絡(luò)終端的功耗限制，獲得每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率；

32、基于每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，評估lora網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能。

33、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，基于所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，在終端功耗受限的條件下建立網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化模型并確定目標(biāo)函數(shù)的具體方法如下：

34、對初始化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量γ、終端平均功耗eavg和終端平均時延tavg進(jìn)行歸一化處理，使用fahp法計(jì)算統(tǒng)計(jì)鏈路信息的主觀權(quán)重；

35、使用改進(jìn)critic法計(jì)算客觀權(quán)重，利用vikor法優(yōu)化客觀權(quán)重；

36、利用乘法綜合法將主觀權(quán)重與優(yōu)化后的客觀權(quán)重結(jié)合得到組合權(quán)重，利用組合權(quán)重與歸一化后的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，得到網(wǎng)絡(luò)性能評分s，該性能評分的計(jì)算過程即為優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)；

37、基于根據(jù)發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值，結(jié)合lora網(wǎng)絡(luò)終端的功耗限制，獲得每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率的具體方法如下：

38、將lora網(wǎng)絡(luò)中所有終端的發(fā)射功率初始值和數(shù)據(jù)速率初始值作為優(yōu)化問題的初始解，采用斑馬優(yōu)化算法求解優(yōu)化問題，算法從初始解出發(fā)，在lora網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)搜索所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，在終端功耗受限的條件下得到使lora網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率；

39、基于每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，評估lora網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能的具體方法如下：

40、lora網(wǎng)絡(luò)中每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率，結(jié)合lora網(wǎng)絡(luò)中各終端的發(fā)射功率，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量γ、終端平均功耗eavg和終端平均時延tavg，使用組合賦權(quán)法獲得網(wǎng)絡(luò)性能評分，完成終端功耗受限條件下lora網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能評估。

41、第二方面，本發(fā)明提供一種lora網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率控制系統(tǒng)，包括：

42、鏈路信息獲取模塊，用于持續(xù)接收lora網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并統(tǒng)計(jì)接收到數(shù)據(jù)包的鏈路信息；

43、鏈路狀態(tài)獲取模塊，用于獲取固定時間窗口內(nèi)lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路信息，并根據(jù)鏈路信息評估lora網(wǎng)絡(luò)終端的鏈路狀態(tài)；

44、速率列表獲取模塊，用于根據(jù)鏈路狀態(tài)，獲得通信可達(dá)前提下lora網(wǎng)絡(luò)終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表；

45、性能指標(biāo)獲取模塊，用于獲取lora網(wǎng)絡(luò)中通信可達(dá)前提下所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，從可選列表中選擇發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值計(jì)算初始化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)；

46、基于終端的鏈路狀態(tài)，基于初始化網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，在終端功耗受限的條件下利用終端的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率的初始值以及所有終端可選的發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率列表，獲得網(wǎng)絡(luò)中每個終端自適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)據(jù)速率，并評估lora網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能。

47、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

48、本發(fā)明通過優(yōu)化發(fā)射功率和數(shù)據(jù)速率，減少不必要的能量消耗，延長終端設(shè)備的使用壽命，尤其是對于依賴電池供電的設(shè)備。本發(fā)明通過動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)速率，終端可以在信號較弱的情況下仍然保持通信，提升整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和信號質(zhì)量。本發(fā)明優(yōu)化鏈路狀態(tài)下的通信參數(shù)，有助于提高數(shù)據(jù)包接收率，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院玩溌返姆€(wěn)定性。本發(fā)明能夠自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中使用不同數(shù)據(jù)速率的終端個數(shù)，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高傳輸效率，保持良好的通信質(zhì)量。本發(fā)明能夠根據(jù)終端的位置和環(huán)境變化靈活調(diào)整通信參數(shù)，確保在不同應(yīng)用場景下都能維持穩(wěn)定的連接，適合于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。本發(fā)明通過減少終端功耗和提升通信效率，可以降低設(shè)備維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理的成本，提高運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。終上所述，本發(fā)明不僅在技術(shù)上提升了lora網(wǎng)絡(luò)的性能，還為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性提供了支持。