CN105517136B - 动态调整无线终端发射功率的方法 - Google Patents

动态调整无线终端发射功率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态调整无线终端发射功率的方法，包括：网关设备以固定信标周期发送信标帧，无线终端接收信标帧，并记录接收信标帧的信号强度；无线终端在一个信标周期内以一种预设的发射功率向网关设备发送事件消息帧；网关设备以向无线终端发送建议数据帧的形式响应，建议数据帧包含建议无线终端选择的预设发射功率的信息，无线终端接收建议数据帧，并记录接收建议数据帧的信号强度；其中，无线终端根据最近一次接收到的建议数据帧、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率。本发明能够动态调整发射功率，减少节点不必要的功耗开销。

Description

动态调整无线终端发射功率的方法
技术领域
本发明涉及无线物联网相关领域。更具体地说，本发明涉及一种动态调整低功耗无线终端发射功率的方法。
背景技术
在无线传感器网络里，节点往往是电池供电，需要低功耗以取得更久的使用寿命。节点和网关的距离有近有远，加之遮挡物等情况，导致节点和网关之间的链路质量有好有坏。对于好的链路质量，节点使用较低的发射功率发送消息即可，对于坏的链路质量，节点则需使用较高的发射功率。而且，链路质量在一定情况下会发生变化，比如新出现的遮挡物。因而，必须实时估算节点和网关之间的链路质量，并动态调整节点的发射功率，减少节点不必要的功耗开销。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种动态调整低功耗无线终端发射功率的方法，其会结合当前接收的信标帧的信号强度、上次收到的建议数据帧的信号强度、上次收到的建议数据帧的具体建议内容，估算节点和网关之间的链路质量，从而动态调整发射功率，减少节点不必要的功耗开销。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种动态调整无线终端发射功率的方法，无线终端中预设有多种用于向网关设备发送信息的发射功率，包括：
网关设备以固定信标周期发送信标帧，所述无线终端接收信标帧，并记录接收信标帧的信号强度；
所述无线终端在一个信标周期内以一种预设的发射功率向所述网关设备发送事件消息帧，所述网关设备以向所述无线终端发送建议数据帧的形式响应，所述建议数据帧包含建议无线终端选择的预设发射功率的信息，所述无线终端接收建议数据帧，并记录接收建议数据帧的信号强度；
其中，所述无线终端根据最近一次接收到的建议数据帧、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述事件消息帧包含待发送信息、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，所述网关设备接收事件消息帧，并记录接收事件消息帧的信号强度；
其中，所述网关设备根据之前多次接收事件消息帧的信号强度、所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度以及所述无线终端最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度确定向所述无线终端发送的建议数据帧。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，多种预设发射功率包括第一功率和第二功率，所述第一功率大于所述第二功率；
其中，所述无线终端从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率的方法包括：当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第一功率的建议数据帧时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧；
当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值小于第一阈值时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧；
当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述无线终端以第二功率向所述网关设备发送事件消息帧。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述网关设备向所述无线终端发射建议数据帧的方法包括：当所述网关设备在之前连续N次接收事件消息帧的过程中得到的N个接收事件消息帧的信号强度中的最小值大于第二阈值，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述网关设备向所述无线终端发送信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧；否则，所述网关设备向所述无线终端发送信息是建议发射功率为第一功率的建议数据帧。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，N为3。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述第一功率为20dBm，所述第二功率为13dBm。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述第一阈值为-110dBm或-100dBm，所述第二阈值为-100dBm。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述网关设备在收到事件消息帧后，在1～5秒内向所述无线终端发送建议数据帧。
优选的是，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述无线终端与所述网关设备之间采用LoRa通信技术进行通信。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明根据对链路质量的实时监控、判断，实时、准确地对无线终端的发射功率进行动态调整，使本发明中的无线终端能够在尽可能长的时间里以低发射功率发送消息，又能在保证消息可以被网关正常接收，从而大幅度降低了各节点功耗，进而大幅度降低了整个网络系统的功耗。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
一种动态调整无线终端发射功率的方法，无线终端中预设有多种用于向网关设备发送信息的发射功率，包括：
网关设备以固定信标周期发送信标帧，所述无线终端接收信标帧，并记录接收信标帧的信号强度；
所述无线终端在一个信标周期内以一种预设的发射功率向所述网关设备发送事件消息帧，所述网关设备以向所述无线终端发送建议数据帧的形式响应，所述建议数据帧包含建议无线终端选择的预设发射功率的信息，所述无线终端接收建议数据帧，并记录接收建议数据帧的信号强度；
其中，所述无线终端根据最近一次接收到的建议数据帧、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率。
在上述技术方案中，多个无线终端(节点)和一个网关设备构成一个网络系统，比如构成一个星型网络，在这个网络系统中，无线终端和网关设备的物理位置都相对固定，但是无线终端和网关设备之间的链路质量仍然容易受到周边环境的影响，因而需要对无线终端的发射功率进行实时改变，以在保证网关设备正常接收无线终端采集的事件消息帧的同时，尽可能长时间的以较低发射功率发送事件消息帧，从而降低系统功耗。在这里，网关会周期性发出信标帧，连续两次信标帧之间的时间区间称为信标周期，无线终端只有在收到信标帧后，才允许在收到信标帧所在的当前信标周期里，从多种预设功率中选择一种来发送事件消息帧。无线终端每收到一次信标帧，就会记录本次接收信标帧的信号强度。网关在收到事件消息帧后就会给无线终端反馈一个建议数据帧，无线终端每接收一次建议数据帧，就会记录本次接收建议数据帧的信号强度，该建议数据帧包含了对无线终端下一次发射功率的建议。无线终端根据最近一次的接收信标帧的信号强度、最近一次的接收建议数据帧的信号强度和最近一次接收到的建议数据帧的确定下一次发送事件消息帧的发射功率，即根据上述三个参数确定链路的质量，然后根据链路质量来选择发射功率，由于既考虑了网关的建议，又结合了最新的接收情况，因而能够对链路质量进行准确的判断，进而准确地调整发射功率。确定下一次发送事件消息帧的发射功率的具体方法只需要对链路质量进行判断即可，比如直接采取网关发来的建议数据帧的建议，即认可网关判断的链路质量，又如根据最近一次的接收信标帧的信号强度和最近一次的接收建议数据帧的信号强度的最小值是否高于某一阈值，高于该阈值，则表明链路质量好，便以较低功率发送事件消息帧，低于该阈值，则表明链路质量差，便以较高功率发送事件消息帧。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述事件消息帧包含待发送信息、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，所述网关设备接收事件消息帧，并记录接收事件消息帧的信号强度；
其中，所述网关设备根据之前多次接收事件消息帧的信号强度、所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度以及所述无线终端最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度确定向所述无线终端发送的建议数据帧。
在上述技术方案中，进一步给出了网关给无线终端提供建议的方法。网关设备接收事件消息帧时也记录接收事件消息帧的信号强度。网关设备根据之前多次接收事件消息帧的信号强度、终端设备最近一次的接收信标帧的信号强度以及终端设备最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度来给出建议，即根据网关根据上一次或前几次的通信记录来确定当前时间段的链路质量，然后根据该链路质量来向无线终端给出建议。具体给出建议的方法只需要对链路质量进行判断即可，如之前多次接收事件消息帧的信号强度、终端设备最近一次的接收信标帧的信号强度以及终端设备最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度均大于某一阈值时，则为链路质量好，当之前多次接收事件消息帧的信号强度、终端设备最近一次的接收信标帧的信号强度以及终端设备最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度均低于另一阈值时，则为链路质量差，当之前多次接收事件消息帧的信号强度、终端设备最近一次的接收信标帧的信号强度以及终端设备最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度均在一个阈值和另一阈值之间，则为链路质量适中，然后根据链路质量的好坏，相应的向无线终端给予高功率、中功率和低功率的建议。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，多种预设发射功率包括第一功率和第二功率，所述第一功率大于所述第二功率；
其中，所述无线终端从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率的方法包括：当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第一功率的建议数据帧时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧；
当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值小于第一阈值时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧；
当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述无线终端以第二功率向所述网关设备发送事件消息帧。
在上述技术方案中，提供了一种无线终端选择发射功率的优选方法，即在第一功率(高功率)和第二功率(低功率)中选择一个来发送事件消息帧。具体为，当所述无线终端最近一次接收到的是建议发射功率为第一功率的建议数据帧时，则无线终端以第一功率向网关设备发送事件消息帧，即当网关给的建议是高功率时，无线终端必须采用网关建议；当所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值小于第一阈值时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧，即当网关的建议是低功率时，无线终端还必须考虑最近的接收情况，如果当接收信标帧和接收建议数据帧的信号强度均较小时，说明最近的接收情况不好，还是得采用高功率；当所述无线终端最近一次接收到的是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述无线终端以第二功率向所述网关设备发送事件消息帧，即当网关的建议是低功率时，如果当接收信标帧和接收建议数据帧的信号强度均较大时，说明最近的接收情况仍然很好，可以采用低功率。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述网关设备向所述无线终端发射建议数据帧的方法包括：当所述网关设备在之前连续N次接收事件消息帧的过程中得到的N个接收事件消息帧的信号强度中的最小值大于第二阈值，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述网关设备向所述无线终端发送信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧；否则，所述网关设备向所述无线终端发送信息是建议发射功率为第一功率的建议数据帧。
在上述技术方案中，在上一技术方案的基础上给出了网关给无线终端提供建议的方法。具体地，当网关多次接收事件消息帧的信号强度的均大于第二阈值，而且终端设备最近一次的接收信标帧的信号强度以及终端设备最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度均大于第二阈值时，表明网关的接收情况良好，无线终端的接收情况也良好，说明链路质量好，此时就可以给予无线终端使用低功率发送的建议。否则，即不符合上述两种条件之一的话，就给予无线终端使用高功率发送的建议。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，N为3。这里，给出了N的优选值，当N为3时已经能很好地反应最新的链路情况，N的值更大时，对链路情况的判断反而会下降。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述第一功率为20dBm，所述第二功率为13dBm。这里，提供了第一功率和第二功率的优选值，以保证尽可能每次成功事件消息帧。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述第一阈值为-110dBm或-100dBm，所述第二阈值为-100dBm。这里，提供了第一阈值和第二阈值的优选值，使网关和终端都能对链路质量进行准确判断。当无线终端的发射功率为20dBm时，可以取第一阈值为-100dBm，当无线终端的发射功率为12dBm，可以取第一阈值为-110dBm。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述网关设备在收到事件消息帧后，在1～5秒内向所述无线终端发送建议数据帧。尽快发送建议数据帧可以使无线终端迅速知道事件消息帧已经发送成功，并尽快为下一次发送作准备。
在另一种技术方案中，所述的动态调整无线终端发射功率的方法，所述无线终端与所述网关设备之间采用LoRa通信技术进行通信。这里给出了本发明适用的优选通信协议。
具体实施例：
1.优选地，对于LoRaTM射频芯片，可选择THsn_high＝-100dBm(高功率下的第一阈值)，THsn_low＝-110dBm(低功率下的第一阈值)，THbcn＝-100dBm(第二阈值)。
2.优选地，对于LoRaTM射频芯片，建议的发射功耗能级TXnext集合，即高tx能级(高功率)，低tx能级(低功率)，可分别取+20dBm，+13dBm。在+20dBm下的发射电流是120mA，+13dBm下的发射电流是29mA，相差超过4倍。
3.优选地，N可取3。
4.举例来说，网关连续N即3次收到的节点事件消息帧的信号强度Ssn[3]和反馈的接收Sbcn[3](接收信标帧的信号强度)、Sgw[3](接收建议数据帧的信号强度)情况是：
高tx能级，Ssn[1]＝-90dBm,Sbcn[1]＝-90dBm,Sgw[1]＝-93dBm。
高tx能级，Ssn[2]＝-83dBm,Sbcn[2]＝-95dBm,Sgw[2]＝-92dBm。
高tx能级，Ssn[3]＝-95dBm,Sbcn[3]＝-93dBm,Sgw[3]＝-91dBm。
那么根据THsn_high＝-100dBm和THbcn＝-100dBm，网关认为节点和自身之间的链路情况较好，于是建议节点使用低tx能级。
5.举例来说，网关建议节点下次发送时使用高tx能级，节点不管收到的建议数据帧的信号强度是多少，都采用高tx能级+20dBm发送。
6.举例来说，网关建议节点下次发送时使用低tx能级，节点收到的信标帧信号强度是-93dBm，上次收到的建议数据帧的信号强度是-91dBm，min(Sbcn,Sgw)等于-93dBm，超过了THbcn即-100dBm，所以采取低tx能级+13dBm发送数据。
7.举例来说，网关建议节点下次发送时使用低tx能级，然而，节点收到的信标帧信号强度是-93dBm，上次收到的建议数据帧的信号强度是-101dBm，min(Sbcn,Sgw)等于-101dBm，小于THbcn即-100dBm，所以尽管网关建议使用低tx能级，但节点依然采用高tx能级+20dBm发送数据。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。

Claims (7)

1.一种动态调整无线终端发射功率的方法，无线终端中预设有多种用于向网关设备发送信息的发射功率，其特征在于，包括：
网关设备以固定信标周期发送信标帧，所述无线终端接收信标帧，并记录接收信标帧的信号强度；
所述无线终端在一个信标周期内以一种预设的发射功率向所述网关设备发送事件消息帧，所述网关设备以向所述无线终端发送建议数据帧的形式响应，所述建议数据帧包含建议无线终端选择的预设发射功率的信息，所述无线终端接收建议数据帧，并记录接收建议数据帧的信号强度；
其中，所述无线终端根据最近一次接收到的建议数据帧、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率；
所述事件消息帧包含待发送信息、最近一次的接收信标帧的信号强度以及最近一次的接收建议数据帧的信号强度，所述网关设备接收事件消息帧，并记录接收事件消息帧的信号强度；
其中，所述网关设备根据之前多次接收事件消息帧的信号强度、所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度以及所述无线终端最近一次的接收预设建议数据帧的信号强度确定向所述无线终端发送的建议数据帧；
多种预设发射功率包括第一功率和第二功率，所述第一功率大于所述第二功率；
其中，所述无线终端从多种预设的发射功率中选择下一次发送事件消息帧使用的发射功率的方法包括：当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第一功率的建议数据帧时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧；
当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值小于第一阈值时，则所述无线终端以第一功率向所述网关设备发送事件消息帧；
当所述无线终端最近一次接收到的信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧时，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述无线终端以第二功率向所述网关设备发送事件消息帧。
2.如权利要求1所述的动态调整无线终端发射功率的方法，其特征在于，所述网关设备向所述无线终端发射建议数据帧的方法包括：当所述网关设备在之前连续N次接收事件消息帧的过程中得到的N个接收事件消息帧的信号强度中的最小值大于第二阈值，且所述无线终端最近一次的接收信标帧的信号强度和所述无线终端最近一次的接收建议数据帧的信号强度中的较小值大于第一阈值，则所述网关设备向所述无线终端发送信息是建议发射功率为第二功率的建议数据帧；否则，所述网关设备向所述无线终端发送信息是建议发射功率为第一功率的建议数据帧。
3.如权利要求2所述的动态调整无线终端发射功率的方法，其特征在于，N为3。
4.如权利要求1所述的动态调整无线终端发射功率的方法，其特征在于，所述第一功率为20dBm，所述第二功率为13dBm。
5.如权利要求2所述的动态调整无线终端发射功率的方法，其特征在于，所述第一阈值为-110dBm或-100dBm，所述第二阈值为-100dBm。
6.如权利要求1所述的动态调整无线终端发射功率的方法，其特征在于，所述网关设备在收到事件消息帧后，在1～5秒内向所述无线终端发送建议数据帧。
7.如权利要求1～6任一所述的动态调整无线终端发射功率的方法，其特征在于，所述无线终端与所述网关设备之间采用LoRa通信技术进行通信。
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