CN108093436B - 一种lpwan物联网基于网络状况的自适应速率调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，接收终端发送的上行帧，采样最近N帧SNR、RSSI值，根据帧序列号的连续性统计丢包率，按照终端所占信道及使用的SF统计SF子信道的负荷erl，加权计算终端期望的数据速率DR_mote。当终端丢包率超过ADR策略中的丢包阈值时，进行丢包速率调节；未超过ADR策略中的丢包阈值时，进行正常速率调节。下发ADR命令给终端，终端收到后根据自己的策略调整数据传输速率并进行回应。如果LoRaWAN服务器未收到回应则认为下发失败，重复下发直到收到回应为止。本发明的有益效果是，能根据自身网络状况，包括信号质量指标、信道负荷、丢包率等情况，对终端的数据速率进行自适应调整。

Description

一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法

技术领域

本发明涉及一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，属于LPWAN物联网领域。

背景技术

LoRaWAN是采用Semtech公司LoRa技术构建的低功耗无线广域物联网(LPWAN)，由于其具备低功耗、低成本与传输距离远等特点，可广泛应用于各种场合的远距离低速率物联网无线通信领域，如自动抄表、市政设施监控、环境监测、无线安防、工业监视与控制等。

LoRa采用扩频调制技术，每一个信道支持6级扩频因子(Spread Factor，SF)，从SF7到SF12，分别对应不同的数据速率,从DR5(Data Rate5：对应SF7)到DR0(Data Rate0：对应SF12)。扩频因子越大，抗干扰能力越强，支持的传输距离越远，但同时数据传输速率越低。同时，不同扩频因子的无线电信号是正交的，彼此不相冲突，意味着同一个信道里按照扩频因子还可以划分出6个SF子信道，使得LoRaWAN网络接入容量得到更进一步提升。

为了做到LoRa终端低功耗还能正常通信，同时兼顾扩大LoRaWAN网络接入容量，LoRa在协议上设计了一个数据速率自适应(Adaptive Data Rate,ADR)机制，不同传输距离的终端会根据无线信号传输状况，尽可能使用最快的数据速率，这样也使得网络整体的数据传输更有效率。

但对于LoRa的每个信道的SF子信道来说，同一时刻只能有一个信号传送，如果多个信号并发传送，就会导致信道冲突，信号间相互干扰导致接收端无法接收信号。由于信道接入是多个终端采用随机接入方式(ALOHA机制)，因此一旦SF子信道的负荷超过一定阈值，就会导致冲突概率快速上升，网络通信性能急剧下降。

现有的一些数据速率调整方案是根据终端上行帧的无线信号质量指标来估算出下次终端发送数据所应采用的传输速率。主要是基于快速可靠传输的原则，在信号质量好的情况下，采用高一点的数据传输速率，当信号质量变差时，则采用低的数据传输速率，以提高终端信号灵敏度。这些方案仅仅考虑了终端的个体信道情况，没有考虑LoRaWAN网络的信道负荷。当仅以终端的信号质量指标决策数据速率，有可能会把终端的上行帧都分配到少数几个SF子信道上，致使这些子信道拥塞，发生丢包，网络性能恶化。

专利申请CN201710124472中所描述的终端数据速率自动调整方法是当无线网络状况变化剧烈时采用更短周期采集终端上行帧的无线信号质量，从而使终端能以最新的数据速率尽快适应无线网络环境。这种方法实际上是对上行帧按时间赋值了权重，可以使用其他更好的方法实现。该方法所存在的不足之处就是未整体考虑SF子信道的利用，存在负荷分布不均匀，若都拥塞到一个SF子信道，则发生丢包。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LPWAN网络能根据自身网络状况进行自适应速率调整(ADR)的方法，能根据自身网络状况，包括信号质量指标、信道负荷、丢包率等情况，对终端的数据速率进行自适应调整。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

过程一、接收LoRa终端发送的上行帧；

过程二、采样最近N帧SNR、RSSI值，N≥10；

过程三、根据帧序列号的连续性统计丢包率；

过程四、按照终端所占信道及使用的SF统计SF子信道的负荷erl；

过程五、根据每帧数据的权重，加权计算终端期望的数据速率DR_mote；当终端统计丢包率超过ADR策略中的丢包阈值时，进入过程六；当终端统计丢包率未超过ADR策略中的丢包阈值时，进入过程七；

过程六、丢包速率调节过程：选择负荷erl最小的SF子信道对应的数据速率DR_loss，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率；进入过程八；

过程七、正常速率调节过程：选择负荷erl不超过ADR策略中信道负荷阈值最快SF子信道所对应的数据速率DR_normal，以尽可能快的速度进行传输；如果所有SF子信道负荷均超过信道负荷阈值，则进入过程六；

过程八、所确定的数据速率与当前终端所使用的数据速率不一样，则下发ADR命令给终端，终端收到后根据自己的策略调整数据传输速率并进行回应，如果LoRaWAN服务器未收到回应则认为下发失败，重复下发直到收到回应为止。

优选地，所述过程三对丢包率的统计，是指根据帧序列号的连续性进行统计：

(a)计算最近N帧丢包个数，即N帧中序列号不连续时的差值计数

其中Seq_k为LoRa协议数据帧第k帧的序列号，1≤k≤N；

(b)计算终端在统计周期内发包总个数N_total＝Seq_N-Seq₁；

(c)计算丢包率R_loss＝N_loss/N_total。

优选地，所述过程四对SF子信道的负荷erl的统计，是指在LoRaWAN服务器开启一个周期性的统计任务，定时对SF子信道的占用时间及负荷erl进行统计，并记录存储：

(a)根据编码率、采用的SF，计算每帧数据对SF子信道的占用时间，并在统计周期T_total内累计总的占用时间T_busy；

(b)计算SF子信道的负荷erl＝T_busy/T_total。

优选地，所述过程五根据终端接收信号质量RSSI、SNR指标，查询ADR策略中所设定的信号质量与数据速率的对应关系表，获取此次数据帧所对应的数据速率DR，存入信号质量缓存池，根据ADR策略中设定的相邻帧重要性程度之比r值,确定每一帧信号质量的权重:ω₁＝1,ω_k＝r^k-1,其中2≤k≤N；

最后，对权重进行归一化，进行加权计算获得终端期望的数据速率：

优选地，所述过程六选择负荷erl最小的SF子信道对应的数据速率，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率，包括如下步骤：

第一步、筛选出不超过终端期望的数据速率的所有SF子信道；

第二步、查询这些SF子信道的负荷erl统计值；

第三步、根据统计值，选出负荷erl最小的SF子信道。

优选地，所述过程七选择终端所占信道erl不超过ADR策略中erl阈值最大的数据速率，以尽可能快的速度进行传输，包括如下步骤：

第一步，筛选出不超过终端期望的数据速率的所有SF子信道；

第二步，从这些SF子信道中数据速率最快的开始选择，查询其所对应的负荷erl统计值；

第三步，如果所选SF子信道的负荷超过ADR策略中erl阈值，则转第二步，在剩余SF子信道中重新选择，直到选择出一个合适的SF子信道或者剩余SF子信道为0。

本发明的有益效果是：

1、ADR是在LoRaWAN服务器通过统计的方法，综合分析终端无线信号接收质量、信道忙闲状况及丢包情况，对接入终端的数据速率进行自适应调整，以尽可能快的速度、尽可能低的功耗地接入终端数据。

2、ADR过程兼顾终端个体情况和网关无线接入信道的负荷，可以最大限度地提升LoRaWAN的网络接入能力，同时避免信道冲突引起的丢包。

3、ADR按照时间顺序确定终端多帧信号质量所占权重，加权计算终端期望的数据速率，能快速适应终端无线信号环境的变化。

4、ADR过程一些关键参数、阈值都可以通过ADR策略对不同终端分别进行设定，实现对终端的灵活速率控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明的流程示意图；

图2是计算终端期望的数据速率算法流程图；

图3是丢包数据速率调节算法流程图；

图4是正常数据速率调节算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

过程一、接收LoRa终端发送的上行帧；

过程二、101采样最近N帧SNR、RSSI值，N≥10；

过程三、102根据帧序列号的连续性统计丢包率；

过程四、103按照终端所占信道及使用的SF统计SF子信道的负荷erl；

过程五、104根据每帧数据的权重，加权计算终端期望的数据速率DR_mote；当终端统计丢包率超过ADR策略中的丢包阈值时，进入过程六；当终端统计丢包率未超过ADR策略中的丢包阈值时，进入过程七；

过程六、105丢包速率调节过程：选择负荷erl最小的SF子信道对应的数据速率DR_loss，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率；进入过程八；

过程七、106正常速率调节过程：选择负荷erl不超过ADR策略中信道负荷阈值最快SF子信道所对应的数据速率DR_normal，以尽可能快的速度进行传输；如果所有SF子信道负荷均超过信道负荷阈值，则进入过程六；

过程八、所确定的数据速率与当前终端所使用的数据速率不一样，则下发ADR命令给终端，终端收到后根据自己的策略调整数据传输速率并进行回应，如果LoRaWAN服务器未收到回应则认为下发失败，重复下发直到收到回应为止。

在收到终端发送的上行帧后，按终端统计丢包率，按信道和SF统计SF子信道的负荷erl，并采样最近N(N≥10)帧SNR(Signal Noise Ratio)、RSSI(Radio Signal StrengthIndicator)信号质量指标值。按照前后相邻两帧重要性程度之比确定每帧数据的权重，加权计算终端期望的数据速率。当终端丢包率超过ADR策略中的丢包阈值时，选择负荷erl最小的SF子信道；如果所选子信道对应的数据速率超过终端期望的数据速率，则在剩余的SF子信道中重新选择。当终端丢包率未超过ADR策略中的丢包阈值时，选择负荷erl不超过ADR策略中信道负荷阈值最快的SF子信道；如果所有SF子信道负荷均超过信道负荷阈值，则选择负荷erl最小的SF子信道；如果所选子信道对应的数据速率超过终端期望的数据速率，则在剩余的SF子信道中重新选择。如果所选择的SF子信道所对应的数据速率与终端当前所使用的数据速率不相等，则产生一个ADR命令发送给终端，调整到所选择的数据速率。这样，ADR是在终端信号质量所能支持的的数据速率范围内，根据网络负荷重新进行调整，避免某一SF子信道过负荷而发生丢包。

该方法能根据自身网络状况，包括信号质量指标、信道负荷、丢包率等情况，对终端的数据速率进行自适应调整。

所述信号质量指标是指SNR、RSSI无线信号质量指标。

所述信道负荷是指在统计周期内一个信道下不同SF子信道的负荷。

所述丢包率是指终端因信道拥塞或信号质量差等原因，在统计周期内上行帧发生丢失的比例。

在实现ADR过程前，需要按照ADR策略设定信道负荷erl阈值、丢包率阈值，及前后相邻两帧重要性程度之比r。

所述前后相邻两帧重要性程度之比r是指按照序关系法确定的前后相邻两帧的权重之比，从而确定每帧信号质量指标所占的权重。

对于终端上行数据帧的信号质量，采样N(N≥10)帧，确定各帧的权重：

1、对于N帧信号质量指标集{X₁,X₂,X₃,...X_k-1,X_k}，按照最近时间最重要的原则确立序关系，其中X_n为最新一帧指标值。

2、给出X_k与X_k-1(2≤k≤N)间重要程度的比较判断。

设信号质量指标指标X_k与X_k-1的重要性程度之比为r_k＝ω_k/ω_k-1(ω_k为指标X_k对应的权重)，

表1 r_k赋值参考表：

r<sub>k</sub>	说明
		1	指标X<sub>k</sub>比指标X<sub>k-1</sub>具有同样重要性
1.2	指标X<sub>k</sub>比指标X<sub>k-1</sub>稍微重要
		1.4	指标X<sub>k</sub>比指标X<sub>k-1</sub>明显重要
1.6	指标X<sub>k</sub>比指标X<sub>k-1</sub>强烈重要
		>1.8(<＝5)	指标X<sub>k</sub>比指标X<sub>k-1</sub>极端重要

给定一个r_k值，我们就能确定N帧信号质量指标所对应的权重，默认r_k值为1.8。

更进一步地，在收到终端发送的上行帧后，根据帧序列号的连续性统计丢包率，按照终端所占信道及使用的SF统计SF子信道的负荷erl，采样最近N(N≥10)帧SNR、RSSI值。根据每帧数据的权重，加权计算终端期望的数据速率DR_mote。当终端统计丢包率超过ADR策略中的丢包阈值时，选择负荷erl最小的SF子信道所对应的数据速率DR_loss，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率；否则选择负荷erl不超过ADR策略中信道负荷阈值最快SF子信道所对应的数据速率DR_normal，以尽可能快的速度进行传输；如果所有SF子信道负荷均超过信道负荷阈值，则选择负荷erl最小的SF子信道所对应的数据速率DR_loss。为保证终端期望的信号灵敏度，所述数据速率DR_loss和DR_normal不能超过终端期望的数据速率DR_mote。

优选地，所述过程三对丢包率的统计，是指根据帧序列号的连续性进行统计：

(a)计算最近N帧丢包个数，即N帧中序列号不连续时的差值计数

其中Seq_k为LoRa协议数据帧第k帧的序列号，1≤k≤N；

(b)计算终端在统计周期内发包总个数N_total＝Seq_N-Seq₁；

(c)计算丢包率R_loss＝N_loss/N_total。

优选地，所述过程四对SF子信道的负荷erl的统计，是指在LoRaWAN服务器开启一个周期性的统计任务，定时对SF子信道的占用时间及负荷erl进行统计，并记录存储：

(a)根据编码率、采用的SF，计算每帧数据对SF子信道的占用时间，并在统计周期T_total内累计总的占用时间T_busy；

(b)计算SF子信道的负荷erl＝T_busy/T_total。

优选地，所述过程五根据终端接收信号质量RSSI、SNR指标，查询ADR策略中所设定的信号质量与数据速率的对应关系表，获取此次数据帧所对应的数据速率DR，存入信号质量缓存池(最多N帧)。

所述信号质量对应数据速率表如表2、表3所示。

表2 RSSI与数据速率对应关系表

表3 SNR与数据速率对应关系表

DR	SF	SNR(dB)
			5	7	-7.5
4	8	-10
			3	9	-12.5
2	10	-15
			1	11	-17.5
0	12	-20

根据ADR策略中设定的相邻帧重要性程度之比r值,确定每一帧信号质量的权重:ω₁＝1,ω_k＝r^k-1,其中2≤k≤N；

最后，对权重进行归一化，进行加权计算获得终端期望的数据速率：

优选地，所述过程六选择负荷erl最小的SF子信道对应的数据速率，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率，包括如下步骤：

第一步、筛选出不超过终端期望的数据速率的所有SF子信道；

第二步、查询这些SF子信道的负荷erl统计值；

第三步、根据统计值，选出负荷erl最小的SF子信道。

优选地，所述过程七选择终端所占信道erl不超过ADR策略中erl阈值最大的数据速率，以尽可能快的速度进行传输，包括如下步骤：

第一步，筛选出不超过终端期望的数据速率的所有SF子信道；

第二步，从这些SF子信道中数据速率最快的开始选择，查询其所对应的负荷erl统计值；

第三步，如果所选SF子信道的负荷超过ADR策略中erl阈值，则转第二步，在剩余SF子信道中重新选择，直到选择出一个合适的SF子信道或者剩余SF子信道为0。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

过程一、接收LoRa终端发送的上行帧；

过程二、采样最近N帧SNR、RSSI值，N≥10；

过程三、根据帧序列号的连续性统计丢包率；

过程四、按照终端所占信道及使用的SF统计SF子信道的负荷erl；

过程五、根据每帧数据的权重，加权计算终端期望的数据速率DR_mote；当终端统计丢包率超过ADR策略中的丢包阈值时，进入过程六；当终端统计丢包率未超过ADR策略中的丢包阈值时，进入过程七；

过程六、丢包速率调节过程：选择负荷erl最小的SF子信道对应的数据速率DR_loss，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率；进入过程八；

过程七、正常速率调节过程：选择负荷erl不超过ADR策略中信道负荷阈值最快SF子信道所对应的数据速率DR_normal，以尽可能快的速度进行传输；如果所有SF子信道负荷均超过信道负荷阈值，则进入过程六；

过程八、所确定的数据速率与当前终端所使用的数据速率不一样，则下发ADR命令给终端，终端收到后根据自己的策略调整数据传输速率并进行回应，如果LoRaWAN服务器未收到回应则认为下发失败，重复下发直到收到回应为止。

2.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，所述过程三对丢包率的统计，是指根据帧序列号的连续性进行统计：

(a)计算最近N帧丢包个数，即N帧中序列号不连续时的差值计数

其中Seq_k为LoRa协议数据帧第k帧的序列号，1≤k≤N；

(b)计算终端在统计周期内发包总个数N_total＝Seq_N-Seq₁；

(c)计算丢包率R_loss＝N_loss/N_total。

3.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，所述过程四对SF子信道的负荷erl的统计，是指在LoRaWAN服务器开启一个周期性的统计任务，定时对SF子信道的占用时间及负荷erl进行统计，并记录存储：

(a)根据编码率、采用的SF，计算每帧数据对SF子信道的占用时间，并在统计周期T_total内累计总的占用时间T_busy；

(b)计算SF子信道的负荷erl＝T_busy/T_total。

4.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，所述过程五根据终端接收信号质量RSSI、SNR指标，查询ADR策略中所设定的信号质量与数据速率的对应关系表，获取此次数据帧所对应的数据速率DR，存入信号质量缓存池，根据ADR策略中设定的相邻帧重要性程度之比r值,确定每一帧信号质量的权重:

ω₁＝1,ω_k＝r^k-1,其中，2≤k≤N；

最后，对权重进行归一化，进行加权计算获得终端期望的数据速率：

5.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，所述过程六选择负荷erl最小的SF子信道对应的数据速率，以避开SF子信道拥塞，降低丢包率，包括如下步骤：

第一步、筛选出不超过终端期望的数据速率的所有SF子信道；第二步、查询这些SF子信道的负荷erl统计值；

第三步、根据统计值，选出负荷erl最小的SF子信道。

6.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网基于网络状况的自适应速率调整方法，其特征在于，所述过程七选择终端所占信道erl不超过ADR策略中erl阈值最大的数据速率，以尽可能快的速度进行传输，包括如下步骤：

第一步，筛选出不超过终端期望的数据速率的所有SF子信道；

第二步，从这些SF子信道中数据速率最快的开始选择，查询其所对应的负荷erl统计值；

第三步，如果所选SF子信道的负荷超过ADR策略中erl阈值，则转第二步，在剩余SF子信道中重新选择，直到选择出一个合适的SF子信道或者剩余SF子信道为0。

Images