CN108199892B - 基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，应用于低功耗广域网通信技术领域，通过构建神经网络架构，并对神经网络进行训练，使得在保证正常通信情况下，通过将LoRa服务器解析到的信噪比、信号强度输入神经网络，得到预测的最大发送速率；LoRa服务器将该最大发送速率告知LoRa终端，LoRa终端以最大发送速率发送数据，实现降低终端功耗的效果。

Description

基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法
技术领域
本发明属于低功耗广域网通信技术领域，特别涉及一种预测LoRa终端节点的最大发送速率的技术。
背景技术
LoRaWAN网络是一种LPWAN网络，即低功耗的广域网，其整个网络的寿命取决于LoRa终端电池的电量，保证终端连接到服务器的情况下以最大速率发送可以有效减小功耗。神经网络算法可以很好的实现分类聚类，在服务器端得知信噪比(SNR)和接收信号强度指示(RSSI)参数通过神经网络算法预测最大速率。
LoRa全称是“Long Rang”是一种基于扩频技术的低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网，LoRa终端依赖于电池供电的无线广域网技术。LoRaWAN采用星形拓扑的网络架构，由三部分组成分别是LoRa网关、LoRa终端、LoRa服务器。其中LoRa网关是一个透明中继采用电源供电，负责链接前端的终端和后端的服务器。其中终端采用电池供电。整个网络的寿命取决于终端电池的电量。
目前要实现LoRa的低功耗，使得整个网络的寿命加长，就要使终端节点的耗能降到最低，目前国内外对于LoRa的低功耗的设计在于设计最小的接收机的占空比来实现低功耗，但是存在终端发送数据频率很低的问题。
神经网络是一组大致模仿人类大脑构造设计的算法，在分类聚类上有很好的效果。神经网络通过机器感知系统解释传感器数据，对原始输入进行标记或聚类。神经网络能够帮助我们对测试数据进行处理，即可以对所存储和管理的数据进行聚类与分类。
发明内容
本发明提出一种基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，通过神经网络预测出最大速率，实现降低终端功耗的目的。
本发明采用的技术方案为：基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，初始状态下LoRa终端以最低速率发送数据；LoRa服务器接收到LoRa终端的数据后，解析出信号强度和信噪比；通过将信号强度与信噪比输入神经网络，在保证正常通信的情况下，神经网络输出预测的最大发送速率；LoRa服务器将该最大发送速率告知LoRa终端；LoRa终端收到LoRa服务器的告知信息后，以该最大速率发送数据。
进一步地，所述神经网络结构包括：输入层、隐藏层以及输出层；所述输入层至少包括：信号强度以及信噪比；所述隐藏层；所述输出层为各发送速率。
更进一步地，所述神经网络采用反向传播算法进行训练。
进一步地，所述反向传播算法包括：
A1、获取训练集；
A2、前向传播，具体为：将训练集输入到神经网络的输入层，经过隐藏层，到达输出层并输出结果；
A3、反向传播，具体为：计算步骤A2得到的输出结果与实际结果之间的误差，将误差从输出层向隐藏层反向传播，直至传播到输入层；
A4、设置迭代次数以及学习率，重复步骤A3，直至达到设置的迭代次数；否则根据误差对参数进行调整。
更进一步地，步骤A1具体包括以下分步骤：
A11、LoRa终端分别按照从最低发送速率到实际的最大发送速率发送数据给LoRa服务器；
A12、LoRa服务器端解析出各发送速率对应的信号强度与信噪比；
A13、在保证正常通信的情况下不断移动LoRa终端，记录每次移动LoRa终端后LoRa服务器解析出的信号强度与信噪比，以及对应的发送速率；
A14、将根据步骤A13获得的若干组信号强度、信噪比作为神经网络的输入训练集数据。
进一步地，步骤A3所述计算步骤A2得到的输出结果与实际结果之间的误差，具体为采用代价函数进行计算。
进一步地，步骤A4所述参数包括：
其中，表示第l-1层的第k个神经元连接到第l层的第j个神经元的权重；表示第L层的第j个神经元的偏置。
本发明的有益效果：本发明的基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，利用神经网络的高效的分类功能，在LoRa服务器端通神经网络预测能够确保正常通信的最大速率，LoRa服务器将该最大速率告知LoRa终端，从而提高LoRa终端的发送速率减少LoRa终端窗口的打开时间，降低LoRa终端的功耗；并且可以降低LoRa终端的重传次数，实现低功耗，提高寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的方案流程图；
图2为本发明实施例提供的LoRa中神经网络模型示意图；
图3为本发明实施例提供的使用节能机制和未使用节能机制能量消耗对比图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明实施例以目前终端采用LoRa协议规定的DR0到DR5这六种速率发送为例进行说明。其中DR0<DR1<DR2<DR3<DR4<DR5。如表1所示对终端的功耗测试通过功耗测试仪器Power Monitor进行测试；通过Power Monitor的电源输出接口对LoRa终端输出3V直流电源；Power Monitor通过串口连接PC机，通过客户端软件PowerTool可以对电源进行控制，并读取实时工作电流。可以看出发送速率越大，发送时间越短，从而发送功率越小，即越节能。
表1终端的平均发送电流、发送功率及发送时间
数据速率 DR0 DR1 DR2 DR3 DR4 DR5
发送电流(mA) 88.15 86.62 80.02 74.38 67.46 55.72
发送功率(mW) 264.45 259.86 240.02 223.14 202.38 167.16
发送时间(ms) 1205 713 384 213 141 93
如图1所示为本发明的方案流程图，本发明的技术方案为：基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，初始状态下LoRa终端以最低速率发送数据；LoRa服务器接收到LoRa终端的数据后，解析出信号强度和信噪比；通过将信号强度与信噪比输入神经网络，在保证正常通信的情况下，神经网络输出预测的最大发送速率；LoRa服务器将该最大发送速率告知LoRa终端；LoRa终端收到LoRa服务器的告知信息后，以该最大速率发送数据。
如图2所示为神经网络模型示意图，本申请实施例搭建一个2*3*6的全连接的神经网络(设计一个隐藏层)的输入参数是RSSI、SNR，输出是DR0-DR5这6种不同梯度的速率。激活函数为sigmoid，如图2所示包括：输入层，隐藏层和输出层。本申请采用反向传播算法(backPropagation)来训练神经网络，设定学习率为0.0001，迭代次数为1000*10000。具体训练过程如下：
A1、进行数据源准备：
LoRa终端分别按照从最低发送速率DR0到最大发送速率DR5发送数据给LoRa服务器；
LoRa服务器端解析出各发送速率对应的信号强度(RSSI)与信噪比(SNR)；
在保证正常通信的情况下不断移动LoRa终端，记录每次移动LoRa终端后LoRa服务器解析出的信号强度与信噪比，以及对应的发送速率DR；
将获得的若干组信号强度、信噪比作为神经网络的输入训练集数据。
A2、前向传播，具体为：将训练集输入到神经网络的输入层，经过隐藏层，到达输出层并输出结果；对训练集中的每个样本X，设置输入层对应的激活函数为tanh，记为σ。
前向传播：zl＝wlal-1+bl,al＝σ(zl)
其中，zl是第l-1层输出向量；wl是第l-1层输入权重矩阵；al是zl经过激活函数的结果；bl是第l层偏置值向量。
A3、反向传播，具体为：计算步骤A2得到的输出结果与实际结果之间的误差，将误差从输出层向隐藏层反向传播，直至传播到输入层；本申请中采用二次代价函数(Quadratic cost function)来计算神经网络输出值与实际值之间的误差C：
其中，x表示输入样本集X中的样本，y表示实际的分类，aL表示预测的输出，L表示伸进网络的最大层数；
首先将第l层的第j个神经元种产生的误差定义为：
其中，是zl输出向量的第j个元素；
其次由后往前，计算每一层神经网络产生的误差：
δl＝((wl+1)Tδl+1)⊙σ′(zl)
然后计算权重梯度：
最后计算偏置梯度：
其中，表示al-1向量第k个元素，是bl向量第j个元素。
A4、设置迭代次数以及学习率，重复步骤A3，直至收敛；否则根据误差对参数进行调整。本实施例中设定学习率为0.0001，迭代次数为1000*10000；当完成1000*10000次迭代后，神经网络的输出值与实际值的误差小于ε，达到了收敛标准；此时便得到了经训练的神经网络。
ε为设定的小于0.01的正数；本领域的技术人员应注意：在具体实施时也可以通过在当前迭代得到的误差小于ε时，停止迭代，来得到经训练的神经网络。
参数调整具体为：使用梯度下降，训练参数：
本实施例中DR0-DR5每组有200条数据，分别是SNR和RSSI对应相应的最大速率(保证终端能够连接服务器)。随机打乱这1200条数据，选取其中200条数据用作训练，1000条数据用来测试。通过softMax的方法来验证预测的准确性，其中学习率为0.0001。准确率可以达到99.5％。即通过本申请的方法服务器能够在不同SNR(信噪比)、RSSI(信号强度)的情况下预测最大速率的准确率是99.5％。
如图3所示为使用节能机制和未使用节能机制能量消耗对比图，其中横坐标是发送数据包个数，纵坐标是能耗，虚线表示使用神经网络算法预测最大速率后以最大速率发送终端的能耗随时间变化。而实线是未使用任何策略终端能耗随时间变化图。可见本发明使用神经网络算法来预测最大发送速率能够节约终端电池电量。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，其特征在于，初始状态下LoRa终端以最低速率发送数据；LoRa服务器接收到LoRa终端的数据后，解析出信号强度和信噪比；通过将信号强度与信噪比输入神经网络，在保证正常通信的情况下，神经网络输出预测的最大发送速率；LoRa服务器将该最大发送速率告知LoRa终端；LoRa终端收到LoRa服务器的告知信息后，以该最大速率发送数据；
所述神经网络结构包括：输入层、隐藏层以及输出层；所述输入层至少包括：信号强度以及信噪比；所述隐藏层；所述输出层为各发送速率；
所述神经网络采用反向传播算法进行训练；所述反向传播算法包括：
A1、获取训练集；
A2、前向传播，具体为：将训练集输入到神经网络的输入层，经过隐藏层，到达输出层并输出结果；
A3、反向传播，具体为：计算步骤A2得到的输出结果与实际结果之间的误差，将误差从输出层向隐藏层反向传播，直至传播到输入层；
A4、设置迭代次数以及学习率，重复步骤A3，直至达到设置的迭代次数；否则根据误差对参数进行调整。
2.根据权利要求1所述的基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，其特征在于，步骤A1具体包括以下分步骤：
A11、LoRa终端分别按照从最低发送速率到实际的最大发送速率发送数据给LoRa服务器；
A12、LoRa服务器解析出各发送速率对应的信号强度与信噪比；
A13、在保证正常通信的情况下不断移动LoRa终端，记录每次移动LoRa终端后服务器解析出的信号强度与信噪比，以及对应的发送速率；
A14、将根据步骤A13获得的若干组信号强度、信噪比作为神经网络的输入训练集数据。
3.根据权利要求1所述的基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，其特征在于，步骤A3所述计算步骤A2得到的输出结果与实际结果之间的误差，具体为采用代价函数进行计算。
4.根据权利要求1所述的基于神经网络的LoRa终端最大发送速率动态预测方法，其特征在于，步骤A4所述参数包括：
其中，表示第l-1层的第k个神经元连接到第l层的第j个神经元的权重；表示第l层的第j个神经元的偏置，l表示神经网络中的第l层。
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