CN108419217A - 应用于生态监测的lsn通信基站通信速率自适应调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，包括应用系统，所述应用系统包括部署于各类监测设备内部的LSN通信模块、LSN通信基站和远程管理服务器，所述LSN通信模块包括MCU处理器、LSN收发单元、通信接口和电源管理模块；所述LSN通信基站负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳信息，以及LSN系统的网络服务器、应用服务器和用户服务器下发的控制命令、广播信息和应答信息功能；本发明根据LSN网络低功耗、广覆盖等特点，并根据生态监测的高可靠性等要求，采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，实现高效率的信道跳频通信，以及LSN通信速率调整。

Description

应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法

技术领域

本发明属于生态监测技术领域，具体涉及应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法。

背景技术

生态监测已成为当前环境科学研究的热点和国家规划，20世纪90年代初以来，一些国家便开始实施全国范围的生态监测规划。以美国为例，监测研究已被美国国家研究署列入环境研究与发展的优先问题，美国国家环保总局制定的环境监测与评估计划明确表示国家环境保护工作必须切实维持或提高环境质量。

通过全方位的监管生态等环境要素，充分提供大量科学、环保和准确的决策和环境管理，监测和及时的信息功能的业务流程系统的监控和及时的信息发布系统，环境质量评估系统，环境监测和预警系统，充分体现地位和环境质量的趋势，各类突发环境事件的准确预警。并为改善环境质量，防范环境风险提供有效的技术支持。

生态监测包括宏观生态监测和微观生态监测。宏观生态监测以原有的自然本底图和专业图件为基础,通过遥感技术和生态图技术,将所得的空间几何信息以图件的形式表达。宏观生态监测最常用的监测手段是区域生态调查与生态统计法,但最有效的方法是应用遥感技术,建立地理信息系统。微观生态监测的对象是某一特定类型环境的自然环境、结构和功能及其在人类活动影响下的变化,主要是监测环境的基本结构和功能、人类特定社会经济活动对环境的影响、生态平衡恢复过程、环境污染等。微观生态监测以物理、化学或生物学的方法获取湿地生态系统的属性信息。

目前常用的宏观生态监测方法有：遥感技术和无人机技术。遥感技术可以从宏观上观测空气、土壤、植被和水质状况,也可以实时快速跟踪和监测突发环境污染事件的发展,为及时制定正确的处理措施提供科学依据。无人机作为一项空间数据获取的新手段,具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、分辨率髙、机动灵活等优点,可作为航空、航天遥感的有力补充,能够提高污染物排放量和生态环境状况核定的精度,是对常规环境监测、突发环境污染灾害应急监测的重要补充手段。

微观生态监测方法一般采用各类生态监测设备实现对气象、水文、土壤、动植物等生态环境的实时状态监测。目前的生态监测设备，一般都具有GPRS通信接口(专门用于基站的串行端口)用于基站与数据服务器之间通过TCP/IP协议进行通信。GPRS模块与传感器节点之间则是通过使用AT命令的串行端口进行通信。该接口也有独立的电源管理模块。

微观生态监测设备网络，最近采用的进距离传感网络方法（Zigbee监测网络），其过程包括：首先进行各类微观信息收集；然后将信息上传，再通过无线网关接入或联网，将无线网关获得的数据利用互联网保存至服务器；最后进入数据管理与分析系统，实现远程数据获取和数据管理，任何时候、任何地点都能够通过web浏览器观察并分析实时数据；当监测数据超过正常水平时，实现报警。

微观生态监测设备种类多样，通信速率差异较大，目前常用的Zigbee传感网络、以及类似于NB-IoT的广域网络中，通信终端与基站间的通信速率都是固定的，不适于单一通信基站对多种通信类型的监测设备的管理，不利于生态监测系统的终端管理容量和终端能耗的性能提高，而且系统成本也会增加。

本解决方案就是针对以上问题，开发基于LSN通信基站的终端通信速率自适应调节方法，该方法根据通信环境的条件自动调节终端通信速率，可有效提高通信终端的通信效率，并降低终端能耗；同时，还可有效降低基站管理终端间的通信碰撞概率，大大提高单基站通信管理容量，降低LSN通信系统的应用成本。

目前市场产品中与本方法接近的生态监测网络和通讯方法，一般是采用Zigbee+GPRS的通信网络结构，各监测设备采集的信息，通过Zigbee无线通信网络直接传输或多跳传输到中继节点，最后传输到汇聚基站设备；基站设备通过GPRS/3Gl连接到公网，最后到远程管理平台。在远程管理平台远程实现信息展示、数据综合分析和决策判断等功能。

NB-IoT通信网络以及其通信基站，是与现有移动通信网络和基站重合复用的。基站与终端通信速率固定，适用于有移动通信覆盖条件的领域应用。

生态传感监测网中的节点的位置是按照生态监测的要求部署在野外的,环境比较恶劣且远离监管的地方,一般采用的Zigbee+GPRS监测网络，通过Zigbee的多跳网络，将信号传输到有移动通信覆盖区域的中继节点，然后通过公网上传监测点数据。这种方式的缺点是：Zigbee多跳网络在实际应用中由于受中继节点硬件可靠性、通信条件、能耗管理、路由协议等影响，网络节点规模大导致网络结构复杂、跳数多、能见度差,传感网的各节点的连接状态及它们之间的交互行为受多种因素影响,且很难控制。Zigbee自组网结构，由于网络节点能力低和跳数多，而导致监测系统稳定性和可靠性很低，应用效果较差。

NB-IoT网络则在没有GPRS、3G、4G等移动通信信号的领域无法应用，而且其通信速率固定，无法适应多种类型生态监测设备对通信速率的多样化要求。

综上，现有的监测网络技术缺点是：在野外生态监测应用中，容易受移动信号覆盖限制；采用的近距离传感网络采用的多跳组网技术，应用可靠性、稳定性很差；并具有系统故障监测实时性差、效率低等明显的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，包括应用系统，所述应用系统包括部署于各类监测设备内部的LSN通信模块、LSN通信基站和远程管理服务器，所述LSN通信模块包括MCU处理器、LSN收发单元、通信接口和电源管理模块；所述LSN通信基站负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳信息，以及LSN系统的网络服务器、应用服务器和用户服务器下发的控制命令、广播信息和应答信息功能，所述LSN通信基站总体结构包括硬件部分和软件部分，所述LSN通信基站实现大容量的终端管理，并具有ADR通信速率调节，多信道通信管理功能；所述远程管理服务器包括网络服务器、网络控制器、应用服务器和用户服务器，具有对不同用户的信息转发，命令控制、设备管理等功能。

优选的，所述LSN通信基站硬件部分主要包括：用于实现各种控制和预处理计算功能的MCU、实现无线数据收发的RF模块，针对应用的传感器，以及以上各部分间的接口和电源管理单元。

优选的，所述LSN通信基站软件部分主要包括：RF模块的HAL层解析，LSN MAC层解析，传感器的应用控制软件。

优选的，所述ADR通信速率调节功能包括：采用结合能量检测和载波检测算法的改进型空闲信道评估算法，实现高效率的信道跳频通信；采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，作为LSN通信速率调整的依据；在LSN协议中，根据通信链路质量，通过调整扩频因子，实现通信速率的调整。

优选的，所述LSN通信基站采用Chirp扩频技术和FH-OFDM通信技术，以实现生态监测网络所需的长距离、低功耗和大容量终端管理功能。

优选的，所述改进型空闲信道评估算法中，采用恒虚警概率方法进行空闲信道检测，恒虚警概率检测为在不同的信道条件下，进行CCA检测时，将虚警概率固定，得到不同信道条件下的检测门限值，然后再进行检测。

优选的，所述通信链路评估根据LSN通信网络特点，对RSSI和SNR进行综合考虑，采用RSSI+SNR来对链路进行综合评估，并实现终端通信速率调整。

优选的，所述通信终端调节方法是根据通信终端上发的RSSI和SNR，通过调节扩频因子实现终端通信速率的自适应调节。

本发明提供的应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，本发明根据LSN网络低功耗、广覆盖等特点，并根据生态监测的高可靠性等要求，采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，实现高效率的信道跳频通信，以及LSN通信速率调整。本发明可在无移动信号覆盖的野外生态监测环境下，实现监测设备低功耗、长距离信号传输，并可根据信号传输条件灵活调整通信速率，满足生态监测信息种类多样化的要求。

本发明针对现有生态监测系统的易受移动通信网络限制、传感网络多跳组网可靠性差等现状，在监测系统网络结构、长距离传感通信方式和通讯方法等方面进行创新改进，以提高生态监测系统的野外适应性、可靠性和准确率，实现对生态环境的全方位在线监测和预警处理。

LSN监测网络采用星形拓扑结构降低基础设施建设成本。一个网状拓扑的网络会增加维持网络所需的设备数量，而且在大多数情况下，这些设备耗电量很大。所以LSN网络采用星形拓扑，不需要Mesh网络设备或中继器设备。同时为了支持超过连接范围外的稀疏分散设备或维护在野外生态恶劣环境中的设备，本发明可在控制器和节点设备之间选择LSN节点中继器来维持连接，而不需要重新配置整个LSN网络。

附图说明

图1为本发明的系统监测网络结构系统示意图；

图2为本发明软件部分结构示意图；

图3为本发明改进CCA算法流程结构示意图；

图4为本发明速率调节流程结构示意图；

图5为本发明SNR、RSSI、SF对应关系结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，

实施例如下：

一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，包括应用系统，所述应用系统包括部署于各类监测设备内部的LSN通信模块、LSN通信基站和远程管理服务器，所述LSN通信模块包括MCU处理器、LSN收发单元、通信接口和电源管理模块；所述LSN通信基站负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳信息，以及LSN系统的网络服务器（NS）、应用服务器（AS）和用户服务器（CS）下发的控制命令、广播信息和应答信息功能，所述LSN通信基站总体结构包括硬件部分和软件部分，所述LSN通信基站实现大容量的终端管理，并具有ADR通信速率调节，多信道通信管理功能；所述远程管理服务器包括网络服务器、网络控制器、应用服务器和用户服务器，具有对不同用户的信息转发，命令控制、设备管理等功能。

所述LSN通信基站硬件部分主要包括：用于实现各种控制和预处理计算功能的MCU、实现无线数据收发的RF模块，针对应用的传感器，以及以上各部分间的接口和电源管理单元。

所述LSN通信基站软件部分主要包括：RF模块的HAL层解析，LSN MAC层解析，传感器的应用控制软件。

所述ADR通信速率调节功能包括：采用结合能量检测和载波检测算法的改进型空闲信道评估算法，实现高效率的信道跳频通信；采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，作为LSN通信速率调整的依据；在LSN协议中，根据通信链路质量，通过调整扩频因子，实现通信速率的调整。

所述LSN通信基站采用Chirp扩频技术和FH-OFDM通信技术，以实现生态监测网络所需的长距离、低功耗和大容量终端管理功能。

所述改进型空闲信道评估算法中，采用恒虚警概率方法进行空闲信道检测，恒虚警概率检测为在不同的信道条件下，进行CCA检测时，将虚警概率固定，得到不同信道条件下的检测门限值，然后再进行检测。

所述通信链路评估根据LSN通信网络特点，对RSSI和SNR进行综合考虑，采用RSSI+SNR来对链路进行综合评估，并实现终端通信速率调整。

所述通信终端调节方法是根据通信终端上发的RSSI和SNR，通过调节扩频因子实现终端通信速率的自适应调节。

监测网络结构

LSN监测网络包括：LSN终端、LSN网关（无线通信基站）和LSN系统服务器。LSN终端与LSN网关采用星型网络结构，终端与基站间采用LSN通信技术。LSN长距离通信技术以低功耗和长距通信为特点，监测网络可以较少的网关布设密度，实现终端大容量、广域无线通信覆盖。

LSN终端采用超低功耗设计，小型尺寸，便与集成到各类生态监测传感器，又因为低功耗特点，可以采用电池供电，支持监测设备长寿命运行。无线通信网关采用超高接收灵敏度设计，极大的增加了监听覆盖域。LSN系统服务器具有网络管理、应用服务和用户服务几部分，可实现数据过滤、存储、分发等维护功能，传递给不同的应用平台。

LSN通信基站

LSN基站（Gateway）负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳等信息，以及LSN系统的网络服务器（NS）、应用服务器（AS）和用户服务器（CS）等下发的控制命令、广播信息和应答信息等功能，基站设备需要与公网连接，一般有电源供电，设计时主要考虑设备防护性能和成本方面的要求。

LSN基站总体结构包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括：MCU（用于实现各种控制和预处理计算功能），RF模块（实现无线数据收发），针对应用的传感器，以及以上各部分间的接口和电源管理单元等。软件部分包括：RF模块的HAL层解析，LSNMAC层解析，传感器的应用控制软件等。

LSN系统中网关/基站采用UDP/TCP方式发送数据到服务器端，各服务器之间则采用TCP方式实现数据可靠传输。LSN远程管理平台完成LSN系统中网络服务器、应用服务器、网络控制器和用户服务器的各种功能，实现对LSN基站和终端设备的各种管理。

LSN 基站根据应用需求，可选取不同的嵌入式操作系统。如果基站采用有源供电，操作系统采用embed Linux，如果是环境取能+蓄电池供电，选取Contiki或FreeRTos作为操作系统。

软件实现功能包括：

1.根据基站硬件系统组成，实现对外围电路器件的硬件驱动功能；

2.在系统功能方面，实现系统的时钟、延迟、模数转换、寄存器和存储管理等功能，spi,I2C等端口管理，以及系统安全管理等功能；

3.在网络通信管理方面，基站北向通信采用GWMP/UDP/IP等网络协议，基站南向通信采用LSN低功耗通信协议，并实现终端与服务器之间的数据推送；

4.在应用接口和用户接口方面，根据不同应用场合的功能需求，实现前端数据采集控制、数据预处理、报警管理等功能。

通信速率自适应调节方法：

本方案根据LSN网络低功耗、广覆盖，并考虑生态监测的高可靠性等要求，采用结合能量检测和载波检测算法的改进型空闲信道评估算法，实现高效率的信道跳频通信；采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，作为LSN通信速率调整的依据；在LSN协议中，根据通信链路质量，通过调整扩频因子，实现通信速率的调整。

改进型空闲信道评估（Clear Channel Assessment）算法

适用于LSN网络的CCA算法，要充分考虑节约功耗，并且可靠性高，这两点对于系统的稳定性、可用性非常重要。

改进型CCA检测算法的核心思想为：在信道条件好的情况下，使用能量检测算法保证低功耗；在信道条件差的情况下，能量检测的可靠性低，则触发载波检测算法保证检测性能。这种算法结合了能量检测和载波检测两种算法的优点，不仅检测性能高，而且比载波检测更加省电，LSN终端设备可以进入睡眠模式，等待需要发送数据时再唤醒。

此算法根据能量检测、载波检测在不同的SNR下的检测概率理论值可以看出，对于能量检测算法，当只设置的很小时，能量检测算法在SNR很低(SNR<-20dB)的情况下只很小(Pd<0.4)，无法正常工作；而在SNR比较大(SNR>-15dB)的情况下，检测概率很高(Pd>0.9)。也就是说，当Pf很小时，能量检测在信道质量好时，几乎能判断出信道被占用的所有情况，而在信道质量不好时，几乎不能检测出信道被占用。

利用上述结论，将能量检测作为初始检测方法，载波检测通过能量检测的检测结果进行触发。通过能量检测来判断信道的质量：将能量检测的虚警概率设为一个比较小的值，使得能量检测的门限值很高，如果能够正常进行检测，则认为信道质量好，不触发后端的载波检测；如果不能检测出信道被占用，则认为信道质量不好，触发后端的载波检测进行信道空闲检测。这样就能够根据信道的实际情况来判断是否触发载波检测。特别是当信道质量较好时，几乎不会触发载波检测，非常节省能量。

在CCA算法中，多采用恒虚警概率方法进行空闲信道检测。恒虚警概率检测(CFAR：Constant FalseAlarm Rate)为在不同的信道条件下，进行CCA检测时，将虚警概率固定，得到不同信道条件下的检测门限值，然后再进行检测。

LSN通信链路质量评估

LSN通信链路质量评估采用硬件与软件结合的评估算法。基于硬件的链路质量评估方法主要以接收信号强度指示(RSSI：Received Signal Strength Indication)、和信噪比(SNR：SignaltoNoise Ratio)这两项指标作为评价链路质量的依据。相较于基于软件的评估方法而言，依靠硬件提供的指标完成链路质量评估开销少，对链路质量改变反应迅速，所以在无线传感器网络中被广泛使用。

首先,将通信链路质量划分为三个区域:当（接收数据包成功率）Prr>0.9时,两节点所处的区域定义为连接区(connected region ,CR),这表明链路通信质量好;当Prr<0.1时,节点所处的区域定义为非连接区(disconnected region, DR),表明链路质量差,基本上不能通信;当处于0.1~0.9时,节点所处的区域定义为过渡区(transitional region,TR),此时的链路质量时好时坏,极不稳定。

本方案根据LSN通信网络特点，对RSSI和SNR进行综合考虑，采用RSSI+SNR来对链路进行综合评估，并实现终端通信速率调整。

通信速率调整方法

本方案采用Chirp 扩频技术（CSS）和FH-OFDM通信技术，以实现生态监测网络所需的长距离、低功耗和大容量终端管理功能。系统通信速率（Rb）是由通信带宽（BW）、扩频因子（SF）和编码速率（CR）决定，具体公式为：Rb=SF×（BW／2^SF）×CR。

在系统设置中，通信带宽BW和编码速率已经设定，所以本方案根据通信终端上发的RSSI和SNR，通过调节扩频因子实现终端通信速率的自适应调节。速率调节基本思想是，首先基站根据终端发送10个数据的SNR平均值，调整SF值以改变通信速率；通信速率改变后，查看数据的RSSI值是否在表一所示的SNR对应范围内，如在对应范围内，确认本次速率调整有效。若不在该范围内，本次速率调整无效，恢复原来的SF值。

综上所述，与现有技术相比，本发明根据LSN网络低功耗、广覆盖等特点，并根据生态监测的高可靠性等要求，采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，实现高效率的信道跳频通信，以及LSN通信速率调整。本发明可在无移动信号覆盖的野外生态监测环境下，实现监测设备低功耗、长距离信号传输，并可根据信号传输条件灵活调整通信速率，满足生态监测信息种类多样化的要求。

本发明针对现有生态监测系统的易受移动通信网络限制、传感网络多跳组网可靠性差等现状，在监测系统网络结构、长距离传感通信方式和通讯方法等方面进行创新改进，以提高生态监测系统的野外适应性、可靠性和准确率，实现对生态环境的全方位在线监测和预警处理。

LSN监测网络采用星形拓扑结构降低基础设施建设成本。一个网状拓扑的网络会增加维持网络所需的设备数量，而且在大多数情况下，这些设备耗电量很大。所以LSN网络采用星形拓扑，不需要Mesh网络设备或中继器设备。同时为了支持超过连接范围外的稀疏分散设备或维护在野外生态恶劣环境中的设备，本发明可在控制器和节点设备之间选择LSN节点中继器来维持连接，而不需要重新配置整个LSN网络。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，包括应用系统，所述应用系统包括部署于各类监测设备内部的LSN通信模块、LSN通信基站和远程管理服务器，其特征在于：所述LSN通信模块包括MCU处理器、LSN收发单元、通信接口和电源管理模块；所述LSN通信基站负责实现终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳信息，以及LSN系统的网络服务器、应用服务器和用户服务器下发的控制命令、广播信息和应答信息功能，所述LSN通信基站总体结构包括硬件部分和软件部分，所述LSN通信基站实现大容量的终端管理，并具有ADR通信速率调节，多信道通信管理功能；所述远程管理服务器包括网络服务器、网络控制器、应用服务器和用户服务器，具有对不同用户的信息转发，命令控制、设备管理等功能。

2.根据权利1所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述LSN通信基站硬件部分主要包括：用于实现各种控制和预处理计算功能的MCU、实现无线数据收发的RF模块，针对应用的传感器，以及以上各部分间的接口和电源管理单元。

3.根据权利1所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述LSN通信基站软件部分主要包括：RF模块的HAL层解析，LSN MAC层解析，传感器的应用控制软件。

4.根据权利1所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述ADR通信速率调节功能包括：采用结合能量检测和载波检测算法的改进型空闲信道评估算法，实现高效率的信道跳频通信；采用硬件与软件结合的方式，实现对链路质量的准确估算，作为LSN通信速率调整的依据；在LSN协议中，根据通信链路质量，通过调整扩频因子，实现通信速率的调整。

5.根据权利1所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述LSN通信基站采用Chirp扩频技术和FH-OFDM通信技术，以实现生态监测网络所需的长距离、低功耗和大容量终端管理功能。

6.根据权利4所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述改进型空闲信道评估算法中，采用恒虚警概率方法进行空闲信道检测，恒虚警概率检测为在不同的信道条件下，进行CCA检测时，将虚警概率固定，得到不同信道条件下的检测门限值，然后再进行检测。

7.根据权利4所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述通信链路评估根据LSN通信网络特点，对RSSI和SNR进行综合考虑，采用RSSI+SNR来对链路进行综合评估，并实现终端通信速率调整。

8.根据权利4所要求的一种应用于生态监测的LSN通信基站通信速率自适应调节方法，其特征在于：所述通信终端调节方法是根据通信终端上发的RSSI和SNR，通过调节扩频因子实现终端通信速率的自适应调节。