CN110267282B - 一种实现LoRa网络最优吞吐量公平性的方法 - Google Patents

Abstract

一种实现LoRa网络最优吞吐量公平性的方法，涉及低功耗广域网。通过控制发射功率、Duty Cycle以及扩频因子SF的分配距离三个变量来逐步迭代缩小相邻SF吞吐量的差值来实现最优吞吐量的公平性。首先，通过功率控制实现到达网关的接收功率相同；其次，在范围内调节Duty Cycle找到各个扩频因子内部吞吐量最优；最后，调节SF的分配距离来实现吞吐量差值最小化，实现网络整体的公平性。首次联合考虑发射功率、Duty Cycle以及扩频因子SF三个变量对吞吐量的影响。既找到了最优吞吐量，又实现了不同用户之间的吞吐量公平性，解决远近效应的问题。

Description

一种实现LoRa网络最优吞吐量公平性的方法

技术领域

本发明涉及低功耗广域网，尤其是涉及一种实现LoRa网络最优吞吐量公平性的方法。

背景技术

LoRa是低功耗广域网中的代表性技术，它工作在非授权频带，能够低成本地实现低功耗长距离传输，尤其适合较长时间内低数据量需求的场景。LoRa的物理层采用ChirpSpread Spectrum(CSS)调制技术来实现长距离传输，每个扩频因子SF的性能不一样，SF小的传输距离近但速率高，SF大的传输距离远但速率低，并且不同SF之间相互正交，能够同时传输互不干扰。LoRa的MAC层采用类似ALOHA的LoRaWAN协议，无需同步和载波侦听，终端可以在满足Duty Cycle机制的条件下在任意时刻发起上行消息。

尽管在低Duty Cycle情况下，但由于LoRa的长距离覆盖，在用户密度高的时候势必造成严重的冲突，尤其是路径损耗大的边缘用户，远近效应带来的公平性问题日益突出，甚至会成为网络整体性能的瓶颈。至今为止，如何有效地解决这一问题，实现网络资源的公平分配仍然存在挑战。

发明内容

本发明的目的在于现有技术中存在的上述问题，提供能够实现不管用户在什么位置，使用哪一个扩频因子SF，都能得到较好吞吐量的一种实现LoRa网络最优吞吐量公平性的方法。本发明联合调节三变量，即发射功率、占空比(Duty Cycle)以及扩频因子SF分配距离的方法，实现了最优吞吐量的公平性。

本发明包括以下步骤：

1)进行功率控制，对用户的发射功率进行修改，距离网关远的提高发射功率，距离网关近的降低发射功率，使得所有用户到达网关的接收功率相等，从而消除距离对信号强度造成的干扰；

2)初始化LoRa参数矩阵，给每个扩频因子SF初始化分配的距离，同时初始化占空比Duty Cycle，吞吐量差值门限值threshold；

3)吞吐量随占空比Duty Cycle的变大而先变大后减小，根据吞吐量计算公式可以得到使得各个扩频因子SF内部吞吐量最优的Duty Cycle值，记录该Duty Cycle值以及对应的吞吐量值然后更新参数矩阵；

在步骤3)中，所述吞吐量计算公式为：

其中，θ表示吞吐量，Δ_s表示扩频因子SF＝s时的Duty Cycle，

η_s为SNR门限值，γ_s为SIR门限值，R_s为SF＝s时的速率，σ²为噪声功率，由于瑞利衰落的系数服从指数分布，设指数分布的均值为μ，Q_s为到达网关的接收功率，A_s为SF＝s时的面积；

所述使得各个扩频因子SF内部吞吐量最优的Duty Cycle值的计算公式如下：

4)根据步骤3)更新的参数矩阵计算相邻扩频因子SF的平均吞吐量差值放入Gap数组，Gap＝{Gap₁,Gap₂,Gap₃,Gap₄,Gap₅}，并寻找最大的Gap值Gap_max；

5)得到Gap_max对应的索引id，调节索引id对应SF_id的覆盖范围RC_id，使得SF_id的吞吐量和SF_id+1的吞吐量差值最小，记录此时的平均吞吐量值并更新参数矩阵以及Gap数组，寻找此时的最大差值Gap_max；

6)检查最大差值Gap_max是否大于门限值threshold，若大于则返回步骤2)，若小于则结束。

本发明通过控制发射功率、Duty Cycle以及扩频因子SF的分配距离三个变量来逐步迭代缩小相邻SF吞吐量的差值来实现最优吞吐量的公平性。首先，通过功率控制实现到达网关的接收功率相同；其次，在范围内调节Duty Cycle找到各个扩频因子内部吞吐量最优；最后，调节SF的分配距离来实现吞吐量差值最小化，实现网络整体的公平性。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

1、本发明首次联合考虑发射功率、Duty Cycle以及扩频因子SF三个变量对吞吐量的影响。

2、本发明既找到了最优吞吐量，又实现了不同用户之间的吞吐量公平性，解决远近效应的问题。

附图说明

图1为LoRa的SF分布系统模型图。

图2为本发明实施例的流程图。

图3为本发明实施例的效果对比图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例包括以下步骤：

(1)系统模型的建立：

在给定区域内，利用单网关进行覆盖，该区域的用户位置事先知道，但不知道某时刻会有多少用户发送数据；观察一段时间(如：一天)该区域的用户数据量，统计各个时间段发送数据的用户量，可以估计得到该区域的用户到达率(记为λ)。

将LoRa单网关覆盖区域抽象为网关位于圆心的圆形模型如图1，每个扩频因子SF＝{7,8,9,10,11,12}，在圆内覆盖的距离记为RC＝{rc₇,rc₈,rc₉,rc₁₀,rc₁₁,rc₁₂}，各自的Duty Cycle记为{DC₇,DC₈,DC₉,DC₁₀,DC₁₁,DC₁₂}

(2)实现目标：

本发明为了实现给定区域内的系统吞吐量最大化-最小化；最大化每个扩频因子SF范围内部的吞吐量；最小化各个扩频因子SF之间的吞吐量差值，使得整个区域内无论用户处在什么位置，使用哪一个扩频因子SF的吞吐量都相等，实现公平性。

(3)实现过程：

为实现步骤(2)中的目标，本实施例主要通过控制三个变量，发射功率P(s,r)，Duty CycleΔ_s和SF的覆盖距离RC。

A)实现功率控制：

通过功率控制公式

对用户的发射功率进行修改，距离远的提高发射功率，距离近的降低发射功率，使得所有用户到达网关的接收功率相等，从而消除距离对信号强度造成的干扰。其中，

为SF＝s时的边缘点的发射功率，H_G为网关高度，r为用户到网关的距离，r_s为SF＝s时的最远覆盖距离，n为路径衰减指数。

B)实现最大化-最小化：

根据公式：

其中，

η_s为SNR门限值，γ_s为SIR门限值，R_s为SF＝s时的速率，σ²为噪声功率，由于瑞利衰落的系数服从指数分布，设指数分布的均值为μ，Q_s为到达网关的接收功率，A_s为SF＝s时的面积，为实现最优吞吐量的公平性提供了一种联合调节三变量，发射功率、Duty Cycle以及SF分配距离的方法，发射功率主要通过功率控制来实现，另外两个变量Duty Cycle以及SF分配距离的调节具体步骤如下(参见图2)：

首先，初始化LoRa参数矩阵，给每个SF初始化分配的距离，以及初始化DutyCycle,吞吐量差值门限值threshold；

第二，由于公式中的吞吐量会随Duty Cycle的变大而先变大后减小，因此我们可以找到使得各个SF内部吞吐量最优的Duty Cycle值，根据公式：

Δ_max＝1％,记录该值以及对应的吞吐量值然后更新参数矩阵；

第三，根据第二步更新的参数矩阵计算相邻SF的平均吞吐量差值放入Gap数组，Gap＝{Gap₁,Gap₂,Gap₃,Gap₄,Gap₅}，并寻找最大的Gap值Gap，对Gap_max对应的两个SF进行第四步；

第四，得到Gap_max对应的索引id，调节id对应SF_id的覆盖范围RC_id，使得SF_id的吞吐量和RC_id的吞吐量差值最小，记录此时的平均吞吐量值并更新参数矩阵，以及Gap数组，并且找到此时的最大差值Gap_max；

第五，检查Gap_max是否大于门限值threshold，如果大于继续步骤二，如果小于则结束。

(4)结果分析：

在1km的范围内，将用户以固定发射功率14dBm,固定Duty Cycle＝1％，固定扩频因子范围按等面积分配的模型作为比较基准。从图3可以看出，每个SF范围内吞吐量会随距离的变大而衰减，特别是SF大的，由于距离网关较远，远近效应的公平性问题更加突出。

通过最大化最小化方法，对发射功率进行控制，Duty Cycle进行优化，SF的覆盖范围进行分配，能有效地最大化不同距离的吞吐量，最小化不同SF之间的吞吐量。达到不管用户在什么位置，使用哪一个扩频因子SF，都能得到较好吞吐量的目的。

Claims (1)

1.一种实现LoRa网络最优吞吐量公平性的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)进行功率控制，对用户的发射功率进行修改，距离网关远的提高发射功率，距离网关近的降低发射功率，使得所有用户到达网关的接收功率相等，从而消除距离对信号强度造成的干扰

2)初始化LoRa参数矩阵，给每个扩频因子SF初始化分配的距离，同时初始化占空比Duty Cycle，吞吐量差值门限值threshold；

3)吞吐量随占空比Duty Cycle的变大而先变大后减小，根据吞吐量计算公式可以得到使得各个扩频因子SF内部吞吐量最优的Duty Cycle值，记录该Duty Cycle值以及对应的吞吐量值然后更新参数矩阵；

所述吞吐量计算公式为：

其中，θ表示吞吐量，Δ_s表示扩频因子SF＝s时的Duty Cycle，λ表示用户到达率，

η_s为SNR门限值，γ_s为SIR门限值，R_s为SF＝s时的速率，σ²为噪声功率，由于瑞利衰落的系数服从指数分布，设指数分布的均值为μ，Q_s为到达网关的接收功率，A_s为SF＝s时的面积；

所述使得各个扩频因子SF内部吞吐量最优的Duty Cycle值的计算公式如下：

4)根据步骤3)更新的参数矩阵计算相邻扩频因子SF的平均吞吐量差值放入Gap数组，Gap＝{Gap₁,Gap₂,Gap₃,Gap₄,Gap₅}，并寻找最大的Gap值Gap_max；

5)得到Gap_max对应的索引id，调节索引id对应SF_id的覆盖范围RC_id，使得SF_id的吞吐量和SF_id+1的吞吐量差值最小，记录此时的平均吞吐量值并更新参数矩阵以及Gap数组，寻找此时的最大差值Gap_max；

6)检查最大差值Gap_max是否大于门限值threshold，若大于则返回步骤2)，若小于则结束。

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