CN110392384A - 基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法 - Google Patents

Abstract

基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，涉及物联网低功耗广域网的LoRa。1)根据初始化参数得到饱和占空比；2)判断终端实际上行是否成功，若成功，则上行计数加1；3)判断网关下行是否满足概率p；4)判断网关下行是否成功；5)根据实际系统仿真的结果，更新上行成功的概率P_sus与占空比，调节概率p得到想要的占空比要求；6)重复步骤1)～5)直至P_sus收敛至某一稳定值P_s'_us；7)若不考虑优先级，则步骤6)得到的概率p即为网关最终下行传输概率；若考虑优先级，则结合用户的优先级关系和用户数，获得来自不同优先级终端的数据，求出网关下行发送给各组用户的条件概率，即得各终端的网关最终下行传输概率。

Description

基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法

技术领域

本发明涉及物联网低功耗广域网的LoRa，尤其是涉及一种基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法。

背景技术

LoRa作为物联网低功耗广域网的代表性技术，近年来引起了各界的高度关注，在即将到来的万物互联时代也会起到相当大的作用。

LoRa的技术特色可分为两方面，其一，物理层采用Chirp扩频调制技术，带有6个不同的扩频因子SF(Spreading Factor)，扩频因子大的传输距离远，扩频因子小的速率高，以此来实现速率和距离的折衷；其二，MAC层采用基于ALOHA的LoRaWAN协议，终端有数据即发，没有就处于休眠状态，以此来实现低功耗。在LoRaWAN协议中规定了基于占空比(dutycycle)的传输机制，即终端或网关发送一次数据之后要等待一段时间之后才能进行下次发送。现存的文献中对占空比的研究大都集中于上行链路，而对网关到终端的下行占空比没有过多分析。

但是，网关下行占空比的实现在LoRa中同样重要，并且与上行占空比不同，下行占空比若过高，则会导致上、下行传输机会的公平性问题；另外，在多用户密集传输时，会造成冲突严重、吞吐量恶化的稳定性问题。而下行占空比若过低，则会造成频谱利用不充分，网关本可以传却不能传。

LoRaWAN网络的MAC层主要采用随机接入机制，其节点收发为时分半双工，即网关的下行需要在终端上行之后打开的两个接收窗口内进行，并且在网关下行传输时，不能接收终端的上行数据，这导致在多用户网络中，用户上行与网关下行产生随机的复杂耦合，难以实现网关特定的下行占空比的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在上行链路和下行链路复杂耦合关系等问题，提供能实现终端不同的下行优先级的一种基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法。

本发明包括以下步骤：

1)根据初始化参数得到饱和占空比；

在步骤1)中，所述根据初始化参数得到饱和占空比的具体方法可为：设置终端上行成功概率初始值为P_sus,网关发送概率p，产生一组随机数R表示所有用户下行的概率，若R＜P_sus·p，则表示网关成功接收到上行，并且进行下行传输；计算此时的占空比dutycycle＝upNum·P_sus·p·PacketTime/FrameTime，其中，upNum表示进行上行的数据包数目，PacketTime表示下行传输时间，FrameTime表示参考时间范围。

2)判断终端实际上行是否成功，若成功，则上行计数upSuccess加1；

在步骤2)中，所述判断终端实际上行是否成功的具体方法可为：由系统模型得到上行信道参数、具体苏醒用户的位置信息、上行起始时间；目标终端上行成功需要满足两个条件：

(1)目标终端的接收功率要能够抵抗自身的信道增益以及来自其他终端的干扰，即信噪比(SNR)值和信干比(SIR)值要大于门限值；

(2)由于网关的半双工通信，目标终端的上行时间不能出现在网关的下行阶段。

3)判断网关下行是否满足概率p；

在步骤3)中，所述判断网关下行是否满足概率p的具体方法可为：产生一个随机数r，若r<p,则表示网关下行满足概率p，可进行下行传输；满足步骤2)的终端具备下行条件，但实际能否下行，取决于是否满足概率p。

4)判断网关下行是否成功；

在步骤4)中，所述判断网关下行是否成功，若网关下行可抵抗自身的信道增益以及可能来自其他下行数据包的干扰，则认为网关下行成功。

5)根据实际系统仿真的结果，更新上行成功的概率P_sus与占空比，根据占空比公式调节概率p得到想要的占空比要求；

在步骤5)中，所述占空比公式为dutycycle＝upNum·P_sus·p·PacketTime/FrameTime。

6)重复步骤1)～5)直至P_sus收敛至某一稳定值P′_sus；

7)若不考虑优先级，则步骤6)得到的概率p即为网关最终的下行传输概率；若考虑优先级，则结合用户具体的优先级关系和用户数，获得来自不同优先级终端的数据后，求出网关下行发送给各组用户的条件概率，即得各终端的网关最终的下行传输概率。

本发明通过去耦合的方法，先假设上行成功率的初始值然后通过实际系统仿真找到终端上行成功率的实际值，去迭代更新初始值，并且根据网关实际要求的占空比更改条件概率p，最终可以得到网关下行概率的稳定值。与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

1、本发明利用去耦合的方法解决了网关上下行的复杂耦合问题，在此时之前没有文献对这一问题作出回答。

2、网关下行的特定占空比由于复杂耦合难以实现，但本发明能够满足网关下行特定的占空比要求。

3、本发明算法实施简单，适用于各种规模的物联网络，特别是大规模物联网。

4、本发明还能满足用户不同的优先级要求，根据优先级先后给定各自的网关下行概率，并且同时能够满足占空比的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的系统干扰模型图；

图2为本发明的上下行传输示意图；

图3为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步详细描述。

现有技术中存在上行链路和下行链路复杂耦合关系等问题，网关下行的前提是成功收到上行数据，并且当网关在进行下行传输时终端不能发起上行。为了解决这一问题，本发明提供能够实现网关特定下行占空比的方法，该方法基于上行成功为条件的传输概率p。

本发明实施例包括以下步骤：

1、系统模型的建立：

考虑单个网关单个扩频因子SF＝7即可覆盖的小范围区域(例如200m×200m)，假设用户随机分布在其中，每次苏醒的用户数服从均值为总用户数(N)一半的泊松分布，路径损耗指数n为3.5，网关高度为25m，发射功率采用14dBm。如图1给出了单个网关的下行数据包会受到的干扰情况。由于上行链路和下行链路的耦合关系如图2所示，并且网关下行是半双工通信。这里采用去耦合的方法，假设上行成功率初始值P_sus＝0.5,下行为饱和传输状态p＝1，即只要网关收到上行成功的数据包，就立即在终端的接收窗口发起下行，并且在第一个接收窗口即可以将数据发送完毕。

2、实现目标：

为了解决给定区域内网关成功收到上行数据包后该作怎样的下行决策，通过去耦合的方法，根据网关所要求的占空比，得到网关实际能够以多大的概率p进行下行传输。

3、具体实现过程：

通过实际的仿真找到终端上行成功率的实际值，去迭代更新初始值，并且根据网关实际要求的占空比更改p值，最终得到网关下行概率的稳定值。

如图3所示，本发明实施例具体实现过程如下：

第一，根据初始化参数得到饱和占空比。终端上行成功概率初始值为P_sus＝0.5,网关发送概率p＝1，产生一组随机数R表示所有用户下行的概率，若R＜P_sus·p，则表示网关成功接收到上行，并且进行下行传输。计算此时的占空比：

dutycycle＝upNum·P_sus·p·PacketTime/FrameTime

其中，upNum表示进行上行的数据包数目，表示下行传输时间，FrameTime表示参考时间范围；

第二，判断终端实际上行是否成功。由系统模型得到上行信道参数，具体苏醒用户的位置信息，上行起始时间。目标终端上行成功需要满足两个条件：

i)目标终端的接收功率要能够抵抗自身的信道增益以及来自其他终端的干扰，即SNR>SNRthreshold,SIR>SIRthreshold；其中,SIRthreshold＝6dB，SF7的SNRthreshold＝-6dB；

ii)由于网关的半双工通信，目标终端的上行时间不能出现在网关的下行阶段。

若成功，则上行计数器upSuccess加1；

第三，判断网关下行是否满足概率p。满足第二步的终端具备下行条件，网关实际能否下行，取决于是否满足概率p，产生一个随机数r，若r<p,则表示网关进行下行传输。

第四，判断网关下行是否成功。网关下行成功要抵抗自身的信道增益以及可能来自其他下行数据包的干扰。

第五，根据实际仿真的结果，更新上行成功的概率P_sus，以及占空比：

dutycycle＝upNum·P_sus·p·PacketTime/FrameTime

根据公式调节概率p得到想要的占空比要求，由仿真结果可得当用户密度为700，占空比为1％时，p＝0.022，也就是说，当占空比要求为1％时，网关收到上行数据，以0.022的概率进行下行传输。

第六，重复以上步骤直至P_sus收敛至某一稳定值P′_sus，此时得到的p即为最终的下行传输概率。

第七，考虑终端不同优先级：

假设终端有不同的优先级，第一组的优先级高于第二组，例如p₁＝2p₂,根据公式N₁·p₁+N₂·p₂＝N·p，可以求出具体的p₁和p₂，其中N为总的终端数，N₁为第一组的终端数，N₂为第二组的终端数，p₁为第一组网关的下行概率，p₂为第二组网关的下行概率。例如当N₂＝2N₁，用户密度为700时，为使得总的占空比为1％，则来自第一组的用户，网关成功接收后能够下行的概率p₁为0.033，来自第二组的终端，网关下行概率p₂为0.0165。

4、结果分析

当p＝1时，说明网关在成功收到终端上行数据之后就立即下行，此时的占空比为30.4％。若对占空比的范围有一定规范要求比如不能超过1％，则可以通过调节概率p来实现，当概率p设为0.022时，则可以将占空比控制在所要求的范围内。

另外，若终端的优先级不同，也可以通过概率p来设定，优先级高的以一个大的概率下行，优先级低的以相对小的概率下行，但是总的下行同时又得满足占空比的限制。

比如：来自第一组和第二组两个不同优先级的终端，终端数N₂＝2N₁，p₁＝2p₂，根据公式N₁·p₁+N₂·p₂＝N·p，可得到当收到来自不同优先级终端的数据，网关该以多大的概率下行传输，这里的p₁为0.033，p₂为0.0165。

本发明适用于各种规模用户的网络，参考系统模型和信道模型参数设置，根据以上步骤，就可得到所要求占空比下，网关该以多大的概率p进行下行传输。

不同用户密度在占空比要求为1％时的调整结果见表1：

表1

用户密度(/km<sup>2</sup>)	p	P<sub>1</sub>	P<sub>2</sub>
				100	0.13	0.208	0.104
700	0.022	0.033	0.0165
				1500	0.012	0.018	0.009

占空比过高会违反标准规定并降低网络的公平性和稳定性，而占空比过低则会降低频谱利用率。LoRaWAN网络的MAC层主要采用随机接入机制，其节点收发为时分半双工，并且上行成功才能触发下行传输条件，这导致在多用户网络中，用户上行与网关下行产生随机的复杂耦合，难以实现特定的下行占空比(duty cycle)的要求。本发明解决了该问题，并且能够同时满足终端不同的下行优先级要求。本发明首先通过去耦合的方法初始化终端上行成功概率，并计算下行条件传输概率p为1时的占空比，然后统计上行成功的终端数，根据实际的仿真迭代更新上行成功概率，最后通过调节概率p来实现网关下行所要求的占空比。由于找到适合具体网络下行占空比的重要性以及实现的复杂性，本发明提出一种基于条件传输概率来实现网关下行以满足下行占空比等诸多限制条件，同时还能实现终端不同的下行优先级。

Claims (6)

1.基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据初始化参数得到饱和占空比；

2)判断终端实际上行是否成功，若成功，则上行计数upSuccess加1；

3)判断网关下行是否满足概率p；

4)判断网关下行是否成功；

5)根据实际系统仿真的结果，更新上行成功的概率P_sus与占空比，根据占空比公式调节概率p得到想要的占空比要求；

6)重复步骤1)～5)直至P_sus收敛至某一稳定值P′_sus；

7)若不考虑优先级，则步骤6)得到的概率p即为网关最终的下行传输概率；若考虑优先级，则结合用户具体的优先级关系和用户数，获得来自不同优先级终端的数据后，求出网关下行发送给各组用户的条件概率，即得各终端的网关最终的下行传输概率。

2.如权利要求1所述基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，其特征在于在步骤1)中，所述根据初始化参数得到饱和占空比的具体方法为：设置终端上行成功概率初始值为P_sus,网关发送概率p，产生一组随机数R表示所有用户下行的概率，若R＜P_sus·p，则表示网关成功接收到上行，并且进行下行传输；计算此时的占空比dutycycle＝upNum·P_sus·p·PacketTime/FrameTime，其中，upNum表示进行上行的数据包数目，PacketTime表示下行传输时间，FrameTime表示参考时间范围。

3.如权利要求1所述基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，其特征在于在步骤2)中，所述判断终端实际上行是否成功的具体方法为：由系统模型得到上行信道参数、具体苏醒用户的位置信息、上行起始时间；目标终端上行成功需要满足两个条件：

(1)目标终端的接收功率要能够抵抗自身的信道增益以及来自其他终端的干扰，即信噪比值和信干比值要大于门限值；

(2)由于网关的半双工通信，目标终端的上行时间不能出现在网关的下行阶段。

4.如权利要求1所述基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，其特征在于在步骤3)中，所述判断网关下行是否满足概率p的具体方法为：产生一个随机数r，若r<p,则表示网关下行满足概率p，可进行下行传输。

5.如权利要求1所述基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，其特征在于在步骤4)中，所述判断网关下行是否成功，若网关下行可抵抗自身的信道增益以及可能来自其他下行数据包的干扰，则认为网关下行成功。

6.如权利要求1所述基于条件概率实现LoRa网关下行特定占空比的方法，其特征在于在步骤5)中，所述占空比公式为dutycycle＝upNum·P_sus·p·PacketTime/FrameTime。