CN110891279B - 一种LoRa Mesh无线中继通信方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LoRa Mesh无线中继通信方法和装置，其中方法包括根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程。本发明基于源节点到目的节点的信道链路信噪比确定中继是否进行转发，并基于源节点到中继节点的信道链路信噪比确定中继选择FDF或者ADF转发方式进行转发；并对ADF的转发流程进行了改进。本发明相对于增量中继选择来说，性能得到了很大的提高。随着信噪比增加，本发明方法的性能优势更明显。

Description

一种LoRa Mesh无线中继通信方法和装置

技术领域

本发明属于低功耗广域通信技术领域，具体涉及一种LoRa Mesh无线中继通信方法和装置。

背景技术

目前无线中继通信方法有基于移动通信的点到点多跳中继方式和基于近距离无线通信多跳中继方式。采用移动通信基站等设备实现数据中继传输。其缺点是：中继通信设备通信功耗大，运维成本高，不适用于电力物联应用场合。在基于近距离无线通信多跳中继方式中，如ZigBee和BLE等无线通信技术采用的是Ad hoc的自组织网通信方式，节点可以自由加入和离开网络，并具有良好的网络维护性能。

电力物联网传感终端设备的现场通信方式，一般采用微功率无线或低功耗无线等通信方式，无线信号衰减快，因此在发射功率有限的情况下，无法进行较远距离的传输。电力物联终端设备的无线发射功率往往较低，传输范围较近，当与接入网关距离较远时，必须引入中继技术协助。因此如何在满足误码率性能要求的条件下，提升中继转发的通信距离是急需要解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在解决在满足误码率性能要求的条件下，提升中继转发的通信距离。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种LoRa Mesh无线中继通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程。

进一步地，根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发的方法如下：

源节点向系统中的所有节点发送数据，目的节点接收数据后进行解码检测，如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据能够正确解码，则中继不转发，系统采用直传模式；如果源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据不能正确解码，则中继转发。

进一步地，根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式的方法如下：

如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用FDF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。

进一步地，ADF转发流程包括如下步骤：

根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；

对接收到的源节点发送的数据进行解析得到源数据当前采用的SF值，如果SF值小于12，则增加SF值，并调节源节点到中继节点之间的信噪比门限值；判断中继当前接收信号的源节点到中继节点的信噪比值是否超过调节后的源节点到中继节点的信噪比值门限值，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；若不超过则继续增加SF值，并调源节点到中继节点的信噪比值门限值，重复以上流程；当最终调节SF超过12，源节点到中继节点的信噪比值还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发

第二方面，本发明提供了一种LoRa Mesh无线中继通信装置，其特征在于，包括：转发判断模块、转发方式确定模块、ADF转发流程确定模块和中继转发模块；

转发判断模块，根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；

转发方式确定模块，根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；

ADF转发流程确定模块，基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；

中继转发模块，根据转发方式确定模块确定的转发方式，若为FDF转发方式，则中继节点将解码后得到的信息重新编码后转发，若采用ADF方式进行转发，执行ADF转发流程确定模块确定的转发流程。

本发明所取得的有益技术效果：

本发明提供的一种LoRa Mesh无线中继通信方法，基于源节点到目的节点的信道链路信噪比确定中继是否进行转发，并基于源节点到中继节点的信道链路信噪比确定中继选择FDF或者ADF转发方式进行转发；并对ADF的转发流程进行了改进。增量中继选择只考虑了源节点到目的节点信道的链路状况，当源节点到中继节点的信道链路状态很差时，依旧采用固定编码协作方式进行转发会造成很大的误码率。本发明相对于增量中继选择来说，性能得到了很大的提高。随着信噪比增加，本发明方法的性能优势更明显。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种LoRa Mesh无线中继通信方法流程图；

图2是本发明实施例提供的ADF转发流程图。

具体实施例

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明地技术方案，而不能以此来限定本发明的保护范围。为了便于理解本发明，给出以下名词解释：

低功耗广域通信技术：物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的低功耗广域通信技术也快速兴起。低功耗广域通信技术，其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，以及支持大规模组网，在测距和定位等方面性能十分突出，已成为低功耗物联网大规模推广应用的一种理想的技术选择。目前该技术已经在智能电网、远程抄表、智能交通、智慧城市等领域得到应用。

无线传感器网络(wireless sensor network)：是由布设大量多种类无线传感器节点组成信息感知网络，以实现更透彻感知、更广泛的互联和更深入信息融合，可获取更细致、更可信的信息，为智能决策和智能行为提供准确的、可信的信息支撑。

无线自组网技术：无线自组网络是一种完全自治的分布式系统，由具有无线收发功能的可移动终端节点构成。与传统的无线通信网络技术不同，不需要固定的基础网络设施(比如基站等)的支持，而且同时具有路由和控制的功能。数据传输时，网络根据各个节点(即用户终端)掌握的网络拓扑等信息，按预设的某种算法分别计算传输路径自行组网，不在通信范围内的节点依靠其他节点间的多跳转发来实现数据的传输。

边缘计算：边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为联接物理和数字世界的桥梁，使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。中继协同技术：协同通信方式里，用户要充当源节点和中继节点两种身份，一方面发送自己的数据，另一方面帮助其他节点转发信息。用户通过协作可以明显地改善误比特率、中断概率等，提升服务质量。

本发明中缩写定义：

S：初始发送数据的源节点；R：中继通信节点，接收源节点数据发送到目的节点；D:目的节点，源节点发送数据的目标节点；

SNR-sd:源节点到目的节点的信噪比；SNR-sr：源节点到中继节点的信噪比。

T-sd：源节点到目的节点的信噪比阈值；T-sr：源节点到中继节点的信噪比阈值。

现有的基于LoRaMESH的混合中继协同方法介绍如下：

1、中继方法主要包括：

放大转发(AF,Amplified Forward)、解码转发(DF，Decode Forward)和自适应解码转发(ADF，Adaptive Decode Forward)等。

AF协议中,中继节点相当于一个信号放大器,只对接收到的信号进行线性处理，AF中继节点在转发有用信息时也放大了噪声,可能造成目的节点的解码错误。

DF协议解决了AF协议中的噪声放大问题,DF协议可以避免放大信号的同时放大噪声,但是较差的S-R链路信道质量,可能会导致中继出现误判,造成错误传播,进而影响目的节点的最终译码。

DF协议又可细分为固定DF协议(fixed decode-and-forward,FDF)和自适应DF协议(adaptive decode-and-forward,ADF)。FDF协议中,无论是否会造成错误延播,中继节点都将向目的节点转发其接收到的信息。

在ADF协议中,如果中继节点所接收到的信号已经被破坏,那么在第二个时隙时,中继节点将不参与协作转发。

实施例1：参见图1，图1示出了一种LoRa Mesh无线中继通信方法，包括根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程。

具体的方法如下：

本发明提出的中继方法,首先在目的节点和中继节点处分别设置信噪比门限SNR-sd和SNR-sr，协议的工作流程如附图1所示，

若信源S到目的节点D的信道质量比较好即如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值,目的节点D接收的数据能够正确解码,系统采用直传模式；中继节点R不工作,系统采用直传模式；

若信源S到目的节点的信道质量比较差即源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，目的接收节点D无法正确解码,这时中继节点参与协作。

在协作通信系统中,中继节点一般有三种状态:1)收到信号质量低于某个门限而无法正确解码转发；2)收到信号质量虽高于门限,但仍出现解码错误,从而向终端传递的是错误信号,造成错误延播；3)向终端传递正确的解码信号。

根据信噪比与设置门限的比较进行判断中继节点应该选择哪种中继转发机制进行信息处理(FDF、ADF选择)。如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用FDF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。如图1所示如果目的节点接收到的信息质量比较差,会让中继节点比较其信噪比门限和接收信号的质量,只有SNR-sr的瞬时信噪比超过中继节点处的信噪比门限时,R才会译码并转发接收到的信号,否则中继采用ADF方式进行转发。

ADF转发方法介绍：

本发明的ADF中继转发，通过调节lora发送的扩频因子SF值，实现中继的发送距离调节(流程如图2所示)。

根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；具体实施例中根据通信误码率实验结果，制定SF与T-sr门限对应关系表，即在满足中继误码率性能要求的条件下，提升中继转发的通信距离。表1是中继信噪比门限T-sr与扩频因子SF的关系对照表。该表同时规划了接收信号强度RSSI和通信速率，可以作为SNR门限调节后的接收信号强度和通信速率的参考范围。

表1：中继信噪比门限T-sr与扩频因子SF的关系对照表

SNR(dB)	RSSI(dBm)	SF	通信速率
				-7.5	-100以上	SF7	5470bps
-10	-104～-100	SF8	3125bps
				-12.5	-109～-105	SF9	1760bps
-15	-114～-110	SF10	980bps
				-17.5	-119～-115	SF11	440bps
-20	-120以下	SF12	250bps

ADF转发流程为：

1)中继设备对信源节点发送数据进行解析，解析得出源数据当前采用的扩频因子SF值，如果扩频因子SF值小于12，按顺序增加SF值，并调节源节点到中继节点的信道信噪比门限值T-sr值，使门限值T-sr值设定为SF值对应的SNR值。LoRa允许有六个扩频因子(顺序为：SF7-SF12)和三个不同的带宽(125kHz，250kHz，500kHz)。允许的扩频因子和带宽由地区管制机构确定。

2)然后判断当前接收信号的SNR-sr值是否超过调节后的门限值T-sr，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；

如果当前接收信号的SNR-sr值没超过T-sr，则继续增加SF值，并调节T-sr值，重复以上流程。当最终调节SF超过12，SNR-sr还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发，附图2是ADF转发流程图。

在基于SNR的协作机制中,门限值的设置是否合理,决定了系统性能是否得到提高,是否可以获得较高的频谱利用率。

本发明提出的同时采用FDF转发机制和ADF转发机制的单用户混合中继协同通信系统，即用户通信中的每条子载波根据自身信道环境选择其中一种转发机制使得系统能够获得最优性能,比如系统吞吐量、系统能效、系统误码率等。

实施例2：一种LoRa Mesh无线中继通信装置，包括：转发判断模块、转发方式确定模块、ADF转发流程确定模块和中继转发模块；

转发判断模块，根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；

转发方式确定模块，根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；

ADF转发流程确定模块，基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；

中继转发模块，根据转发方式确定模块确定的转发方式，若为FDF转发方式，则中继节点将解码后得到的信息重新编码后转发，若采用ADF方式进行转发，执行ADF转发流程确定模块确定的转发流程。

一种LoRa Mesh无线中继通信装置内置中继协议，所述中继协议包括协议帧格式设计、MAC协议设计和协议流程设计等，自组网协议采用LoRa的自适应速率策略和节点退避策略等通信机制，中继策略采用协同中继策略，通过对中继节点选择、中继位置选择和个数选择，降低系统的复杂度和系统网络成本，并提高系统吞吐量和系统能效。

该实施例中，转发判断模块具体执行以下步骤：

目的节点接收数据后进行解码检测，如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据能够正确解码，则中继不转发，系统采用直传模式；如果源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据不能正确解码，则中继转发。

转发方式确定模块，具体执行以下步骤：如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用FDF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。

ADF转发流程确定模块确定的ADF转发流程包括如下步骤：

根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；

对接收到的源节点发送的数据进行解析得到源数据当前采用的SF值，如果SF值小于12，则按顺序增加SF值，并调节源节点到中继节点之间的信噪比门限值；判断中继当前接收信号的源节点到中继节点的信噪比值是否超过调节后的源节点到中继节点的信噪比值门限值，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；若不超过则继续增加SF值，并调源节点到中继节点的信噪比值门限值，重复以上流程；当最终调节SF超过12，源节点到中继节点的信噪比值还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种LoRaMesh无线中继通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；

ADF转发流程包括如下步骤：

根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；

对接收到的源节点发送的数据进行解析得到源数据当前采用的扩频因子值，如果扩频因子值小于12，则按顺序增加扩频因子值，并调节源节点到中继节点之间的信噪比门限值；判断中继当前接收信号的源节点到中继节点的信噪比值是否超过调节后的源节点到中继节点的信噪比值门限值，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；若不超过则继续增加扩频因子值，并调源节点到中继节点的信噪比值门限值，重复以上流程；当最终调节扩频因子超过12，源节点到中继节点的信噪比值还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发。

2.如权利要求1所述的一种LoRaMesh无线中继通信方法，其特征在于，根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发的方法如下：

目的节点接收数据后进行解码检测，如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据能够正确解码，则中继不转发，系统采用直传模式；如果源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据不能正确解码，则中继转发。

3.如权利要求1所述的一种LoRaMesh无线中继通信方法，其特征在于，根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式的方法如下：

如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用FDF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。

4.一种LoRaMesh无线中继通信模块，其特征在于，包括：转发判断模块、转发方式确定模块、ADF转发流程确定模块和中继转发模块；

转发判断模块，根据源节点到目的节点的信噪比确定中继是否需要转发；

转发方式确定模块，根据源节点到中继节点的信噪比确定中继采用FDF转发方式还是采用ADF转发方式；

ADF转发流程确定模块，基于信道信噪比门限的混合机制确定ADF转发流程；所述ADF转发流程确定模块用于执行以下步骤：

根据扩频因子与信噪比的对应关系确定源节点到中继节点之间的信噪比门限值；

对接收到的源节点发送的数据进行解析得到源数据当前采用的扩频因子值，如果扩频因子值小于12，则按顺序增加扩频因子值，并调节源节点到中继节点之间的信噪比门限值；判断中继当前接收信号的源节点到中继节点的信噪比值是否超过调节后的源节点到中继节点的信噪比值门限值，如果超过，中继按照当前参数进行数据转发；若不超过则继续增加扩频因子值，并调源节点到中继节点的信噪比值门限值，重复以上流程；当最终调节扩频因子超过12，源节点到中继节点的信噪比值还是低于中继信噪比门限，则中继不参与转发；

中继转发模块，根据转发方式确定模块确定的转发方式，若为FDF转发方式，则中继节点将解码后得到的重新编码后转发，若采用ADF方式进行转发，执行ADF转发流程确定模块确定的转发流程。

5.如权利要求4所述的一种LoRaMesh无线中继通信模块，其特征在于，所述转发判断模块用于执行以下步骤：

目的节点接收数据后进行解码检测，如果源节点到目的节点的信噪比大于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据能够正确解码，则中继不转发，系统采用直传模式；如果源节点到目的节点的信噪比小于等于源节点到目的节点的信噪比阈值，并且目的节点接收的数据不能正确解码，则中继转发。

6.如权利要求4所述的一种LoRaMesh无线中继通信模块，其特征在于，所述转发方式确定模块用于体执行以下步骤：

如果源节点到中继节点的信噪比大于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用FDF方式转发；如果源节点到中继节点的信噪比小于等于源节点到中继节点的信噪比阈值，则中继采用ADF方式转发。

Images