CN117596565A - 一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法 - Google Patents

一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法，主要包括基于信噪比的参数分配子模块、基于路径损耗模型的参数分配子模块、动态链路裕度子模块及参数调整子模块，参数调整子模块根据基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离输出调整后的LoRa节点工作参数，通过加入路径损耗模型，能更正确的判断信道的路径损耗是否与当前节点使用工作参数的传输能力相匹配，及时做出调整；同时，在网络波动导致Lora节点发送数据包的丢包率发生变化时，采用动态链路裕度作为辅助手段，使LoRa节点选择更合适的工作参数，最终达到减小系统数据包的碰撞概率，同时降低数据包的发送能耗的目的。

Description

一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法
技术领域
本发明关于一种定位系统及方法，特别是有关于一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法。
背景技术
现社会生产生活对位置服务的需求越来越大，随着位置服务需求的增长，定位系统中终端设备的数量不断增加，从而带来了定位系统的容量需求。定位技术也在不断发展，如基于GPS(Global Positioning System，全球定位系统)或北斗的室外定位系统，和基于低功耗蓝牙、超宽带或WiFi的室内定位系统。
LoRa是一种低功耗广域网技术，相对于低功耗蓝牙、超宽带、WiFi等典型的基于测距方式的室内定位技术，LoRa的信号调制方式使用了扩频调制，抗干扰性更强，数据负载大，传输距离远，工作在免授权频段，且链路层协议栈开源，非常适合室内定位数据的传输，但是，在范围较大的室内定位场景中，通常需要部署密集的信标节点，以容纳成百上千个被定位目标，虽然LoRa适合室内定位数据的汇聚和传输，但是当被定位目标的数量日益增长时，使用LoRa网关汇聚定位数据对LoRa系统的网络容量带来了挑战，如何减小系统数据包的碰撞概率，同时降低数据包的发送能耗成为亟需解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统，包括：
基于信噪比的参数分配子模块，输出基于SNR的工作参数调整距离；
基于路径损耗模型的参数分配子模块，输出基于路径损耗的工作参数调整距离；
动态链路裕度子模块，动态调整SNR链路裕度及路径损耗链路裕度；
参数调整子模块，对LoRa节点的工作参数进行实际的调整和输出；
其中，该SNR链路裕度为该基于信噪比的参数分配子模块的输入数据，该路径损耗链路裕度为该基于路径损耗模型的参数分配子模块的输入数据。
本发明另提供一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，依赖于上述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统，该方法包含如下步骤：
S1：基于SNR的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的SNR平均值与SNR链路裕度作为输入数据，并输出基于SNR的工作参数调整距离；
S2：基于路径损耗模型的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的RSSI平均值、信号发射功率及路径损耗链路裕度作为输入数据，并输出为基于路径损耗的工作参数调整距离；
S3：动态链路裕度子模块接收LoRa节点的数据包丢包率作为输入数据，并将SNR链路裕度输出至该基于SNR的参数分配子模块，将路径损耗链路裕度输出至该基于路径损耗模型的参数分配子模块；
S4：参数调整子模块接收该基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离作为输入数据，并输出调整后的LoRa节点工作参数。
进一步地，步骤S1中基于SNR的工作参数调整距离的计算公式为：其中，SNRavg为LoRa节点数据包的SNR平均值，SNRsf为相应SF的最小解调SNR，marginsnr为SNR链路裕度。
进一步地，步骤S2包括如下步骤：
S21：计算场景中的最大路径损耗作为扩频因子SF12的路径损耗阈值；
S22：保持带宽不变，使用扩频因子SF7及SF12的LoRa接收机灵敏度，计算各SF路径损耗阈值的步长；
S23：计算各SF的最大路径损耗；
S24：计算实际路径损耗；
S25：计算基于路径损耗的工作参数调整距离。
进一步地，步骤S21中该最大路径损耗的计算公式为：Lpmax＝Lpmax(SF12)＝Lp(fc，dmax，hb，hm)，其中，Lpmax(SF12)为扩频因子SF12的路径损耗阈值，Lp为路径损耗模型，dmax是发射机和接收机之间的最大距离；fc是中心载波频率；hb是网关距离地面的高度；hm是节点距离地面的高度。
进一步地，步骤S3包括如下步骤：
S31：判断LoRa节点的数据包丢包率提高时，增大该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度；
S32：判断LoRa节点的数据包丢包率下降时，减小该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度；
S33：判断LoRa节点的数据包丢包率不变时，该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度保持不变。
进一步地，步骤S4包括如下步骤：
S41：计算综合物理层工作参数调整距离；
S42：对SF及TP进行调整；
S43：输出SF及TP数据；
其中，SF为扩频因子，TP为传输功率。
进一步地，步骤S41中计算综合物理层工作参数调整距离的公式为：其中，Nstep-lp为基于路径损耗的工作参数调整距离，Nstep-snr为基于SNR的工作参数调整距离，fix函数为取整函数。
通过本发明提供的一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法，基于SNR的参数分配子模块根据LoRa节点数据包的SNR平均值与SNR链路裕度输出基于SNR的工作参数调整距离；基于路径损耗模型的参数分配子模块根据LoRa节点数据包的RSSI平均值、信号发射功率及路径损耗链路裕度输出为基于路径损耗的工作参数调整距离；动态链路裕度子模块根据LoRa节点的数据包丢包率的变动调整SNR链路裕度及路径损耗链路裕度；最后，参数调整子模块根据基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离输出调整后的LoRa节点工作参数，通过加入路径损耗模型，能更正确的判断信道的路径损耗是否与当前节点使用工作参数的传输能力相匹配，及时做出调整；同时，在网络波动导致Lora节点发送数据包的丢包率发生变化时，采用动态链路裕度作为辅助手段，使LoRa节点选择更合适的工作参数，最终达到减小系统数据包的碰撞概率，同时降低数据包的发送能耗的目的。
附图说明
图1为本发明一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统架构图；
图2为本发明一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法流程图。
附图标记说明
1基于信噪比的参数分配子模块 2基于路径损耗模型的参数分配子模块
3动态链路裕度子模块 4参数调整子模块。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
本发明提供一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统，LoRa为远距离无线电通讯，参见图1，图1为本发明一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统架构图，包括基于信噪比的参数分配子模块、基于路径损耗模型的参数分配子模块、动态链路裕度子模块及参数调整子模块；基于信噪比的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的SNR平均值与SNR链路裕度作为输入数据，输出基于SNR的工作参数调整距离；基于路径损耗模型的参数分配子模块，接收LoRa节点数据包的RSSI平均值、信号发射功率及路径损耗链路裕度作为输入数据，输出基于路径损耗的工作参数调整距离；动态链路裕度子模块接收LoRa节点的数据包丢包率作为输入数据，动态调整SNR链路裕度及路径损耗链路裕度，SNR链路裕度为基于信噪比的参数分配子模块的输入数据，路径损耗链路裕度为基于路径损耗模型的参数分配子模块的输入数据；参数调整子模块接收基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离作为输入数据，对LoRa节点的工作参数进行实际的调整和输出，其中，SNR为信噪比。
本发明另提供一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，依赖于上述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统，参见图2，图2为本发明一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法流程图，该方法包含如下步骤：
S1：基于SNR的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的SNR平均值与SNR链路裕度作为输入数据，并输出基于SNR的工作参数调整距离；
S2：基于路径损耗模型的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的RSSI平均值、信号发射功率及路径损耗链路裕度作为输入数据，并输出为基于路径损耗的工作参数调整距离；
S3：动态链路裕度子模块接收LoRa节点的数据包丢包率作为输入数据，并将SNR链路裕度输出至该基于SNR的参数分配子模块，将路径损耗链路裕度输出至该基于路径损耗模型的参数分配子模块；
S4：参数调整子模块接收该基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离作为输入数据，并输出调整后的LoRa节点工作参数。
进一步地，步骤S1中基于SNR的工作参数调整距离的计算公式为：其中，SNRavg为LoRa节点数据包的SNR平均值，SNRsf为相应SF的最小解调SNR，marginsnr为SNR链路裕度，其中，SF为扩频因子，SNR为信噪比。
优选地，步骤S2包括如下步骤：
S21：计算场景中的最大路径损耗作为扩频因子SF12的路径损耗阈值；
S22：保持带宽不变，使用扩频因子SF7及SF12的LoRa接收机灵敏度，计算各SF路径损耗阈值的步长；
S23：计算各SF的最大路径损耗；
S24：计算实际路径损耗；
S25：计算基于路径损耗的工作参数调整距离。
进一步地，步骤S21中该最大路径损耗的计算公式为：Lpmax＝Lpmax(SF12)＝Lp(fc,dmax,hb,hm)其中，Lpmax(SF12)为扩频因子SF12的路径损耗阈值，Lp为路径损耗模型，dmax是发射机和接收机之间的最大距离；fc是中心载波频率；hb是网关距离地面的高度；hm是节点距离地面的高度。
其中，路径损耗模型Lp的对数公式为：
Lp(dB)＝69.55+26.16log(f)-13.82log(hb)+(44.9-6.55log(hb))×log(d)-a(hm)
其中，d是发射机和接收机之间的距离，单位是千米；f是载波频率，单位为MHz；hb是网关距离地面的高度，单位是米；hm是节点距离地面的高度，单位是米；a(hm)是节点天线的有效高度修正因子，单位是dB，计算公式为a(hm)＝3.2log(11.75hm)2-4.97。
步骤S22中，在带宽不变的情况，使用扩频因子SF7与SF12的LoRa接收机灵敏度，计算各SF路径损耗阈值的步长Lpstep，即：
其中，S[SF7，BW]为扩频因子SF7的接收机灵敏度，S[SF12，BW]为扩频因子SF12的接收机灵敏度，BW表示带宽，SF7表示一个符号包含7个比特，能表示2^7个值，即0～127，而且码片数量为128。
随后确定各个SF的最大路径损耗Lpmax(SF)：
Lpmax(SF)＝Lpmax-Lpstep×(12-SF)。
接着，根据LoRa数据包被接收时的RSSI值、天线增益G、发射功率即Ptx、路径损耗误差容限1.12即margin1p，计算实际路径损耗Lp：
Lp(dB)＝Ptx+G-RSSIavg-marginlp其中，RSSIavg为LoRa节点发送的数据包的RSSI值的平均值，RSSI值为LoRa数据包被接收时的信号强度值。
将实际路径损耗Lp与各个SF的最大路径损耗值Lpmax(SF)进行比较，可得到目标扩频因子SFlp，进而得到基于路径损耗的工作参数调整距离Nstep-lp，具体公式为：Nstep-lp＝SF-SFlp，SF为扩频因子SF7或SF12。
优选地，步骤S3包括如下步骤：
S31：判断LoRa节点的数据包丢包率提高时，增大该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度；
S32：判断LoRa节点的数据包丢包率下降时，减小该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度；
S33：判断LoRa节点的数据包丢包率不变时，该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度保持不变。
动态链路裕度子模块3根据LoRa节点数据包丢包率动态调整链路裕度。所有节点的SNR链路裕度与路径损耗链路裕度即marginlp的初始值均相等。记SNR链路裕度为marginsnr，路径损耗链路裕度为marginlp，设LoRa节点的数据包丢包率的下调基准线为PDRrefd，上调基准线为PDRrefd。当LoRa节点的数据包丢包率提高到高于1-PDRrefd，那么将marginsnr加上两个最小解调SNR的步长，即5dB，上限不超过30dB；同时将marginlp加上两个路径损耗的步长，即2*Lpstep，上限不超过36dB；当LoRa节点的数据包丢包率下降到低于1-PDRrefu时，将marginsnr减去一个最小解调SNR的步长，即2.5dB，下限不低于5dB；同时将marginlp减去一个路径损耗的步长，即Lpstep，下限不低于6dB。
进一步地，步骤S4包括如下步骤：
S41：计算综合物理层工作参数调整距离；
S42：对SF及TP进行调整；
S43：输出SF及TP数据；
其中，SF为扩频因子，TP为传输功率。
进一步地，步骤S41中将基于SNR的工作参数调整距离和基于路径损耗的工作参数调整距离取平均值，并舍去小数，计算得到综合物理层工作参数调整距离，具体公式为：其中，Nstep-lp为基于路径损耗的工作参数调整距离，Nstep-snr为基于SNR的工作参数调整距离，fix函数为取整函数。根据Nstep对SF与TP进行调整。当Nstep为正时，将SF提高Nstep个单位，如SF已经达到最大值，则降低TP，直到TP也降低到最小值。如Nstep为负，则提高TP，直至达到最大值。调整完毕后，最后将SF与TP输出作为调整后的LoRa节点工作参数。
通过本发明提供的一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统及方法，基于SNR的参数分配子模块根据LoRa节点数据包的SNR平均值与SNR链路裕度输出基于SNR的工作参数调整距离；基于路径损耗模型的参数分配子模块根据LoRa节点数据包的RSSI平均值、信号发射功率及路径损耗链路裕度输出为基于路径损耗的工作参数调整距离；动态链路裕度子模块根据LoRa节点的数据包丢包率的变动调整SNR链路裕度及路径损耗链路裕度；最后，参数调整子模块根据基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离输出调整后的LoRa节点工作参数，通过加入路径损耗模型，能更正确的判断信道的路径损耗是否与当前节点使用工作参数的传输能力相匹配，及时做出调整；同时，在网络波动导致Lora节点发送数据包的丢包率发生变化时，采用动态链路裕度作为辅助手段，使LoRa节点选择更合适的工作参数，最终达到减小系统数据包的碰撞概率，同时降低数据包的发送能耗的目的。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统，其特征在于，包括：
基于信噪比的参数分配子模块，输出基于SNR的工作参数调整距离；
基于路径损耗模型的参数分配子模块，输出基于路径损耗的工作参数调整距离；
动态链路裕度子模块，动态调整SNR链路裕度及路径损耗链路裕度；
参数调整子模块，对LoRa节点的工作参数进行实际的调整和输出；
其中，该SNR链路裕度为该基于信噪比的参数分配子模块的输入数据，该路径损耗链路裕度为该基于路径损耗模型的参数分配子模块的输入数据。
2.一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，依赖于权利要求1所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位系统，其特征在于，该方法包含如下步骤：
S1：基于SNR的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的SNR平均值与SNR链路裕度作为输入数据，并输出基于SNR的工作参数调整距离；
S2：基于路径损耗模型的参数分配子模块接收LoRa节点数据包的RSSI平均值、信号发射功率及路径损耗链路裕度作为输入数据，并输出为基于路径损耗的工作参数调整距离；
S3：动态链路裕度子模块接收LoRa节点的数据包丢包率作为输入数据，并将SNR链路裕度输出至该基于SNR的参数分配子模块，将路径损耗链路裕度输出至该基于路径损耗模型的参数分配子模块；
S4：参数调整子模块接收该基于SNR的工作参数调整距离及基于路径损耗的工作参数调整距离作为输入数据，并输出调整后的LoRa节点工作参数。
3.根据权利要求2所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，其特征在于，步骤S1中基于SNR的工作参数调整距离的计算公式为：其中，SNRavg为LoRa节点数据包的SNR平均值，SNRsf为相应SF的最小解调SNR，marginsnr为SNR链路裕度。
4.根据权利要求2所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
S21：计算场景中的最大路径损耗作为扩频因子SF12的路径损耗阈值；
S22：保持带宽不变，使用扩频因子SF7及SF12的LoRa接收机灵敏度，计算各SF路径损耗阈值的步长；
S23：计算各SF的最大路径损耗；
S24：计算实际路径损耗；
S25：计算基于路径损耗的工作参数调整距离。
5.根据权利要求4所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，其特征在于，步骤S21中该最大路径损耗的计算公式为：Lpmax＝Lpmax(SF12)＝Lp(fc，dmax，hb，hm)，其中，Lpmax(SF12)为扩频因子SF12的路径损耗阈值，Lp为路径损耗模型，dmax是发射机和接收机之间的最大距离；fc是中心载波频率；hb是网关距离地面的高度；hm是节点距离地面的高度。
6.根据权利要求2所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：
S31：判断LoRa节点的数据包丢包率提高时，增大该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度；
S32：判断LoRa节点的数据包丢包率下降时，减小该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度；
S33：判断LoRa节点的数据包丢包率不变时，该SNR链路裕度及该路径损耗链路裕度保持不变。
7.根据权利要求2所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：
S41：计算综合物理层工作参数调整距离；
S42：对SF及TP进行调整；
S43：输出SF及TP数据；
其中，SF为扩频因子，TP为传输功率。
8.根据权利要求7所述的一种基于LoRa的防碰撞室内定位方法，其特征在于，步骤S41中计算综合物理层工作参数调整距离的公式为：其中，Nstep-lp为基于路径损耗的工作参数调整距离，Nstep-snr为基于SNR的工作参数调整距离，fix函数为取整函数。
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