[发明专利]一种基于信道状态识别的LoRaWAN网络速率自适应调整方法

说明书

本发明涉及一种基于信道状态识别的LoRaWAN网络速率自适应调整方法，属于低功耗广域网无线技术领域。该方法首先，结合终端使用的信道频率与速率、终端位置信息，构建路径衰减丢包概率估算模型；其次，根据LoRa数据冲突特性，结合消息速率、信道数、数据负载，建立数据冲突丢包概率估算模型；之后，通过估算概率使用Softmax回归分类方法分类信道状态；最后，建立基于信道状态识别的速率自适应调整机制，对终端数据速率进行自适应调整。本发明在网络出现大规模丢包情况下，通过识别信道状态判断丢包原因，针对性的对终端数据速率进行调整，避免在网络数据冲突情况下错误的速率调整，提高网络的数据吞吐量和数据包传输可靠性。

技术领域

本发明属于低功耗广域网无线技术领域，涉及一种基于信道状态识别的LoRaWAN网络速率自适应调整方法。

背景技术

LoRa低功耗广域网技术具有功耗低、传输距离远的特点。LoRaWAN协议支持多种速率选择，其通信距离与传输速率成反比关系，也就是说，选择的速率越快，成功通信的距离也就越短。同时由于采用了扩频技术，由于不同速率下使用的扩频因子是相互正交的，所以各数据传输速率之间的数据传输不会互相冲突。另外，LoRa的低速特性造成了较高的空中传播时间(ToA)，这使得LoRa传输会长时间占用通信信道，这也增加了并发传输冲突的可能性。在实际应用过程中，如何在保证一定通信成功率的同时，通过速率选择，保证网络的可靠性与实时性，减低数据冲突，增加网络的传输效率，是LoRa技术急需解决的一个问题。

现有的LoRaWAN自适应选择机制中，一般是通过丢包率作为速率选择的指标，并未考虑到具体的丢包原因，导致终端设备使用的数据速率总是不断降低，例如，在因为数据冲突而导致丢包的情况下，原有速率选择机制进一步降低速率，增加了单个数据包的传输时间，导致数据冲突概率进一步增强，反而降低了网络性能，未能使网络在可靠性与吞吐量方面达到最优化，会限制LoRaWAN网络的传输效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于信道状态识别的LoRaWAN网络速率自适应调整方法，利用终端设备与网关距离、终端设备速率以及消息速率、终端设备数、包负载大小、信道数等信息识别信道状态并判断丢包原因，针对性的对终端数据速率进行调整，提高网络的数据吞吐量和数据包传输可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于信道状态识别的LoRaWAN网络速率自适应调整方法，应用于大规模终端设备定点部署的周期采样型无线网络场景，该方法具体包括以下步骤：

S1：建立路径衰减丢包概率估算模型，预测网络中终端设备由于信道衰减导致数据丢包概率P_f(d,DR[i])；

S2：建立数据冲突丢包概率估算模型，预测在当前网络中数据速率DR[i]下的数据冲突概率P_i(N,DR[i])；

S3：根据P_f(d,DR[i])、P_i(N,DR[i])值使用Softmax回归分类方法分类信道状态；

S4：通过基于信道状态识别的速率自适应调整机制，对网络中各速率下终端设备进行更新。

进一步，所述步骤S1中，所述的建立路径衰减丢包概率估算模型具体包括：

使用考虑大尺度衰落P_p(d)和阴影效应P_s的对数正态阴影衰减模型PL(f,d)，并在其中引入频率衰减因子XF(f)，由此得到路径衰减模型：

PL(f,d)＝P_P(d)+P_s

＝P(f_ref,d₀)+10γlog₁₀(d/d₀)+XF(f)+X_δ