一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法

1.本发明涉及lora通信领域，尤其涉及一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法。


背景技术：

2.在lora通信网络中，为了保证通信的准确性，上行数据传输后可以通过回传ack确认信号告知终端节点数据已交付，或者在未收到ack确认信号后终端节点通过一定的策略组织数据重传，因此ack确认机制在需要保证数据交付的lora应用中被广泛应用。那么在这种确认模式下，对于一个上行数据包的传输过程，不仅需要考虑其他上行数据包的碰撞，也要考虑下行ack信号的碰撞，对比于非确认模式，整个网络的数据包成功传输概率会发生改变。
3.根据此前学者的研究结果，在确认模式下的数据包传输过程中，为了保证ack信号的成功回传，默认ack信号回传时可以感知信道中是否有数据包正在传输，通过这种理想化的假设以简化网络的碰撞模型，便于网络模型的建立和数据包成功传输概率的推导。在网络半径较大的情况下，网关接收灵敏度对数据包的传输有着很大的影响，但目前缺乏一种在网关灵敏度限制下的扩频因子和发射功率的配置策略。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中缺乏在网关灵敏度限制下的扩频因子和发射功率的配置策略的技术问题，本发明提出一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，该方法基于公平化扩频因子分配(fair spread factor allocation，fsfa)算法和发射功率综合分配(integrated transmission power allocation，itpa)算法，对终端节点的扩频因子和发射功率进行了分配，从而提高了lora网络的平均数据包成功传输概率。
5.具体的，方法包括以下步骤：
6.s1、根据lora网络通信确认模式下数据包和ack信号的碰撞情况，计算不同扩频因子下的数据包成功传输概率；
7.s2、利用基于公平化扩频因子分配算法，以最高的网络平均数据包成功传输概率为目标，得到最优的扩频因子分配；
8.s3、以最优的扩频因子分配为基础，采用发射功率综合分配算法，对lora网络中终端节点的发射功率进行调整以满足接受灵敏度的要求。
9.本发明提供的有益效果是：提供了一种在网关灵敏度限制下的扩频因子和发射功率的配置策略，使得网络平均数据包成功传输概率有较大的提升。
附图说明
10.图1是本发明方法流程示意图；
11.图2是上行数据包成功传输的条件下下行ack信号的碰撞情况示意图；
12.图3是上行数据包传输的碰撞情况示意图；
13.图4是上行数据包发送前信道中有其他上行数据包传输的情况示意图；
14.图5是上行数据包发送前信道中有下行ack信号传输的情况示意图；
15.图6是数据包2与下行ack信号之间没有其他上行包传输的情况示意图；
16.图7是数据包2与下行ack信号之间有其他上行包的情况示意图；
17.图8是上行数据包发送后与其他上行数据包碰撞的情况示意图；
18.图9是上行数据包发送后与ack信号碰撞的情况示意图；
19.图10是数据包2与下行ack信号之间没有其他上行数据包的情况示意图；
20.图11是数据包2与下行ack信号之间存在其他上行数据包的情况示意图；
21.图12是sf_tp allocation算法扩频因子发射功率的分布情况示意图；
22.图13是不同算法下的平均数据包传输概率示意图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
24.请参考图1，图1是本发明方法流程示意图；
25.本发明提供了一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，包括：
26.s1、根据lora网络通信确认模式下上行数据包和下行ack信号的碰撞情况，计算不同扩频因子下的数据包成功传输概率；
27.需要说明的是，关于lora网络通信，在单网关lora网络中，网络的覆盖范围为以网关为中心、半径为r的圆形，假设终端节点均匀分布在网关周围，扩频因子的选择范围为sf∈{7,8,9,10,11,12}与不同扩频因子的终端节点数目子集nk(k＝{1,2,3,4,5,6})相对应，终端节点的总数目为假设所有终端节点的信息发送遵循泊松分布，上行链路的数据发送后，同时考虑下行链路的ack确认信号，传输过程中考虑扩频因子的准正交性，即只有扩频因子相同的数据包会发生碰撞，推导扩频因子为sf的数据包的成功传输概率。
28.在数据包传输过程中有两种类型的数据包：一类是上行数据包，一类是下行ack确认信号。
29.终端节点发送一个上行数据包，发送完毕t
delay_1
秒后，终端节点首先会打开第一个下行接收窗口rx1，在第一个窗口内若终端节点未收到ack信号，会在第一个窗口开启时刻的1s后(t
delay_2
＝t
delay_1
+1)打开第二个下行接收窗口rx2。
30.第一个下行窗口中的下行ack信号与上行链路在同一个信道中传输，因此下行ack确认信号可能会与上行链路的数据包产生碰撞；
31.由于在第二个下行窗口中，ack信号会按照预先设定的信道传输，因此此时下行ack信号对上行链路的数据包产生的影响较小。
32.基于以上分析，本章仅考虑在第一个接收窗口rx1中回传的ack信号，终端节点以扩频因子sfk发送上行数据包，对应的传输时间为tk，在t
delay_1
秒后网关回传ack信号，ack信号的长度固定，根据不同的扩频因子sfk得到不同的传输时间t
ack
(t
ack
＜tk)。
33.一个上行数据包能够成功传输意味着上行数据包被网关成功接收同时在此条件
下下行ack信号也能够被终端节点成功接收，因此上行数据包能够成功传输的概率p(suc)为条件概率的乘积：
34.p(suc)＝p(up)
·
p(down|up)
ꢀꢀꢀ
(1)
35.其中，p(up)为上行数据包成功传输的概率，p(down|up)为上行数据包成功传输的条件下下行ack信号也成功传输的概率。
36.首先，计算p(down|up)，下行ack信号的碰撞情况如图2所示，上行数据包1成功发送，t
delay_1
秒后回传ack信号，但是已经有其他的上行数据包2正在发送或者在ack信号回传过程中有其他上行数据包2开始发送，此时数据包1的ack信号会与数据包2发生碰撞。那么在上行数据包成功传输的条件下，下行ack信号能够成功传输的条件为：在ack信号回传的过程中没有其他上行数据包发送，即在[t
delay_1
,tk+t
delay_1
+t
ack
]之间没有其他上行数据包发送，因此条件概率p(down|up)表示为：
[0037][0038]
其次，计算p(up)，需要考虑到上行数据包的碰撞有两种情况，如图3所示：第一，数据包发送前信道中已经有其他数据包(包括上行数据包和下行ack信号)正在传输；第二，数据包发送后，在传输期间信道中有其他数据包(包括上行数据包和下行ack信号)开始发送。
[0039]
上行数据包的成功传输需要以上两种情况的碰撞情况均不发生，因此上行数据包成功传输的概率p(up)表示为1减去两种情况的概率乘积：
[0040][0041]
其中，为上行数据包发送前信道中有其他数据包传输的概率，为上行数据包发送后信道中有其他数据包传输的概率。
[0042]
下面将分别对以上两种碰撞情况进行分析：
[0043]
(1)上行数据包发送前信道中有其他数据包传输的概率与该上行数据包碰撞的数据包类型有两种：其他上行数据包和下行ack信号，任一种情况发生该上行数据包均会碰撞，因此表示为：
[0044][0045]
其中，为上行数据包发送前信道中有其他上行数据包传输的概率，为上行数据包发送前信道中有下行ack信号传输的概率。
[0046]
首先，计算上行数据包发送前信道中存在其他上行数据包，两数据包发生碰撞的情况如图4所示，数据包1发送前数据包2已经发送，此概率满足的条件为：数据包1需要在[0,tk]之间发送。因此表示为：
[0047]
[0048]
其次，计算由于t
delay_1
＞tk，数据包2与其下行ack信号之间可能会存在其他上行包，因此需要分为两个部分计算，如图5所示。
[0049][0050]
其中，为数据包2与其下行ack信号之间不存在其他上行包同时ack信号与数据包1碰撞的概率，为数据包2与其下行ack信号之间存在其他上行包同时ack信号与数据包1碰撞的概率。
[0051]
数据包2与下行ack信号之间没有其他上行包的情况如图6所示，数据包2的下行ack信号成功回传，回传期间数据包1发送，那么计算要求数据包1在[tk+t
delay_1
,tk+t
delay_1
+t
ack
]之间传输同时数据包2在上行链路成功传输，因此表示为：
[0052][0053]
数据包2与下行ack信号之间存在其他上行包的情况如图7所示，假设数据包3为距离数据包2下行ack信号最近的一个上行数据包，那么计算要求数据包3与数据包1的发送间隔满足ti∈[ta+tk,ta+t
delay_1
]以保证数据包3的成功发送，数据包1与数据包2的下行ack信号发生碰撞即数据包1需要在[0,t
ack
]之间发送，数据包2能够在上行链路成功发送，因此的计算需要三个条件共同满足：
[0054][0055]
两个上行数据包成功发送时，发送时刻的时间差是符合指数分布的：
[0056][0057]
其中，λk为扩频因子为sfk的终端节点集合的发送密度。
[0058]
下行ack信号与上行数据包之间发送时间差符合均匀分布：
[0059][0060]
因此t
i-ta的概率密度函数表示为ti的概率密度f
ti
(t)与ta的概率密度的卷积：
[0061][0062]
那么t
i-ta∈[tk,t
delay_1
]的概率p(tk≤t
i-ta≤t
delay_1
)表示为概率密度函数的积分形式：
[0063][0064]
因此，最终数据包2与其下行ack信号之间存在其他上行包且ack信号与数据包1碰撞的概率表示为：
[0065][0066]
通过公式(4)、(5)、(6)、(7)、(13)的分析推导，最终得到上行数据包发送前信道中有其他数据包传输的概率
[0067][0068]
(2)上行数据包发送后信道中有其他数据包传输的概率
[0069]
与该上行数据包碰撞的数据包类型也有其他上行数据包和下行ack信号两种，因此的计算也分为两部分：
[0070]
[0071]
其中，为上行数据包发送后信道中有其他上行数据包传输的概率，为上行数据包发送后信道中有下行ack信号传输的概率。
[0072]
首先，计算上行数据包发送后与其他上行数据包碰撞的情况如图8所示，计算需要满足的条件为：数据包2在[0,tk]之间发送：
[0073][0074]
其次，的计算也需要考虑数据包2与其下行ack信号之间有无其他数据包两种情况，如图9所示。
[0075][0076]
其中，为数据包2与其下行ack信号之间不存在其他上行包同时ack信号与数据包1碰撞的概率，为数据包2与其下行ack信号之间存在其他上行包同时ack信号与数据包1碰撞的概率。
[0077]
数据包2与下行ack信号之间没有其他上行数据包的情况如图10所示，上行数据包2成功发送后t
delay_1
秒回传ack信号，在回传之前上行数据包1已经开始发送。计算要求数据包1与数据包2的下行ack信号发生碰撞即数据包1需要在[t
delay_1
,t
delay_1
+t
ack
]之间发送同时数据包2在上行链路成功发送：
[0078][0079]
数据包2与下行ack信号之间存在其他上行数据包的情况如图11所示，数据包3为数据包2与其下行ack信号之间的一个上行数据包且其距离数据包1最近。数据包1与数据包2的ack信号碰撞的条件为：数据包1不与数据包3碰撞即tk≤ti≤t
delay_1-ta、数据包1与数据包2的下行ack信号发生碰撞即数据包2需要在[-t
delay_1-t
ack
,-t
delay_1
]之间发送、数据包2在上行链路成功发送，因此为同时满足以上三种情况的概率：
[0080][0081]
需要计算p(ti≥tk∩ti+ta≤t
delay_1
)＝p(ti≥tk)
·
p(ti+ta≤t
delay_1
)。根据上文分析，数据包1和数据包3之间的时间间隔ti满足指数分布：
[0082]
[0083]
因此，ti≥tk的概率p(ti≥tk)表示为概率密度函数的积分：
[0084][0085]
数据包1与数据包2的下行ack信号之间的时间间隔ta满足均匀分布：
[0086][0087]
因此，ti+ta的概率密度表示为与的卷积：
[0088][0089]
对ti+ta的概率密度函数积分得到满足ti+ta≤t
delay_1
的概率p(ti+ta≤t
delay_1
)：
[0090][0091]
根据公式(19)、(21)、(24)的推导结果，得到数据包2与其下行ack信号之间存在其他上行包时的碰撞概率
[0092][0093]
因此，最终得到了上行数据包发送后信道中有其他数据包传输的概率
[0094]
[0095]
结合公式(3)、(14)、(26)得到一个关于的二元二次方程：
[0096][0097][0098][0099][0100]
解方程分别得到的值，代入到通过公式(1)、(2)推导得到的确认模式下的数据包成功传输概率p(suc)中：
[0101][0102]
s2、利用基于公平化扩频因子分配算法，以最高的网络平均数据包成功传输概率为目标，得到最优的扩频因子分配；
[0103]
需要说明的是，为了提高数据包的成功传输概率，需要将不同扩频因子下的成功传输概率趋于一致，也就是将不同扩频因子下的最小成功传输概率最大化，因此优化的目标函数为：
[0104][0105]
目标函数表示最大化不同扩频因子下成功传输概率的最小值。此优化是一个非凸非线性优化过程，求解过程非常困难，因此本发明采用启发式的fsfa算法，以达到优化目的。fsfa算法的核心思想是：尽可能地增加成功传输概率较大的扩频因子的终端节点数目，同时减小成功传输概率较小的扩频因子的终端节点数目，使得不同扩频因子下的数据包成功接收概率趋于一致，此时也达到了网络平均概率的最大值。
[0106]
步骤s2具体为：
[0107]
s21、初始化：令不同扩频因子的终端节点的子集大小相同即nk相同，确定一个初始终端节点转移区间大小d；
[0108]
s22、根据nk计算不同扩频因子下的数据包成功传输概率并将最大概率记为p
max
；
[0109]
s23、在最小成功传输概率的子集中将d个节点分配给成功传输概率最大的子集，重新计算各个子集的数据包成功接收概率；
[0110]
s24、此时若各个子集中的最小成功传输概率p
temp
大于p
max
，则将此时的概率值p
temp
记为p
max
；若各个子集中的最小成功传输概率p
temp
小于p
max
，则将d减小，重复步骤s23，在d减小至0时，得到最优的扩频因子分配结果。
[0111]
s3、以最优的扩频因子分配为基础，采用发射功率综合分配算法，对lora网络中终端节点的发射功率进行调整以满足接受灵敏度的要求。
[0112]
需要说明的是，经过fsfa算法的计算得到了不同扩频因子下分配的终端节点数目，在这种分配情况下，不同扩频因子的数据包成功传输概率趋于一致的同时网络平均数据包成功传输概率达到了最大值。然而对于不同位置的终端节点，它们与中心网关之间的距离不同，由于网关接收灵敏度的限制，在固定发射功率的情况下，不能完全满足fsfa算法的扩频因子分配结果。
[0113]
因此，以fsfa算法的扩频因子分配结果为基础，提出发射功率综合分配算法，调整各个终端节点的发射功率使得网关接收灵敏度也得以满足。itpa算法的核心思想是：保持fsfa算法的扩频因子分配结果，让所有的终端节点以最小的发射功率满足网关接收灵敏度的要求。
[0114]
步骤s3具体为：
[0115]
s31、初始化：准备发射功率选择矩阵p
tx_sta
和接收灵敏度矩阵p
rx_min
，根据最优的扩频因子分配结果得到终端节点的扩频因子矩阵s，同时根据终端节点与网关之间的距离计算路径损耗矩阵l；
[0116]
s32、针对终端节点k，遍历发射功率选择矩阵p
tx_sta
，找到能够使得接收灵敏度满足的最小发射功率p
tx_sta
(i)，此时p
tx_sta
(i)+l(k)≥p
rx_min
[s(k)-6]，并记录此时的最小发射功率p
tx_real
(k)＝p
tx_sta
(i)；
[0117]
s33、遍历每个终端节点，重复步骤s32得到了终端节点的发射功率矩阵p
tx_real
。
[0118]
作为一种实施例，本发明中仿真相关的参数设定进行说明如下：设定lora网络为一个以网关为中心半径为r的圆形区域，在该圆形区域内均匀分布了n个终端节点。具体参数设置如表1所示。
[0119]
表1仿真参数设置
[0120][0121]
基于表1设置仿真参数，对sf_tp allocation算法和对照组算法进行仿真，得到了不同终端节点下扩频因子和发射功率的分布结果，进一步求得网络对应的平均数据包成功接收概率以及平均能耗。
[0122]
对照组算法分别为：
[0123]
(1)基于接收灵敏度的扩频因子分配(spread factor allocation based on receiving sensitivity，sfars)算法；(2)扩频因子平均分配(uniform spread factor allocation，usfa)算法；(3)fsfa算法。在对照组算法与sf_tp allocation算法网络平均能耗一致的情况下，固定对照组的发射功率。
[0124]
以200个终端节点为例，对比sf_tp allocation算法和对照组算法的扩频因子发射功率配置情况。对sf_tp allocation算法的每个终端节点的扩频因子发射功率分布情况进行仿真，结果如图12所示，根据终端节点到网关的距离由近及远对终端节点进行排序作为横坐标，纵坐标分别为发射功率和扩频因子。
[0125]
sf_tp allocation算法中，在扩频因子方面，扩频因子为7的终端节点数目最多，随着扩频因子增大分配该扩频因子的终端节点变少，扩频因子为12的终端节点数目最少。如图12所示，sf_tp allocation算法的扩频因子分布情况与最佳扩频因子分布一致，在相同扩频因子子集内，终端节点的发射功率随着它与中心网关距离的增加而逐渐增大。
[0126]
网络平均数据包成功传输概率和平均能耗之间是一个动态平衡的过程：增大扩频因子数据包长度会增加，发送时间也会随之增加，从而增大了碰撞概率减小了成功传输概率，同时该终端节点的能耗也会增加。但是扩频因子较大时，网关的接收灵敏度会更容易满足，从另一个角度增加了网络平均数据包成功传输概率。增大终端节点的发射功率，会提高能量的消耗，但是也会减小网关接收灵敏度的限制使得该终端节点能够取到更低的扩频因子，因此需要找寻合适的扩频因子和发射功率，使数据包成功传输概率和能耗之间达到平衡。
[0127]
进一步分析对比，在网络平均能耗一致的情况下，sf_tp allocation算法和对照组算法的平均数据包成功传输概率，结果如图13所示。
[0128]
如图13所示，随着终端节点数目的增加，lora网络的平均包接收率会逐渐下降，这是由于在lora网络覆盖范围一定时，终端节点数目的增加会增大网络终端节点的密度，数据包传输时的碰撞会增多，从而导致数据包成功传输概率下降。对比于对照组算法，终端节点数目相同时，sf_tp allocation算法的平均数据包成功传输概率最高提高了30％。usfa算法和fsfa算法的仿真结果更差，在固定发射功率时，由于网关接收灵敏度的限制，网络中许多终端节点发出的数据包都无法被网关接收，使得该终端节点的数据包成功传输概率为0，从而严重降低了网络平均数据包成功传输概率。对于sfars算法，首先满足了网关的接收灵敏度，从而保证每个终端节点发送的数据都能被网关接收，但是由于网络平均能耗一致、发射功率固定，对比sf_tp allocation算法，sfars算法给更多的终端节点分配了较大的扩频因子，导致较大扩频因子下的数据包成功传输概率极低，从而降低了整个网络的平均数据包成功传输概率。
[0129]
本发明的有益效果是：提供了一种在网关灵敏度限制下的扩频因子和发射功率的配置策略，使得网络平均数据包成功传输概率有较大的提升。
[0130]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、根据lora网络通信确认模式下上行数据包和下行ack信号的碰撞情况，计算不同扩频因子下的数据包成功传输概率；s2、利用基于公平化扩频因子分配算法，以最高的网络平均数据包成功传输概率为目标，得到最优的扩频因子分配；s3、以最优的扩频因子分配为基础，采用发射功率综合分配算法，对lora网络中终端节点的发射功率进行调整以满足接受灵敏度的要求。2.如权利要求1所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：步骤s1中不同扩频因子下的数据包成功传输概率计算公式为:p(suc)＝p(up)
·
p(down|up)其中，p(up)为上行数据包成功传输的概率，p(down|up)为上行数据包成功传输的条件下下行ack信号也成功传输的概率。3.如权利要求1所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：概率p(down|up)表示为：其中，终端节点以扩频因子sf
k
发送上行数据包，对应的传输时间为t
k
，在t
delay_1
秒后网关回传ack信号，ack信号的长度固定，根据不同的扩频因子sf
k
得到不同的传输时间t
ack
，t
ack
＜t
k
，每个终端节点的发送密度为λ，不同扩频因子下终端节点子集n
k
的发送密度为λ
k
＝n
k
·
λ。4.如权利要求3所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：概率p(up)表示为：其中，为上行数据包发送前信道中有其他数据包传输的概率，为上行数据包发送后信道中有其他数据包传输的概率。5.如权利要求4所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：概率表示为:表示为:6.如权利要求5所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：概率表示为：
7.如权利要求1所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：步骤s2具体为：s21、初始化：令不同扩频因子的终端节点的子集大小相同即n
k
相同，确定一个初始终端节点转移区间大小d；s22、根据n
k
计算不同扩频因子下的数据包成功传输概率并将最大概率记为p
max
；s23、在最小成功传输概率的子集中将d个节点分配给成功传输概率最大的子集，重新计算各个子集的数据包成功接收概率；s24、此时若各个子集中的最小成功传输概率p
temp
大于p
max
，则将此时的概率值p
temp
记为p
max
；若各个子集中的最小成功传输概率p
temp
小于p
max
，则将d减小，重复步骤s23，在d减小至0时，得到最优的扩频因子分配结果。8.如权利要求1所述的一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，其特征在于：步骤s3具体为：s31、初始化：准备发射功率选择矩阵p
tx_sta
和接收灵敏度矩阵p
rx_min
，根据最优的扩频因子分配结果得到终端节点的扩频因子矩阵s，同时根据终端节点与网关之间的距离计算路径损耗矩阵l；s32、针对终端节点k，遍历发射功率选择矩阵p
tx_sta
，找到能够使得接收灵敏度满足的最小发射功率p
tx_sta
（i），此时p
tx_sta
（i)+l(k)≥p
rx_min
[s(k)-6]，并记录此时的最小发射功率p
tx_real
(k)＝p
tx_sta
(i)；s33、遍历每个终端节点，重复步骤s32得到了终端节点的发射功率矩阵p
tx_real
。

技术总结
本发明公开了一种确认模式下扩频因子和发射功率配置方法，方法包括：根据LoRa网络通信确认模式下上行数据包和下行ACK信号的碰撞情况，计算不同扩频因子下的数据包成功传输概率；利用基于公平化扩频因子分配算法，以最高的网络平均数据包成功传输概率为目标，得到最优的扩频因子分配；以最优的扩频因子分配为基础，采用发射功率综合分配算法，对LoRa网络中终端节点的发射功率进行调整以满足接受灵敏度的要求。本发明有益效果是：提供了一种在网关灵敏度限制下的扩频因子和发射功率的配置策略，使得网络平均数据包成功传输概率有较大的提升。的提升。的提升。


技术研发人员：张帅 李艳 刘勇
受保护的技术使用者：武汉晴川学院
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/20