面向移动LoRa终端的可靠数据传输方法与流程

面向移动lora终端的可靠数据传输方法
技术领域
1.本发明属于物联网中低功耗广域网的技术领域，主要涉及了一种面向移动lora终端的可靠数据传输方法。


背景技术：

2.低功耗广域网(low-power wide-area networks，lpwan)是可提供远距离低功耗通信的一类物联网技术(无线通信技术)。因其小数据、大连接、低成本等特性，lpwan被广泛应用于智慧工业、智慧城市、智慧农场等大范围场景，以提供低功耗远距离通信。依据是否授权频谱，目前市场上主流的lpwan技术主要可分为两类：(1)非授权频谱的非蜂窝技术，主要包括lora(long range)、sigfox等。(2)已授权频谱的蜂窝物联网技术，主要包括nb-iot、lte-m等。其中，lora因具有开放性架构、按需自主组网、微型化易部署等优势，尤其适用于运营商网络无法覆盖的户外环境，如智慧工业、智慧城市、智慧农场等需要长周期低功耗数据监测的环境，因此在一众lpwan技术中脱颖而出。因此，围绕lora网络展开深入透彻的前瞻性研究具有重要的理论和应用价值。
3.lora网络主要由终端、网关、网络服务器及应用服务器等组成。lora终端和网关以单跳星型网络拓扑，通过lorawan连接，终端设备按照一定的传输参数，采用纯aloha方式向网关传输传感器数据。传输参数主要有：载波频率(carrier frequency，cf)、扩频因子(spreading factor，sf)、带宽(bandwidth，bw)、编码率(code rate，cr)和发送功率(transmission power，tp)。其中扩频因子越大(sf7-sf12)，传输速率越小，传输距离越远，传输能耗越大；发送功率越大，传输距离越远，传输能耗越大。一个载波频率和一个扩频因子的组合构成了终端与网关的一个信道。一个lora网关最多可设置8个载波频率，同时监听这8路载波频率传输的信号，对这8路信号并行解调。lora终端与网关的通信过程会受到两类传输干扰：co-sf干扰和inter-sf。网关通过蜂窝网络、以太网或者wi-fi等网络向网络服务器发送解调后的数据包，网络服务器解析处理数据包后，视应用需求将对应数据上传至应用服务器。
4.lora终端因其可自主按需组网等优势，已在智慧城市、智慧农业等领域广泛部署。如地理位置资产管理，lora网络可为运输供应商、医疗保健、食品服务和许多其他垂直行业提供远程通信和超低功耗的地理位置资产管理；野生动物追踪，用户可追踪佩戴lora终端的大象、海豚等野生动物的踪迹；紧急救援场景，lora网络因其抗干扰强的特点，可用于地震、森林火灾、火山等场景进行通信，进入灾区的救援人员可通过佩戴的lora终端进行通信。在上述场景中，lora终端均具有移动性，存在于lora网关通信距离变动的特点。由于lora复杂的传输特性与lora网关有限的并行接收能力，lora终端的移动性将导致传输参数、噪声干扰、终端分布情况的不确定性，易导致数据包无法发送到lora网关，或因为大量的传输冲突而导致发送失败。且由于lora终端的移动性，lora网关有时也需要跟随lora终端移动，方可长期为移动lora终端提供高质量(低功耗、高速率等)的通信服务。因此，在lora终端移动的情况下，如何分配传输参数，调度网关下行通信，以保障移动lora终端与
lora网关的可靠传输，并尽可能保障低功耗传输，延长lora网络生命周期，是亟待解决的核心问题。


技术实现要素：

5.本发明正是针对现有技术中由于lora终端移动性导致的通信距离、噪声干扰、通信环境等不确定性，导致通信的不可靠性问题，提供一种面向移动lora终端的可靠数据传输方法，首先通过一次通信确定lora终端与网关之间的通信距离，并根据通信距离选择传输能耗最小的参数；然后为保障传输可靠性，设计了lora终端移动情况下的终端信道选择方案；最后考虑到lora终端的移动情况，提出了利用移动lora网关提供可靠传输服务，设计了lora终端位置感知方法，在lora网关可移动的前提下，使lora网关可跟随lora终端移动，覆盖尽可能多的lora终端，使尽可能多的lora终端可以以更快的通信速率、更小的传输能耗进行通信，在保障可靠数据传输的同时，尽可能降低lora终端传输能耗，延长lora网络生命周期。
6.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：面向移动lora终端的可靠数据传输方法，包括如下步骤:
7.s1，通信距离确定：确定lora终端与lora网关的通信距离，根据通信距离确定lora终端传输所需的扩频因子sf及传输功率tp；
8.s2，lora终端传输信道选择：lora终端初始时随机选择信道发送上行数据包，若上行成功，lora网关会向终端发送对应的下行信息，提示lora终端上行成功，并更新lora网关的地理位置，随着通信次数的增加，lora终端的信道以p概率随机选择上行传输信道，以(1-p)概率从发送成功的历史信道中选择成功概率最高的信道，lora终端记录使用给定上行信道进行传输时的发送成功率；
9.s3，lora终端移动感知：移动lora网关根据接收到的终端的信号强度rssi情况及gps信息感知终端的密集情况，移动至终端聚集程度较高处进行通信。
10.作为本发明的一种改进，所述步骤s1具体包括：
11.s11:lora终端第一次以最大的传输参数向移动lora网关发送上行数据包；
12.s12:移动lora网关接收到lora终端上行数据包之后，以终端的上行传输参数发送第一次下行数据包通知lora终端已上行成功，并在第一次下行数据包中加入自身当时的gps数据；
13.s13：lora终端接收到移动lora网关下行数据包中包含的gps数据后，每次上行前，根据自身的gps及移动lora网关的gps数据，计算出两者的通信距离；
14.s14：lora终端根据通信距离及路径损耗模型，计算出满足通信距离要求的传输参数组合，并选择其中传输能耗最低的，所述组合包括扩频因子sf及传输功率tp；
15.s15：若移动lora网关发生位置变动，在位置变动后接收到lora终端上行数据包时，在位置变动后第一次发送的下行数据包中更新自身的gps信息。
16.作为本发明的一种改进，所述步骤s2中上行信道成功率记录方式如下：若lora终端通过信道x共发送了m次上行数据包，其中接收到了n次下行数据包，则信道x的下行成功率为n/m，lora终端需在本地存储：x，n，m；通过信道x每成功上行成功一次，n及m各+1；若上行不成功，则m值+1，n值不变。
17.作为本发明的一种改进，所述步骤s2中，lora终端每次发送上行数据包的信道选择方案如下：随机选择一个0-1之间的实数，若该数字在区间[0,p)内，则lora终端随机选择一个信道发送上行数据；若该数字在区间[p,1]内，则lora终端随机选择当前成功率(n/m)最大的信道发送上行数据包。
[0018]
作为本发明的另一种改进，所述步骤s3中，移动lora网关在接收到移动lora终端发送的上行数据包后，可解析出上行数据包的rssi值以及lora终端发送数据时的gps，
[0019]
若为单移动lora网关，则移动lora网关在本地汇总当前接收到的所有移动lora终端gps信息，辅以rssi值最强处加以校准误差，每隔固定时间计算终端聚集中心或设定终端移动距离阈值，确定移动lora终端较密集的点；
[0020]
若为多移动lora网关，每隔固定时间计算终端聚集中心或设定终端移动距离阈值，确定移动lora终端较密集的点。
[0021]
作为本发明的又一种改进，所述步骤s3中若为单移动lora网关，当发现大量终端发生大规模移动时，则采用聚类方法，确定移动lora终端较密集的点；若为为多移动lora网关，当发现大量终端发生大规模移动时，则移动lora网关在接收到移动lora终端的gps与rssi值信息后，立即将信息转发给网络服务器，网络服务器在全局计算出前k个终端分布最密集的点，其中k为移动lora网关数量，并向各移动lora网关发送调度信息，调度各移动lora网关前往最近的点。
[0022]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0023]
(1)首次针对移动lora终端提出了可靠数据传输方法，在智慧城市、智慧农场、地理资产追踪等各类应用中，lora终端往往具有移动性，这将导致传输参数、噪声干扰、通信环境等的不确定性，最终导致数据传输可靠性低。本发明针对这一问题，提出了移动场景下的lora终端可靠数据传输方法。
[0024]
(2)针对lora复杂的传输特性，如传输参数与通信距离耦合、存在co-sf干扰和inter-sf干扰等问题，及lora网关有限的并行下行能力，导致的大量传输冲突。在移动环境下，由于lora终端位置变动带来的通信不确定性，更加剧了此类问题的发生。本发明通过对通信距离以及传输冲突的感知，可保障lora终端移动情况下的数据传输可靠性。
[0025]
(3)考虑到部分应用中，lora终端移动的范围较广，本发明提出了利用移动lora网关感知并跟随lora终端移动，以为移动lora终端提供长期可靠的传输服务。
附图说明
[0026]
图1为本发明面向移动lora终端的可靠数据传输方法的系统架构图；
[0027]
图2为本发明面向移动lora终端的可靠数据传输方法终端的工作流程图；
[0028]
图3为本发明面向移动lora终端的可靠数据传输方法网关的工作流程图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0030]
实施例1
[0031]
一种面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其具体架构如图1所示，由移动lora
终端、(移动)lora网关、网络服务器组成。移动lora终端将数据发送至(移动)lora网关，(移动)lora网关将接收到的数据转发至网络服务器，本发明一种面向移动lora终端的可靠数据传输方法具体包括以下步骤：
[0032]
步骤s1:首先确定lora终端与lora网关的通信距离，然后根据通信距离确定lora终端传输所需的扩频因子(sf)及传输功率(tp)。lora网关在当前位置第一次成功下行时，将自身的gps信息发送给lora终端，lora根据自身的gps信息，可在每次传输之前根据两者的gps信息，计算出与网关的通信距离，根据通信距离选择可满足通信需求，且消耗最少传输能耗的扩频因子及传输功率；
[0033]
步骤s11:lora终端第一次以最大的传输参数向(移动)lora网关发送上行数据包，以确保(移动)lora网关尽可能收到上行数据包；
[0034]
步骤s12:移动lora网关接收到lora终端上行数据包之后，以终端的上行传输参数发送第一次下行数据包通知lora终端已上行成功，并在第一次下行数据包中加入自身当时的gps数据；
[0035]
步骤s13:lora终端接收到移动lora网关下行数据包中包含的gps数据后，每次上行前，根据自身的gps(lora终端可带有gps模块)以及移动lora网关的gps数据，计算出两者的通信距离；
[0036]
步骤s14:lora终端根据通信距离及路径损耗模型，可计算出满足通信距离要求的若干个传输参数组合(主要包括sf及tp)，并选择其中传输能耗最低的组合。在传输能耗容忍度较高的应用中，若选择相同扩频因子的终端数较多，则可逐级选择满足通信距离的、更大的扩频因子。如sf7和tp12的组合，及sf8和tp10的组合均可满足通信距离为100米的要求，但前者的传输能耗更低，lora终端优先选择前者作为传输参数。若选择sf7的终端数较多，则部分终端可选择sf8和tp10的组合；
[0037]
步骤s15:若移动lora网关发生位置变动，需在位置变动后接收到lora终端上行数据包时，在位置变动后第一次发送的下行数据包中更新自身的gps信息。
[0038]
步骤s2:lora终端初始时随机选择信道发送上行数据包，若上行成功，lora网关会向终端发送对应的下行信息，提示lora终端上行成功，以及更新lora网关的地理位置，以保障通信的可靠性。随着通信次数的增加，lora终端的信道选择可采取随机概率机制发送，即以p概率随机选择上行传输信道，以(1-p)概率从发送成功的历史信道中选择成功概率最高的信道，概率可根据用户需求或实际通信情况调整；
[0039]
初始时lora终端随机选择信道发送上行数据，若能成功收到移动lora网关发送的下行数据包，则说明对应的上行数据包发送成功，也即对应的上行信道可以成功发送数据，lora终端记录使用给定上行信道进行传输时的发送成功率；
[0040]
上行信道成功率记录方式如下：若lora终端通过信道x共发送了m次上行数据包，其中接收到了n次下行数据包，则信道x的下行成功率为n/m，lora终端需在本地存储：x，n，m。此后，通过信道x每成功上行成功一次，n及m各+1；若上行不成功，则m值+1，n值不变；
[0041]
lora终端每次发送上行数据包的信道选择方案如下：随机选择一个0-1之间的实数，若该数字在区间[0,p)内，则lora终端随机选择一个信道发送上行数据；若该数字在区间[p,1]内，则lora终端随机选择当前成功率(n/m)最大的信道发送上行数据包。是否随机选择的比例可按照用户需求及实际情况调整，如环境动态性较高时，信道质量变动较大，则
随机选择的比例可适当提高。此方案可适应lora终端移动情况下的噪声干扰、信道质量变化、通信距离变化等因素，随机选择信道可避免一直选择某个或某几个信道，使信道选择可适应环境动态变化的，避免lora终端信道选择陷入死循环，为实现传输可靠性提供了保障。选择成功率高的信道，为成功上行传输提供了基础。两者的比例可根据实际情况修改，如环境动态性高、终端移动频繁、信道成功率普遍较低等情况时，可适当调高随机信道选择的比例，以便快速选择可成功上行的信道。
[0042]
因而，本发明面向移动lora终端的可靠数据传输方法终端的工作流程如图2所示，移动lora终端初始以最大tp、sf和随机信道向网关发送上行数据包，若未接收到网关返回的下行数据包，则不断地更换随机信道持续发送；若接收到网关返回的下行数据包，则根据下行数据包中包含地网关gps信息计算通信距离。终端根据通信距离选择下次传输所需的传输参数，并随机选择信道发送上行数据包。若接收到下行数据包，则下行次数n及上行次数m各+1，信道的下行成功率变为(n+1)/(m+1)；若未接收到下行数据包，则下行次数n不变，上行次数m+1，信道的下行成功率变为n/(m+1)，并以概率p随机选择上行传输信道，以(1-p)概率从发送成功的历史信道中选择成功概率最高的信道。
[0043]
步骤s3:由于lora终端在不断移动，lora终端的地理位置及聚集情况将不断变动，因此可将lora网关与无人机等移动载体结合构成移动lora网关。移动lora网关根据接收到的终端的信号强度(rssi)情况及gps信息感知终端的密集情况，移动至终端聚集程度较高处，使尽可能多的终端可以尽可能低的传输能耗、尽可能快的传输速率进行通信。本步骤中，提出利用移动lora网关适应lora终端的移动性，原因如下：由于lora终端的移动性，终端的地理位置、聚集情况等将不断变动，为向尽可能多的终端提供更好的通信，如较低传输能耗、较快传输速率等，提出利用移动lora网关为移动lora终端提供通信服务，移动lora网关可根据lora终端的移动趋向及密集程度，跟随lora终端的移动，以实现始终为lora终端提供优质通信服务。
[0044]
移动lora终端在每次发生位置变动后与移动lora网关的第一次通信时，将自身的gps信息包含在上行数据包中。移动lora网关在接收到移动lora终端发送的上行数据包后，即可解析出上行数据包的rssi值，以及lora终端发送数据时的gps。
[0045]
若为单移动lora网关，则移动lora网关可在本地汇总当前接收到的所有移动lora终端gps信息，辅以rssi值最强处加以校准误差，可每隔一段时间计算终端聚集中心，或设定终端移动距离阈值，若发现大量终端发生大规模移动，如聚集情况改变等，则可采用聚类方法，确定移动lora终端较密集的点，可根据终端通信范围重叠程度，或到所有终端总距离和最短等要求来确定。
[0046]
若为多移动lora网关，同样可每隔一段时间计算终端聚集中心，或设定终端移动距离阈值，若发现大量终端发生大规模移动，如聚集情况改变等，则移动lora网关在接收到移动lora终端的gps与rssi值等信息后，需立即将信息转发给网络服务器，网络服务器在全局计算出前k个终端分布最密集的点，其中k为移动lora网关数量，并向各移动lora网关发送调度信息，调度各移动lora网关前往最近的点，以在尽可能节省移动载体能耗的同时，为移动lora终端提供低功耗、高速率的传输。
[0047]
因而，本发明面向移动lora终端的可靠数据传输方法网关的工作流程如图3所示。网关在接收到移动lora终端的上行数据包后，向终端发送下行数据包，若为初次通信或移
动lora网关位置变动后的首次通信，则下行数据包中需包含网关自身gps。若终端位置变动，则网关将接收到包含终端gps信息的上行数据包，若为单移动lora网关场景，则单移动lora网关将根据该信息计算移动位置，并移动到lora终端的通信范围内；若为多移动lora网关场景，则接收到上行数据包的网关将上行数据包转发至网络服务器，网络服务器将调度多网关传输下行数据包。移动lora网关将移动到终端信聚集点以提供传输服务。
[0048]
本发明着重解决lora终端移动情况下，由于lora终端移动性导致的通信距离、噪声干扰、通信环境等的不确定性，导致通信的不可靠性问题。本方法逻辑上主要包括三个步骤：通信距离确定，lora终端传输信道选择，lora终端移动感知。本发明首先通过一次通信确定lora终端与网关之间的通信距离，并根据通信距离选择传输能耗最小的参数；其次为保障传输可靠性，设计了lora终端移动情况下的终端信道选择方案；最后考虑到lora终端的移动情况，提出了利用移动lora网关提供可靠传输服务，设计了lora终端位置感知方案，在lora网关可移动的前提下，使lora网关可跟随lora终端移动，靠近尽可能多的lora终端，使尽可能多的lora可以更快的通信速率、更小的传输能耗进行通信，在保障可靠数据传输的同时，尽可能降低lora终端传输能耗，延长lora网络生命周期。
[0049]
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤:s1，通信距离确定：确定lora终端与lora网关的通信距离，根据通信距离确定lora终端传输所需的扩频因子sf及传输功率tp；s2，lora终端传输信道选择：lora终端初始时随机选择信道发送上行数据包，若上行成功，lora网关会向终端发送对应的下行信息，提示lora终端上行成功，并更新lora网关的地理位置，随着通信次数的增加，lora终端的信道以p概率随机选择上行传输信道，以(1-p)概率从发送成功的历史信道中选择成功概率最高的信道，lora终端记录使用给定上行信道进行传输时的发送成功率；s3，lora终端移动感知：移动lora网关根据接收到的终端的信号强度rssi情况及gps信息感知终端的密集情况，移动至终端聚集程度较高处进行通信。2.如权利要求1所述的面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤s1具体包括：s11:lora终端第一次以最大的传输参数向移动lora网关发送上行数据包；s12:移动lora网关接收到lora终端上行数据包之后，以终端的上行传输参数发送第一次下行数据包通知lora终端已上行成功，并在第一次下行数据包中加入自身当时的gps数据；s13：lora终端接收到移动lora网关下行数据包中包含的gps数据后，每次上行前，根据自身的gps及移动lora网关的gps数据，计算出两者的通信距离；s14：lora终端根据通信距离及路径损耗模型，计算出满足通信距离要求的传输参数组合，并选择其中传输能耗最低的，所述组合包括扩频因子sf及传输功率tp；s15：若移动lora网关发生位置变动，在位置变动后接收到lora终端上行数据包时，在位置变动后第一次发送的下行数据包中更新自身的gps信息。3.如权利要求2所述的面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤s2中上行信道成功率记录方式如下：若lora终端通过信道x共发送了m次上行数据包，其中接收到了n次下行数据包，则信道x的下行成功率为n/m，lora终端需在本地存储：x，n，m；通过信道x每成功上行成功一次，n及m各+1；若上行不成功，则m值+1，n值不变。4.如权利要求3所述的面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤s2中，lora终端每次发送上行数据包的信道选择方案如下：随机选择一个0-1之间的实数，若该数字在区间[0,p)内，则lora终端随机选择一个信道发送上行数据；若该数字在区间[p,1]内，则lora终端随机选择当前成功率(n/m)最大的信道发送上行数据包。5.如权利要求4所述的面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤s3中，移动lora网关在接收到移动lora终端发送的上行数据包后，可解析出上行数据包的rssi值以及lora终端发送数据时的gps，若为单移动lora网关，则移动lora网关在本地汇总当前接收到的所有移动lora终端gps信息，辅以rssi值最强处加以校准误差，每隔固定时间计算终端聚集中心或设定终端移动距离阈值，确定移动lora终端较密集的点；若为多移动lora网关，每隔固定时间计算终端聚集中心或设定终端移动距离阈值，确定移动lora终端较密集的点。6.如权利要求5所述的面向移动lora终端的可靠数据传输方法，其特征在于：所述步骤
s3中若为单移动lora网关，当发现大量终端发生大规模移动时，则采用聚类方法，确定移动lora终端较密集的点；若为为多移动lora网关，当发现大量终端发生大规模移动时，则移动lora网关在接收到移动lora终端的gps与rssi值信息后，立即将信息转发给网络服务器，网络服务器在全局计算出前k个终端分布最密集的点，其中k为移动lora网关数量，并向各移动lora网关发送调度信息，调度各移动lora网关前往最近的点。

技术总结
本发明公开了一种面向移动LoRa终端的可靠数据传输方法，首先通过一次通信确定LoRa终端与网关之间的通信距离，并根据通信距离选择传输能耗最小的参数；然后为保障传输可靠性，设计了LoRa终端移动情况下的终端信道选择方案；最后考虑到LoRa终端的移动情况，提出了利用移动LoRa网关提供可靠传输服务，设计了LoRa终端位置感知方法，在LoRa网关可移动的前提下，使LoRa网关可跟随LoRa终端移动，覆盖尽可能多的LoRa终端，使尽可能多的LoRa终端可以以更快的通信速率、更小的传输能耗进行通信，在保障可靠数据传输的同时，尽可能降低LoRa终端传输能耗，延长LoRa网络生命周期。延长LoRa网络生命周期。延长LoRa网络生命周期。


技术研发人员：熊润群 陈慈媛 徐祝庆 林敬凯 罗军舟 王苏扬 任瑞 吴超
受保护的技术使用者：江苏金恒信息科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/13