LoRaWAN自适应功率和速率结合的低功耗控制方法与流程

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种LoRaWAN自适应功率和速率结合的低功耗控制方法。

背景技术：

无线传输技术的发展以及应用给企业运作和人们的生活带来了极大的实用性，其得到了广泛的应用，研究如何降低无线通信系统设备的能耗具有深远的意义。基于LoRaWAN协议的无线通信设备低功耗设计主要体现在发送功率的控制、传输速率的控制以及控制模块休眠时间。功率控制主要是通过接收到网关确认帧信息的RSSI值，对发送功率进行调整，在保证能正常通信的情况下尽量用较小功率发送消息，以达到降低功耗的目的。速率控制主要是通过设置不同的传输速率(Data Rate简称DR)，DR有0-5共6个级别，DR越大，传输灵敏度越低。反之，DR越小，传输灵敏度越高。

无线传输系统的节点主要由射频模块和数据采集与控制模块，通过射频模块实现节点与节点或者节点与网关之间的通信。一对多通信系统中，能量消耗主要由射频模块和数据控制模块两部分构成，射频模块的能耗主要由天线发送功率决定，与节点和节点或者网关之间的距离，传输的速率有关。选定天线后，射频模块需要的最大发送功率即确定下来，所以通过节点之间距离的不同，设置不同的发送功率，可以达到射频模块降低节点能耗的目的。由于系统节点与节点之间传输距离的不同，传输速率也不一样。距离近，传输速率快，功率高。距离远，传输速率慢，功耗低。数据控制模块的能耗主要由MCU运行时间和运行状态决定，需要数据采集或者通过射频模块收发数据时，控制模块随即进入到相应的运行状态，待数据收发或采集完毕立即进入休眠的运行状态以达到降低能耗的目的。

一对多点通信系统是无线传输通信系统中比较常见的通信系统方式，是指一个节点向多个节点分别发送不同的消息或者同时发送相同的消息，实现一对多的通信。本发明基于现有的无线通信技术改进低功耗的控制方法，结合了一对多的通信系统的特点，设计了一种适用于一对多通信系统的低功耗控制方法，以降低整个系统的功耗，使设备寿命更长。

技术实现要素：

本发明提供一种可降低整个系统的功耗的LoRaWAN自适应功率和速率结合的低功耗控制方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种LoRaWAN自适应功率和速率结合的低功耗控制方法，包括以下步骤：

S1：节点上电后，传输速率设为DR0状态，发送功率设为最小值Pmin，第一次上传数据后，等待网关回复确认指令，指令中包含了本次发送的RSSI值、传输速率信息，若没有收到网关的确认指令，则增加发送功率，直到收到网关的确认指令为止；

S2：根据上次数据成功发送的RSSI值计作Node_RSSI，若上限值 Node_RSSI_high>Node_RSSI>下限值Node_RSSI_low，说明发送功率适中，作为下次节点上传数据的发送功率；若Node_RSSI>上限值Node_RSSI_high，说明本次发送功率太大，能耗太高，将本次发送功率减小作为下次节点上传数据的发送功率；若Node_RSSI<下限Node_RSSI_low，说明此次发送功率太小，虽然能成功通信，但是存在潜在的丢包危险，需增加发送功率，修改后的发送功率则作为下次节点上传数据的发送功率；

S3：节点与网关建立联系后，第二次上传数据，本次发送功率为上次成功发送的功率，并重复步骤S2判断下次发送功率是否要进行修改，计算RSSI均值并根据该均值确定传输速率，如果传输速率和上一次确定的传输速率不一致，则减少计算RSSI均值的次数N，如果传输速率和上一次确定的传输速率一样，则增加计算RSSI均值的次数N；

S4：此后节点上传数据，使用移位平均的方法计算最近N次上传数据的RSSI 均值，发送功率为上次成功发送的功率，发送速率为调整之后的速率，并重复步骤S2判断下次发送功率是否要进行修改，判断发送速率是否发生变化；

S5：如果节点连续M次上传数据都出现了传输速率变化的情况，说明系统环境变化剧烈，应该减小求RSSI均值N的次数，降低误差的方式来应对；如果节点连续M次上传数据都没有出现了传输速率变化的情况，说明系统环境平稳，需增加求RSSI均值N的次数，增加精度的方式来应对，并且减小发送功率，使系统在平稳工作之后，在满足正常通信的情况下达到低功耗的目的。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明方法具有自适应调整节点传输速率和功率实现低功耗的作用；根据最近N次上传数据的RSSI均值来调整传输速率和传输功率，体现出系统环境的变化，能够自适应不同的系统环境，更适合作为自适应的低功耗的方法。

附图说明

图1本发明方法流程图。

图2为节点与网关建立联系后，节点与网关交互数据的过程示意图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种LoRaWAN自适应功率和速率结合的低功耗控制方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，节点上电后，传输速率设为DR0状态，发送功率设为最小值P_min。第一次上传数据后，等待网关回复确认指令，指令包含了本次发送的 RSSI值、传输速率信息。若没有收到网关的确认指令，则增加发送功率和降低传输速率，直到收到网关的确认指令为止。

2)根据上次数据成功发送的RSSI值计作Node_RSSI，若 Node_RSSI_high>Node_RSSI>Node_RSSI_low，说明发送功率适中，可作为下次节点上传数据的发送功率；若Node_RSSI>Node_RSSI_high，说明本次发送功率太大，能耗太高，可将本次发送功率减小作为下次节点上传数据的发送功率；若 Node_RSSI<Node_RSSI_low，说明此次发送功率太小，虽然能成功通信，但是存在潜在的丢包危险，应该增加发送功率，修改后的发送功率则作为下次节点上传数据的发送功率。网关根据数据成功上传的RSSI值确定其工作的合适速率，结果包含在下发的接收成功确认指令ACK之中。

3)如图2所示，节点与网关建立联系后，第二次上传数据，本次发送功率为上次成功发送的功率，并重复第2)步骤判断下次发送功率是否要进行修改，计算RSSI均值并根据该均值确定传输速率，如果传输速率和上一次确定的传输速率不一致，则减少计算RSSI均值的次数N。如果传输速率和上一次确定的传输速率一样，则增加计算RSSI均值的次数N。

4)进一步说，此后节点上传数据，使用移位平均的方法计算最近N次上传数据的RSSI均值，发送功率为上次成功发送的功率，发送速率为调整之后的速率，并重复第2)步骤判断下次发送功率是否要进行修改，判断发送速率是否发生变化。

5)如图3图3，如果节点连续M次上传数据都出现了传输速率变化的情况，说明系统环境变化剧烈，应该减小求RSSI均值N的次数，降低误差的方式来应对；如果节点连续M次上传数据都没有出现了传输速率变化的情况，说明系统环境平稳，应该增加求RSSI均值N的次数，增加精度的方式来应对。并且减小发送功率，使系统在平稳工作之后，在满足正常通信的情况下达到低功耗的目的。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。