基于大数据的LoRa通信系统的ADR调整方法及系统与流程

本发明涉及lora通信系统技术领域，尤其涉及一种基于大数据的lora通信系统的adr调整方法及系统。

背景技术：

目前，lorawan的adr策略是依据接收信号强度和信噪比来判断终端与网关的通信质量，从而通过lorawan服务器调整终端的通信速率(扩频因子)，使分布在不同位置的终端处在不同的速率上；因为在扩频调制中，同样带宽条件下，不同数据率之间是相互正交的，也就是说即使两个终端处在同一频率上，如果他们的通信数据率不同，也可以互不干扰的正常通信，这样就可以就达到扩充容量的目的，同时也保证了距离网关较远的终端也能高质量的通信。

1、对于半双工的通信系统而言，发射机和接收机只能交替工作，而不能同时工作；然而adr的调整需要网关给节点下发速率调整指令，不加干预的、频繁的adr调整指令会使网关处于高负荷状态，从而影响了系统容量。

2、通信环境的多样性以及电磁波的干扰等因素，会使adr调整策略出现误判；

3、adr的策略无法完全考虑到各地区的通信规范，大量的adr调整指令下发会使网关占空比超标；

4、由于每个国家和地区对无线电的规划不同，导致各国的无线电环境各不相同，一套固定的adr策略无法适应全球的通信环境。

技术实现要素：

本发明提供一种基于大数据的lora通信系统的adr调整方法及系统，旨在利用大数据分析的adr策略更准确的把控lora通信系统容量和通信质量之间的平衡。

为实现上述目的，本发明提供一种基于大数据的lora通信系统的adr调整方法，所述方法应用于基于大数据的lora通信系统的adr调整系统，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整系统包括lora服务器、与所述lora服务器通信连接的lora网关，所述lora网关与外界lora终端通信连接，所述方法包括以下步骤：

所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据；

所述lora网关将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器；

所述lora服务器将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差；

所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率。

本发明的进一步的技术方案是，所述lora服务器根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率的步骤包括：

所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限得到所述lora终端的通信速率的的调整值；

所述lora服务器根据所述调整值通过所述lora网关调整所述lora终端的通信速率。

本发明的进一步的技术方案是，所述lora服务器根据所述调整值通过所述lora网关调整所述lora终端的通信速率的步骤之后还包括：

所述lora服务器将所述lora终端上报的调整后的通信速率值与预设通信速率值相比对；

若相同，则调整成功；

若不相同，则返回执行所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据的步骤。

本发明的进一步的技术方案是，所述lora服务器根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率的步骤之后还包括：

所述lora服务器记录调整所述lora终端的通信速率的结果；

所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据；

返回执行所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据的步骤。

本发明的进一步的技术方案是，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整系统还包括云端数据库和数据处理服务器，所述方法还包括：

所述云端数据库收集向所述lora网关发送通信信息的lora终端的通信数据，以及所述lora网关的通信数据；

所述数据处理服务器处理所述云端服务器收集到的数据，处理内容包括：统计所述lora终端的数量、所述lora网关的工作时间、每个lora终端的信噪比正态分布、每个lora终端的丢包率；

若所述lora终端上报的数据量达到预设的adr调整触发门限时，所述数据处理服务器开始对所述lora终端进行调节，此时所述lorawan服务器将不再独立对所述lora终端进行adr调节，除非所述lora终端复位或者重新入网。

为实现上述目的，本发明还提出一种基于大数据的lora通信系统的adr调整系统，所述系统包括lora服务器、与所述lora服务器通信连接的lora网关，所述lora网关与外界lora终端通信连接；

所述lora网关用于在接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据，并将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器；

所述lora服务器用于将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差，并根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率。

本发明的进一步的技术方案是，所述lora服务器还用于根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限得到所述lora终端的通信速率的的调整值，并根据所述调整值通过所述lora网关调整所述lora终端的通信速率。

本发明的进一步的技术方案是，所述lora服务器还用于将所述lora终端上报的调整后的通信速率值与预设通信速率值相比对。

本发明的进一步的技术方案是，所述lora服务器还用于记录调整所述lora终端的通信速率的结果，清空所述容器的通信信息的信噪比数据。

本发明的进一步的技术方案是，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整系统还包括云端数据库和数据处理服务器；

所述云端数据库用于收集向所述lora网关发送通信信息的lora终端的通信数据，以及所述lora网关的通信数据；所述数据处理服务器用于处理所述云端服务器收集到的数据，处理内容包括：统计所述lora终端的数量、所述lora网关的工作时间、每个lora终端的信噪比正态分布、每个lora终端的丢包率；

若所述lora终端上报的数据量达到预设的adr调整触发门限时，所述数据处理服务器开始对所述lora终端进行调节，此时所述lorawan服务器将不再独立对所述lora终端进行adr调节，除非所述lora终端复位或者重新入网。

本发明的有益效果是：本发明基于大数据的lora通信系统的adr调整方法及系统通过上述技术方案，所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据；所述lora网关将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器；所述lora服务器将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差；所述lora服务器根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率，利用大数据分析的adr策略更准确的把控lora通信系统容量和通信质量之间的平衡，优化了系统容量，提升了通信成功率，并提升了lora通信系统对环境的适应能力。

附图说明

图1是本发明基于大数据的lora通信系统的adr调整方法较佳实施例的流程示意图；

图2是图1中步骤s40的细化流程示意图；

图3是lora终端分布示意图；

图4是半双工网关的射频前端框图；

图5是全双工网关射频前端框图；

图6是半双工网关工作时间分配示意图；

图7是adr控制流程示意图；

图8是lorawan云服务器的adr策略示意图；

图9是利用数据库进行数据处理及流程示意图；

图10是数据包长度与传输时间关系曲线图；

图11是网关解析到终端的snr正态分布与snr取值，预测终端的丢包率示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，图1是本发明基于大数据的lora通信系统的adr调整方法较佳实施例的流程示意图。

本实施例应用于基于大数据的lora通信系统的adr调整系统，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整系统包括lora服务器、与所述lora服务器通信连接的lora网关，所述lora网关与外界lora终端通信连接。

本实施例是针对星型组网的lorawan通信系统，利用lorawan云服务器对lora网关转发的lora终端通信信噪比进行判断，并控制lora终端的通信速率，数据处理服务器利用lora云数据库进行大数据处理。

其中，所述lora网关包括中央处理器、lora通信模块、电源模块、以太网模块或gsm/gprs模块或3g/4g/5g模块或wifi模块、外围设备接口等。所述lora终端包括中央处理器、lora模块、电源模块等，所述lora终端应用场景为非移动式应用场景。

所述方法包括以下步骤：

步骤s10，所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据。

步骤s20，所述lora网关将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器。

在lorawan通信系统中，lora终端会在给定的周期以内以固定功率上报一条消息，所述lora网关接收并解调该消息后，会将当次通信的信号质量(信噪比)数据上传给所述lora服务器，并存储至云端数据库。

步骤s30，所述lora服务器将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差。

计算一定样本量的通信信息的信噪比数据的平均值是为了确保采样的准确性，计算极差是考虑到无线电环境的不确定因素，极差较大时需要采用更保守的通信速率，以确保通信的成功率。

步骤s40，所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率。

所述lora服务器通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差后，lorawan云服务器会根据给定的信噪比门限，下发命令让该lora终端进入合适的通信速率。

具体的，请参照图2，图2是步骤s40的细化流程示意图。

如图2所示，所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率的步骤包括：

步骤s401，所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限得到所述lora终端的通信速率的的调整值。

步骤s402，所述lora服务器根据所述调整值通过所述lora网关调整所述lora终端的通信速率。

本实施例通过上述技术方案，所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据；所述lora网关将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器；所述lora服务器将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差；所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率，利用大数据分析的adr策略更准确的把控lora通信系统容量和通信质量之间的平衡。

作为一种实施方式，本实施例中，上述步骤s402，所述lora服务器根据所述调整值通过所述lora网关调整所述lora终端的通信速率的步骤之后还包括以下步骤：

步骤s50，所述lora服务器将所述lora终端上报的调整后的通信速率值与预设通信速率值相比对。

若相同，则调整成功。

若不相同，则返回执行所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据的步骤。

作为一种实施方式，本实施例中，上述步骤s40，所述lora服务器根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率的步骤之后还包括以下步骤：

步骤s60，所述lora服务器记录调整所述lora终端的通信速率的结果。

步骤s70，所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据。

所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据，用于重新存放下一组数据；所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据作用在于降低所述lora网关adr调节指令的发送频率，增强系统对环境变化的响应。

所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据后，返回执行所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据的步骤。

进一步的，本实施例中，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整系统还包括云端数据库和数据处理服务器，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整方法还包括以下步骤：

步骤s80，所述云端数据库收集向所述lora网关发送通信信息的lora终端的通信数据，以及所述lora网关的通信数据。

需要说明的是，所述步骤s80可以与上述步骤s10同时执行。

步骤s90，所述数据处理服务器处理所述云端服务器收集到的数据，处理内容包括：统计所述lora终端的数量、所述lora网关的工作时间、每个lora终端的信噪比正态分布、每个lora终端的丢包率。

步骤s100，若所述lora终端上报的数据量达到预设的adr调整触发门限时，所述数据处理服务器开始对所述lora终端进行调节，此时所述lorawan服务器将不再独立对所述lora终端进行adr调节，除非所述lora终端复位或者重新入网。

下面通过举例，结合图3至图11对本发明基于大数据的lora通信系统的adr调整方法做具体阐述。

其中，图3是lora终端分布示意图，该图为终端分布，表示采用adr策略后终端的最终速率分配以及位置分布，同时采用同样的信道不同数据率的终端是不会相互干扰的。

本发明针对星型组网的lorawan通信系统，利用lorawan云服务器对lora网关转发的终端通信信噪比进行判断并控制终端的通信速率，数据处理服务器利用lora云数据库进行大数据处理。lora网关包括中央处理器、lora通信模块、电源模块、以太网模块或gsm/gprs模块或3g/4g/5g模块或wifi模块、外围设备接口等。lora终端包括中央处理器、lora模块、电源模块等，终端应用场景为非移动式应用场景。

在lorawan通信系统中，lora终端会在给定的周期内以固定功率上报一条消息，lora网关接收并解调该消息后，会将当次通信的信号质量(信噪比)数据上传给lorawan云服务器,并存储至云端数据库。

首先lora网关会将当次接收lora终端上报消息的信噪比数据，通过lorawan服务器进行初步处理；收集10个该终端上报的数据样本，分别存放至lorawan服务器设置的10个容器内，计算这组数据的平均值和极差，lorawan云服务器会根据给定的信噪比门限，下发命令让该终端进入合适的通信速率。lorawan云服务器会记录这次调整的结果，调整完成后清空10个容器中的数据，并重新收集数据，这个过程循环进行。样本数量可以由云端数据库根据分析结果进行设置。

与此同时，云端数据库也在持续收集数据，数据处理服务器对收集的数据进行一系列分析：统计终端数量、计算每个终端丢包率、计算网关接收时间、计算网关发射时间；将最终得到的结果反馈至lorawan云服务器进行最终的调整。当数据库收集到一定量的数据时，将触发数据处理服务器的adr调节，一旦有终端或者网关的通信情况超过预设指标，数据处理服务器可以随时向lorawan云服务器进行下发调节指令。

以上两个进程独立进行，即在数据处理服务器介入adr调节之前，lorawan云服务器可以独立对终端进行速率调节，数据处理服务器的调整须要数据库收集单个lora终端的数据量达到一定的数量才会触发；并且用户可以根据全球各地区的通信规范和不同的应用场景灵活配置数据处理服务器的调整门限；需要注意的是数据处理服务器的调整指令级别高于lorawan云服务器的调整指令。一旦触发了数据处理服务器的调节后，lorawan服务器将不会再独立对终端进行adr调节，除非终端复位或重新入网。

adr调整的信噪比门限由升特公司提供的通信芯片的硬件指标决定，并预留3-5个db的余量以保证调整后的通信成功率。计算平均值是为了确保采样的准确性；计算极差是考虑到无线电环境的不确定因素，极差较大时需要采用更保守的通信速率，以确保通信的成功率。

数据处理服务器调节指令的判断条件有：

1.国家或地区的电信规范；以欧洲电信联盟的规范为例，该地区对863mhz-868mhz的占空比要求为0.1％，868mhz-868.6mhz的占空比要求为1％，869.4mhz-869.65mhz的占空比要求为10％；在设计算法时必须在这些要求内进行。

2.终端的上报周期及终端数量；lora网关同时处理数据的能力是有限的，终端上报周期越短，数量越多，网关的处理任务就越重。

3.数据包结构；对于不同的通信速率传输同样一个数据包所用的时间是不同的，数据包长度越长，传输时间越长。

4.adr调整频率；因为是半双工系统，接收和发射不能同时进行，所以adr调整的频率越高，网关处于接收状态的时间就会相应减少，系统容量也会相应降低。adr的调整频率可以通过调整对终端的数据采样数量来调节，当采样数据为20个时，理论上adr的调整频率至少降低一倍。

5.通信成功率；利用正态分布，预测终端的通信成功率。

如图2所示，半双工网关接收和发射不能同时进行，如果以1小时为时间单位来算，如图4所示：

t1+t2+t3＝1h

为保证网关容量的可拓展能力，考虑网关的期望利用率为30％以下的情况下，网关的工作时间不大于3600s×30％＝1080s，即：

t2+t3≤1080s

考虑到网关发射电磁波频率的占空比要求，t3存在限制条件，以欧洲电信联盟为例，其对869.4-869.65mhz频段的占空比要求为10％：

t3≤3600s×10％

对于全双工网关来说，发射和接收可以同时进行，存在以下关系式：

max[t2,t3]≤1080s

t3≤360s

以上公式适用于全球频段，只需将各频段占空比带入即可。

数据处理服务器计算出终端丢包率p，以及统计后的数据量m，可得时间段t内的实际发包数n：

n＝m/(1-p)

由于同一应用下数据包长度l相同，所以同一数据率所用空中时间相同(tdr0，tdr1，tdr2，tdr3，tdr4，tdr5)，每个终端的发包周期t0相同；实际上，丢失的部分数据是无法得到其实际使用的数据率的，但是采用该终端通信的平均速率来估算这部分的空中时间tper:

tper≈(n-m)×tdr平均

一个终端在时间t内的总空中时间ts为：

ts≈tper+tdr0×m0+tdr1×m1+tdr2×m2+tdr3×m3+tdr4×m4+tdr5×m5

根据数据处理服务器统计的终端数量n，可以求出网关的接收时间t2：

lora网关有8个能够解调lora信号的通道，每个这种通道都能解调所有数据率的lora信号，所以上式需要除以8；在实际的网关配置中也同时存在4通道和16通道的网关，具体实施时，可以根据网关的配置进行设置。

云端数据处理器能够统计出网关adr调整次数，以及其他网关下发消息，所以网关发射时间t3也是可以统计出来的。

在满足t2和t3的限制条件下，使系统容量n尽量大，同时利用各数据率的正交关系合理调节终端速率分配，以及实际应用中对终端丢包率p的要求，可以使系统在容量、通信距离、通信质量之间找到一个动态平衡。

综上所述，本发明基于大数据的lora通信系统的adr调整方法通过上述技术方案，所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据；所述lora网关将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器；所述lora服务器将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差；所述lora服务器根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率，利用大数据分析的adr策略更准确的把控lora通信系统容量和通信质量之间的平衡，优化了系统容量，提升了通信成功率，并提升了lora通信系统对环境的适应能力。

为实现上述目的，本发明还提出一种基于大数据的lora通信系统的adr调整系统，所述系统包括lora服务器、与所述lora服务器通信连接的lora网关，所述lora网关与外界lora终端通信连接。

所述lora网关用于在接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据，并将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器。

所述lora服务器用于将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差，并根据所述容器内存储的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率。

本实施例是针对星型组网的lorawan通信系统，利用lorawan云服务器对lora网关转发的lora终端通信信噪比进行判断，并控制lora终端的通信速率，数据处理服务器利用lora云数据库进行大数据处理。

其中，所述lora网关包括中央处理器、lora通信模块、电源模块、以太网模块或gsm/gprs模块或3g/4g/5g模块或wifi模块、外围设备接口等。所述lora终端包括中央处理器、lora模块、电源模块等，所述lora终端应用场景为非移动式应用场景。

进一步的，所述lora服务器还用于根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限得到所述lora终端的通信速率的的调整值，并根据所述调整值通过所述lora网关调整所述lora终端的通信速率。

进一步的，所述lora服务器还用于将所述lora终端上报的调整后的通信速率值与预设通信速率值相比对。

进一步的，所述lora服务器还用于记录调整所述lora终端的通信速率的结果，清空所述容器的通信信息的信噪比数据。

所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据，用于重新存放下一组数据；所述lora服务器清空所述容器的通信信息的信噪比数据作用在于降低所述网关adr调节指令的发送频率，增强系统对环境变化的响应。

进一步的，所述基于大数据的lora通信系统的adr调整系统还包括云端数据库和数据处理服务器，

所述云端数据库用于收集向所述lora网关发送通信信息的lora终端的通信数据，以及所述lora网关的通信数据；

所述数据处理服务器用于处理所述云端服务器收集到的数据，处理内容包括：统计所述lora终端的数量、所述lora网关的工作时间、每个lora终端的信噪比正态分布、每个lora终端的丢包率；

若所述lora终端上报的数据量达到预设的adr调整触发门限时，所述数据处理服务器开始对所述lora终端进行调节，此时所述lorawan服务器将不再独立对所述lora终端进行adr调节，除非所述lora终端复位或者重新入网。

本发明基于大数据的lora通信系统的adr调整系统通过上述技术方案，所述lora网关接收到所述lora终端按预设周期发送的若干条通信信息时，对接收到的每条通信信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比数据；所述lora网关将每条通信信息的信噪比数据发送至所述lora服务器；所述lora服务器将每条通信信息的信噪比数据存放至预先设置的对应的容器，通过计算获得所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差；所述lora服务器根据所述所有通信信息的信噪比数据的平均值和极差、预先设置的信噪比门限调整所述lora终端的通信速率，利用大数据分析的adr策略更准确的把控lora通信系统容量和通信质量之间的平衡，优化了系统容量，提升了通信成功率，并提升了lora通信系统对环境的适应能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。