一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置方法、装置及存储介质，属于卫星通信技术领域。

背景技术

随着时代的不断发展，物联网(Internet of Things，IoT)已经在各个领域广泛应用，特点之一为“低功耗广域网”(LPWAN)。地面LoRa技术是一种低功耗广域物联网的解决方案，具备出色的低功耗、远距离传输、大规模连接等特性，然而传统的地面通信网络无法覆盖全球超过80％的陆地和95％以上的海洋区域。在这种情况下，卫星物联网凭借其广泛的覆盖范围、不受天气和地理条件限制、为大范围移动平台提供可靠网络连接的能力等独特特点，成为地面物联网的重要补充。为了实现LoRa技术在低轨卫星物联网场景下的应用，需要深入研究如何将LoRa技术与低轨卫星物联网相结合，以建立适应性强、高效可靠的终端与卫星通信机制。

LoRaWAN标准中制定了三种工作模式，三种工作模式上行通信方式基本一致，但是在下行通信中，Class A模式接收窗口持续时间最短，终端能耗最低，但下行数据的实时性最差，Class C模式接收窗口持续时间最长，相应的能耗也最高，但下行数据的实时性最好，而Class B的能耗和时延处于两者之间，既能获得比Class A模式更小的下行时延，又能有比Class C模式更低的能耗，在下行数据量多，业务时延敏感的场景下，终端需要切换到Class B模式来降低下行端到端时延，在下行数据少，业务时延需求不敏感时，为了节能，需要切换回Class A模式。在低轨卫星物联网场景下，相对于地面场景覆盖范围大，能覆盖海量终端，业务数据量多，业务类型也多种多样，传统的LoRa单模式无法应对多样的业务类型。若终端一直处于Class B模式下，终端在下行数据量较少的业务场景下的能耗浪费严重；同时，当服务器的下行数据业务对时延敏感性高时，若终端处于Class A模式，则无法满足业务需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置方法、装置及存储介质，能够适应低轨卫星场景下复杂的业务场景，对于不同的业务类型可以满足其时延需求的同时尽可能降低终端功耗来延长终端工作寿命。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的。

一方面，本发明提供一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置方法，包括：

构建低轨卫星物联网场景下LoRa体制终端的模式切换策略；

基于所述的模式切换策略，获取LoRa体制终端上下行通信的时延和终端能耗的分析模型；

基于所述分析模型，获得时延功耗多目标优化问题，在信关站侧采用NSGA-II(二代非支配排序)遗传算法求解，得到在该终端模式切换策略下的时延功耗多目标优化问题的帕累托前沿最优解集；

从帕累托前沿最优解集中确定满足当前场景时延功耗需求的模式持续时间定时器参数值，以及ClassB模式下的接收窗口数量参数值，通过下行链路动态配置终端参数。

本发明在应用时，基于需求在Class A模式与Class B模式中切换，满足时延需求的同时尽可能降低终端能耗；对上下行通信的时延和终端能耗的建立分析模型，根据业务需求以及业务密度建立优化选择。

可选的，所述终端的模式切换策略包括：

当终端处于Class B模式时，若在Class B定时器持续时间内收到下行数据，则重置定时器并保持当前模式；若在持续时间内未收到下行数据，则切换为Class A模式；

当终端处于Class A模式时，若Class A定时器超时，则切换为Class B模式并通知服务器模式改变。

可选的，所述获取LoRa体制终端上下行通信的时延和终端能耗的分析模型包括：

建立终端马尔科夫状态转移图，推得不同工作状态的稳态概率与不同工作状态的保持时间，确定一个数据包随机落入不同工作模式区间内的概率；方便求得后续步骤中终端系统的平均时延及终端平均功耗；

分析终端的上行时延，推导终端上行平均时延D

基于LoRa体制中各模式的收发规则，建立下行接收数据包的时延分析模型；

基于LoRa体制中各模式的收发规则，建立能耗分析模型。

可选的，所述建立终端马尔科夫状态转移图的过程包括：

终端侧上行数据的到达服从泊松分布，卫星侧下行数据的到达服从泊松分布，基于终端的模式切换策略建立终端马尔科夫状态转移图。

其中，不同工作状态的保持时间为终端在转换到另一工作状态之前保持在当前模式下的平均时间。

可选的，所述对终端的上行时延分析包括：若上行失败，终端执行重传退避策略，采用均匀退避，根据泊松分布及纯ALOHA协议得到上行接入成功率P

其中，m

其中，上行时延可分为上行成功时延和上行失败总时延。

可选的，所述建立下行接收数据包的时延分析模型的过程包括：

利用泊松到达时间平均特性，计算一个下行数据包在任意状态内到达时的系统下行时延，下行接收数据包的平均时延表示为：

其中，P

分别表示一个下行数据包在Class A模式持续时间内到达的下行时延，以及一个下行数据包在Class B模式持续时间内到达的下行时延。

其中，所述下行接收数据包的时延分析模型，包括Class A模式下行时延以及Class B模式下行时延；

Class A模式持续时间内的下行时延包括：下行数据包由于缓存队列中的数据包的传输时延而需要等待Class B模式接收窗口的下行平均时延，以及下行数据包只有一个时能直接在上行之后的窗口内下行的下行平均时延；

联合两种情况的概率，推导得出Class A模式下行平均时延。

Class B模式持续时间内的下行时延包括：下行数据包在缓存队列中的排队时延、等待目的终端打开接收窗口Pingslot的时延以及传输下行数据帧的时延。

可选的，终端在所述能耗分析模型中的单位时间能耗表示为：

其中，

能耗分析模型包括Class A模式平均能耗和Class B模式平均能耗；

其中，在各模式下持续时间内的平均能耗分为休眠期间的能耗、打开接收窗口的能耗以及发送上行数据和接收下行数据产生的能耗。

可选的，所述时延功耗多目标优化问题的模型表示为：

min D(T

min E(T

s.t.2≤k≤128，k∈Z

0≤T

T

其中，D为终端上行平均时延和下行接收数据包的平均时延，E为终端在所述能耗分析模型中的单位时间能耗，k为Class B模式下的一个信标周期内的接收窗口数目，T

第二方面，本发明提供一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置装置，包括：

策略构建模块，被配置用于：构建低轨卫星物联网场景下LoRa体制终端的模式切换策略；

模型获取模块，被配置用于：基于所述的模式切换策略，获取LoRa体制终端上下行通信的时延和终端能耗的分析模型；

问题求解模块，被配置用于：基于所述分析模型，获得时延功耗多目标优化问题，采用NSGA-II遗传算法求解，得到在该终端模式切换策略下的时延功耗多目标优化问题的帕累托前沿最优解集；

参数配置模块，被配置用于：从帕累托前沿最优解集中确定满足当前场景时延功耗需求的模式持续时间定时器参数值，以及ClassB模式下的接收窗口数量参数值，通过下行链路动态配置终端参数。

第三方面，本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面所提出的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

基于模式切换策略，根据需求切换LoRaWAN的工作模式，满足时延需求的同时尽可能降低终端能耗，满足多种业务需求；

对上下行通信的时延和终端能耗的建立分析模型，根据业务需求以及业务密度建立优化选择。

附图说明

图1所示为本发明的实施流程图；

图2所示为本发明的终端模式切换策略流程图；

图3所示为本发明在低轨卫星物联网场景下使用NSGA-II遗传算法在不同总周期下对模式持续时间定时器进行配置；

图4所示为本发明在低轨卫星物联网场景下使用NSGA-II遗传算法在相同总周期下对上行数据间隔ULI和下行数据间隔DLI都是60min和上行数据间隔ULI及下行数据间隔都是1min的两种不同业务场景终端的模式持续时间定时器进行配置，以及在纯Class B模式不同窗口数量下的终端时延能耗仿真。

具体实施方式

需要说明的是：

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细地说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例1

本实施例介绍一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置方法，包括：

构建低轨卫星物联网场景下LoRa体制终端的模式切换策略；

基于所述的模式切换策略，获取LoRa体制终端上下行通信的时延和终端能耗的分析模型；

基于所述分析模型，获得时延功耗多目标优化问题，采用NSGA-II遗传算法求解，得到在该终端模式切换策略下的时延功耗多目标优化问题的帕累托前沿最优解集；

从帕累托前沿最优解集中确定满足当前场景时延功耗需求的模式持续时间定时器参数值，以及ClassB模式下的接收窗口数量参数值，通过下行链路动态配置终端参数。

本发明在应用时，基于需求在Class A模式与Class B模式中切换，满足时延需求的同时尽可能降低终端能耗；对上下行通信的时延和终端能耗的建立分析模型，根据业务需求以及业务密度建立优化选择。

实施例2

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例还做出了如下设计。

所述终端的模式切换策略包括：

当终端处于Class B模式时，若在Class B定时器持续时间内收到下行数据，则重置定时器并保持当前模式；若在持续时间内未收到下行数据，则切换为Class A模式；

当终端处于Class A模式时，若Class A定时器超时，则切换为Class B模式并通知服务器模式改变。

所述获取LoRa体制终端上下行通信的时延和终端能耗的分析模型包括：

建立终端马尔科夫状态转移图，推得不同工作状态的稳态概率与不同工作状态的保持时间，确定一个数据包随机落入不同工作模式区间内的概率；方便求得后续步骤中终端系统的平均时延及终端平均功耗；

分析终端的上行时延，推导终端上行平均时延D

基于LoRa体制中各模式的收发规则，建立下行接收数据包的时延分析模型；

基于LoRa体制中各模式的收发规则，建立能耗分析模型。

所述建立终端马尔科夫状态转移图的过程包括：

终端侧上行数据的到达服从泊松分布，卫星侧下行数据的到达服从泊松分布，基于终端的模式切换策略建立终端马尔科夫状态转移图。

其中，不同工作状态的保持时间为终端在转换到另一工作状态之前保持在当前模式下的平均时间。

所述对终端的上行时延分析包括：若上行失败，终端执行重传退避策略，采用均匀退避，根据泊松分布及纯ALOHA协议得到上行接入成功率P

其中，m

其中，上行时延可分为上行成功时延和上行失败总时延。

所述建立下行接收数据包的时延分析模型的过程包括：

利用泊松到达时间平均特性，计算一个下行数据包在任意状态内到达时的系统下行时延，下行接收数据包的平均时延表示为：

其中，P

分别表示一个下行数据包在Class A模式持续时间内到达的下行时延，以及一个下行数据包在Class B模式持续时间内到达的下行时延。

其中，所述下行接收数据包的时延分析模型，包括Class A模式下行时延以及Class B模式下行时延；

Class A模式持续时间内的下行时延包括：下行数据包由于缓存队列中的数据包的传输时延而需要等待Class B模式接收窗口的下行平均时延，以及下行数据包只有一个时能直接在上行之后的窗口内下行的下行平均时延；

联合两种情况的概率，推导得出Class A模式下行平均时延。

Class B模式持续时间内的下行时延包括：下行数据包在缓存队列中的排队时延、等待目的终端打开接收窗口Pingslot的时延以及传输下行数据帧的时延。

终端在所述能耗分析模型中的单位时间能耗表示为：

其中，

能耗分析模型包括Class A模式平均能耗和Class B模式平均能耗；

其中，在各模式下持续时间内的平均能耗分为休眠期间的能耗、打开接收窗口的能耗以及发送上行数据和接收下行数据产生的能耗。

所述时延功耗多目标优化问题的模型表示为：

min D(T

min E(T

s.t.2≤k≤128，k∈Z

0≤T

T

其中，D为终端上行平均时延和下行接收数据包的平均时延，E为终端在所述能耗分析模型中的单位时间能耗，k为Class B模式下的一个信标周期内的接收窗口数目，T

实施例3

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置装置，包括：

策略构建模块，被配置用于：构建低轨卫星物联网场景下LoRa体制终端的模式切换策略；

模型获取模块，被配置用于：基于所述的模式切换策略，获取LoRa体制终端上下行通信的时延和终端能耗的分析模型；

问题求解模块，被配置用于：基于所述分析模型，获得时延功耗多目标优化问题，采用NSGA-II遗传算法求解，得到在该终端模式切换策略下的时延功耗多目标优化问题的帕累托前沿最优解集；

参数配置模块，被配置用于：从帕累托前沿最优解集中确定满足当前场景时延功耗需求的模式持续时间定时器参数值，以及ClassB模式下的接收窗口数量参数值，通过下行链路动态配置终端参数。

实施例4

本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的基于LoRa体制的低轨卫星物联网终端模态参数配置方法的步骤。

实施例5

图3为本发明方法进行的仿真，使用终端模式切换策略下的LoRa体制终端在低轨卫星物联网场景下使用NSGA-II遗传算法在不同总周期下对模式持续时间定时器进行配置。仿真可知：本发明提出的终端模式切换策略的终端数据包时延与总周期成正比，这是由于当总周期增大时，Class A定时器持续时间取值变大导致数据包落在Class A状态概率变大，系统时延增大。

图4为本发明方法进行的仿真，使用终端模式切换策略下的LoRa体制终端在低轨卫星物联网场景下使用NSGA-II遗传算法在相同总周期下对上行数据间隔ULI和下行数据间隔DLI都是60min和上行数据间隔ULI及下行数据间隔都是1min的两种不同业务场景终端的模式持续时间定时器进行配置，以及在纯Class B模式不同窗口数量下的终端时延能耗仿真。结合表1和图4，本发明提出的终端切换策略及配置方法能够在满足终端不同业务类型的时延需求情况下选择终端能耗最低的工作方式，当业务场景为下行数据间隔ULI和上行数据间隔DLI都是60min时，终端对时延不敏感，对功耗要求高，配置模式参数位于帕累托前沿的右下角，当业务场景为下行数据间隔ULI和上行数据间隔DLI都是1min时，终端对时延敏感，此时需要牺牲功耗降低时延，配置模式参数位于帕累托前沿的左上角，当业务场景变化时，终端可以在线获得模式参数配置，满足业务场景需求，且适用于低轨卫星物联网场景下低功耗的要求，相比于传统LoRa体制单Class B模式，本发明提出的终端模式切换策略能够满足不同业务的时延需求，同时比单Class B模式在满足时延需求的同时有更小的功耗，能够在低轨卫星物联网场景下提升用户服务满意度。

表1

配置方法、装置及存储介质，可以适应低轨卫星场景下复杂的业务场景，对于不同的业务类型可以满足其时延需求的同时尽可能降低终端功耗来延长终端工作寿命。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。