[發明專利]一種低功耗海洋傳感數據回傳方法

有效

• 申請號: 202010629285.0
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111885527B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 房建;覃振權;王雷;盧炳先;朱明;王治國
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W84/18;G08C17/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種低功耗海洋傳感數據回傳方法，其特征在于，步驟如下：

首先，針對可控的靜態環境，即任意選擇節點位置，且節點位置一旦部署后保持不動；使用具備收發功能的LoRa節點，LoRa節點支持外接全向或定向天線；

在海岸的陸地上等距離放置LoRaWAN網關，方便檢修和更換，同時保證供電的穩定；假設所有在陸地上的LoRaWAN網關均在一條直線上，并定義該直線所在方向為水平方向即坐標系的橫軸；垂直于水平方向的為豎直方向即坐標系的縱軸，且由海面指向海岸的數據回傳方向為上行方向即縱坐標值減少的方向；

海面上的終端節點部署遵循以下規則：

(1)任意相鄰兩個節點之間距離均為d；一個節點n_i相鄰節點n_j的定義為：在所有的節點中，n_j與其的距離最小，n_i有多于一個相鄰節點；

(2)所有節點均位于等距的平行直線上，平行直線方向為豎直方向，相鄰兩條平行直線的距離為

(3)為滿足(1)(2)條件，任一平行直線上的某個節點一定在其同一條相鄰平行直線上的它的兩個相鄰節點的中垂線上；

(4)任意不在同一條平行直線上的兩個相鄰節點間的連線與平行直線的夾角為60°；

(5)步驟(3)中任一平行直線上的某個節點和其同一條相鄰平行直線上的它的兩個相鄰節點組成的任意三個節點構成邊長為d的等邊三角形；

配置一個LoRa節點主要有以下幾個參數：擴頻因子SF_i，帶寬BW_i，編碼率CR_i；即：

S_i＝f(SF_i，BW_i，CR_i) (1)

定義單個節點在配置S_i時的平均傳輸距離為r_i，則r_i應當滿足(2)，

根據等邊三角形的性質，縱坐標相同且水平方向上距離最近的兩個節點距離為因此，保證由一個節點發出的數據包只被它臨近的節點所收到，而不會被更遠的節點收到；

考慮到海洋中物理因素帶來的流動性和不確定性，節點的位置可能會有變化，滿足公式(2)時，節點有的容錯空間，考慮到d本身的大小，節點最遠可在幾百米至幾公里的范圍內活動；

為了降低海上復雜天氣因素帶來的干擾，本方法使用定向天線進一步控制發送的覆蓋范圍和目標節點，采用波瓣寬度為120°的定向天線使得三個目標上層節點恰好在傳輸范圍中；

r_i的取值由d決定，并需要根據環境因素調節配置S_i來改變r_i，d則需要根據實際應用環境的面積和擁有的節點數量來確定；

定義能耗的函數為P(S_i)，目標是選取滿足傳輸距離要求的最小值，即：

本方法提出了一種具有層級關系的網狀拓撲，與典型的MESH網絡任意兩點都可通過有限跳互達不同，所有的節點雖然構成了網，但是并不是任意兩個節點間都是對等的關系；

更臨近網關的節點比遠離網關的節點具有更高的級別，數據只流向級別高的方向，即沿著縱坐標降低的方向；

截取局部四個點來說明節點間的關系；

設從左至右的方向為數據的上行方向，N₁到N₂，N₃，N₄之間的距離均為d，N₁，N₂，N₃到N₄之間的距離均為d；四個節點的位置關系描述如下：

(1)N₂，N₃分別位于N₁所在直線臨近的兩條直線上，切處于N₁的上行方向；

(2)N₄與N₁處在同一條直線上，且處于N₁的上行方向；

(3)N₁，N₂，N₃，N₄構成邊長為d，對角分別為120°和60°的等邊菱形；

可知，距離為d的兩個節點之間為相鄰節點，具有上下級關系；則在N₁，N₂，N₃，N₄四個節點中，N₂，N₃既是N₁的同級節點，又是其上級節點；同理，N₄既是N₂，N₃同級節點，也是其上級節點；

本方法所采用的網絡，對于任意一個節點，均有三個子節點和三個父節點；子節點只在它的三個父節點中選擇目標發送數據；

因為數據的流向都指向網關，沒有橫向或者逆向的傳輸，因此，不會出現環，避免了資源的浪費和時間的消耗；

節點配置橫向為120°的定向天線，則N₁的上行通信范圍內有且僅有它的三個上級節點N₂，N₃，N₄；

節點數據回傳的流程如下：

(1)一個LoRa節點始終通過接口獲取安裝在其上的傳感器數據，然后將數據放入發送隊列；

(2)同時，節點開啟接收窗口，并檢查是否有從其子節點傳來的數據；如果是，就將其放入發送隊列；如果否，繼續偵聽；

(3)發送周期開始時，節點以等概率選擇一個父節點作為此次的發送目標；

(4)在時隙到達時，發送隊列中的全部內容；

(5)周期結束；

采用時分的方式避免沖突，即為每對收發器之間確定固定的等長的時隙，用于節點數據回傳流程中的步驟(3)和步驟(4)，具體方法如下：

(1)根據應用對延遲的實際需求以及節點電池的壽命，確定節點的發送周期為t；

(2)根據配置S_i計算每個節點發送隊列中數據所需的時間其中

(3)將發送周期分為三個時隙，每個時隙為t/3；

(4)一個發送節點以等概率選定一個目標：

如果發送節點是目標節點的左子節點，則取其第一個時隙發送；

如果發送節點是目標節點的中子節點，則取其第二個時隙發送；

否則，取第三個時隙發送；

針對網絡運行中可能出現的故障問題，分類給出解決方案，具體如下：

(1)當N₂，N₃在預設的時間t₁₃內沒有收到來自N₁的數據包時，需要在下一次發送中通知N₄；如果在預設時間內N₄也沒有收到任何一個來自N₁的數據包，則判定N₁已經損壞；

(2)當N₄在一個預設的時間t₃₁沒有收到任何一個數據包，說明N₁，N₂，N₃均已經損壞；

當以上兩種情況發生時，作為檢測到故障的節點，N₄進行以下操作：

(1)把故障節點從自己的路由表中刪除，并重新分配時隙；

(2)把故障信息放入發送隊列，故障信息將通過網絡傳到網關處，管理人員以此為根據維修；

(3)在下行傳輸周期中，將故障信息通知故障節點的子節點；子節點根據現有的目標節點數重新確定路由表；

其中，t₁₃，t₃₁與發送周期t具有以下關系：

(1)t₁₃＝5t：對于任意一個節點，其上層節點收到來自其數據的平均等待時間為3t，將故障時間定至5t；

(2)t₃₁＝2t：對于任意一個節點，其收到下層節點的數據的平均等待時間為1.42t，將故障時間定至2t。