什么是自适应数据速率?

在本白皮书中，我们将研究自适应数据速率(ADR)机制。ADR允许我们利用LoRa®物理层的优势。

通过在LoRaWAN®网络中调整数据速率，只需添加网关，就可以轻松扩展网络。此外，使用ADR可以大大增加这种网络的容量。

让我们从一个遗留系统开始。考虑使用基于fsk的通信的M2M网络，例如MBUS。对于这个练习，我们将考虑在单个通道上运行的2.4 kbps MBUS化身。对于我们的场景，假设我们正在监测一个城市地区的用水情况，使用的是每平方公里2500个水表的计量行业标准。在这种情况下，使用典型的MBUS设置，假设我们获得了大约500米的城市覆盖范围。在这个密度下，这相当于2000水米。

假设我们以2.4 kbps的速度传输，有64字节的有效负载数据，如果我们运行这些数字，我们最终每天只能传输两次，然后由于碰撞，我们的包错误率就会超过1%。

LoRaWAN网络比这更健壮。为了理解其中的原因，我们将研究LoRa调制解调器的行为和每种数据速率(扩频因子或科幻小说)．对于本练习，假设LoRa带宽固定为125 kHz。

表1:125 kHz的数据速率和灵敏度

现在，让我们再考虑一下直播时间:

表2:数据速率，灵敏度和播放时间。

考虑到在空中的时间，很明显，靠近网关的终端设备(节点)不需要SF12所带来的高链路预算;它们也不需要在电视上停留那么长时间。在这种情况下，使用ADR可以优化每一个仪表的SF，并尽量减少后续的空气时间。

ADR是一种基于简单规则改变数据速率的非常简单的机制:

• 如果链路预算较高，则可以提高数据速率(即增加SF)。
• 如果链路预算较低，则可以降低数据速率(即SF降低)。

它根据可用的链路预算调整节点的数据速率。

确定数据速率

网络服务器如何确定适当的数据速率?让我们来看看:

终端设备的应用程序通过网关向上发送消息，网关只传递消息而不处理数据。LoRaWAN网络中的网关是一种简单、低成本的设备，它将LoRaWAN数据包转换为IP数据包，这些数据包可以通过安全的回程发送到网络服务器。这些IP包包含少量关于接收时间和信号强度的元数据。根据接收到的信号的强度，网络服务器确定最佳的节点数据速率应该是多少(即传播因子)。

图1

网络服务器的媒体访问控制器，也称为MAC层，与终端节点LoRaWAN栈中的同一层通信。然后，根据从所有网关接收到的信号强度的全局视图，从服务器发出MAC命令。节点应该使用的数据速率，从服务器通过最佳信号强度的网关发送回设备。

比特率vs.下行能量

当只有一个网关时，这种ADR机制的影响是什么?

图2展示了一个简化情况的结果，其中我们考虑一个自由空间路径损耗模型来估计两个天线(网关天线和设备天线)之间的衰减。

图2

靠近网关的节点使用较高的数据速率(如SF7)。因此，他们在广播上花的时间更少，并利用他们所需的低链接预算。对于较远的节点，数据速率较低(如SF12)，而链路预算较高。当然，在现实中，路径损耗的情况要复杂得多。这取决于网关周围的特定环境，以及节点部署的位置和方式。

需要记住的重要一点是，由于通信是相互正交的:同一通道上的多个数据速率可以同时接收．

此外，设备发送有效载荷所需的播放时间也得到了优化，这从根本上降低了设备的能源消耗。

网络容量优化

从网络的角度考虑ADR。图3显示了单个网关G1，以及各种应用程序中的一系列设备。

图3

在这里我们可以看到ADR已经生效，所有的节点都调整了他们的费率。尽管网关可以服务于所有节点，但由于LoRa物理层的范围很长，我们最终可能从一个给定的网关“看到”太多的设备，因此需要额外的容量。

使用LoRaWAN很容易做到这一点。因为没有限制哪个网关接收来自给定节点的信号，我们只需添加另一个网关(G2)。该网关还将为附近任何以前未连接的节点提供服务。更有趣的是，对于已经连接到G1的节点，ADR将完成剩下的工作。离G2最近的节点会收到来自服务器的MAC命令的指令，提高它们的数据速率，从而相应地减少它们的链路预算。

通过减少可用的链接预算，我们减少了通信的范围。这将使许多节点对G1不可见，并增加从终端节点的上行链路和到终端节点的下行链路的容量。

网关的局限性

在更详细地研究ADR之前，我们需要考虑一些重要的设计权衡，因为网关是在无许可证的ISM频段中使用的。ISM频段虽然是免费的，但却有一些实际的限制，这些限制在任何低功率广域网络(LPWAN)中都很常见。

首先要考虑的是法律问题。一些ISM乐队，尤其是在欧洲(由ETSI管理)，限制了无许可证无线电的播放时间。对于大多数应用程序来说，这不是问题。然而，对于一个聚合了许多应用程序并必须承认相当一部分上行流量的网关，法律限制可能会出现问题。

第二个考虑是，即使没有法律的限制，ISM频带和可用的过滤技术也不允许网关的全双工操作，至少在欧洲不允许。这意味着，当设备发送上行链路时，它不能监听下行链路。

结果是下行链接，如确认和ADR命令，与上行链接相比开销较大。LoRaWAN网络支持从网关到节点的下行链路要远远少于从节点到网关的上行链路。

在LoRaWAN的背景下需要考虑的另一点是，在A类模式下运行的终端设备可以在任何时候宣布自己，然后实际上消失，直到下一次通信。在确定给定应用程序上给定节点的链接预算时，这一点非常重要。这里需要一个相当保守的ADR机制，因为虽然优化数据速率通常是有利的，但它不能以失去连接为代价。

考虑到这些因素，很明显，移动设备不能使用ADR。想象一个汽车跟踪应用程序。在这种情况下，当ADR命令到达节点时，传播环境已经发生了根本性的变化，以至于数据速率和链接预算将不再有效。

确认范围

为了更好地了解哪些应用程序可以利用ADR，哪些应用程序不能利用ADR，我们需要研究ADR背后的控制机制。

虽然实际的数据速率本身由网络服务器决定，但可以从网络或终端节点调用ADR机制。然而，无论通信的哪一方触发ADR机制，使用ADR是否合适取决于应用程序。只需在帧控制报头中设置ADR位就可以调用ADR。通常，终端设备应用程序决定使用ADR是否合适。如果是，就设置位——让网络知道终端设备的数据速率可以由网络决定。

为了理解这个过程，假设一个设备连接到网络，并通过上行链路(图4)宣布自己启用了adr。这个上行链路通过一个或多个网关，这些网关只是将消息中继回网络服务器。默认情况下，它将以最低的数据速率发送，即最长的距离设置。

网络服务器做什么?它等待。

图4

一旦网络服务器积累了一些结果，它就计算这些结果的中值，并确定可用的链接预算和可支持的最高数据速率，以及允许通道特性波动的误差幅度。在下一个上行链路之后，一个MAC命令会适当地向下发送到终端设备，以改变数据速率。(图5显示了一个MAC命令，将ADR设置为SF7的数据速率。)

图5

然后，终端设备切换到新的扩展因子，所有未来的上行链路都以这个新的数据速率设置。网络服务器仍然知道通道的任何降级。下次当它确定需要更改数据速率时，它将发出新的MAC命令。

你可能会问自己:“如果链接丢失了会发生什么?”

在终端设备发送上行报文的整个时间内，它也会增加“ADR确认计数器”。计数器可以不断增加，直到达到预定义的限制，如图6所示。

图6

当节点达到ADR确认限制时，将设置ADR承认请求帧控制报头中的位，红色显示:

为下行帧，帧报头的FCtrl内容为

对于上行帧，帧报头的FCtrl内容为

确认延迟

后ADR承认请求位设置后，有一个预定义的延迟ADR承认推迟,如图7所示。在此期间，终端设备等待网络服务器响应确认请求。因为网络服务器可能需要响应多个请求，或者需要发送其他下行链路流量，这种延迟有助于网络服务器更容易地完成对给定下行链路的调度。

图7

不是在时间方面指定，而是ADR承认推迟表示为若干上行消息。这使得低成本、低消耗的终端设备的实现变得简单。

任何下行数据包都可以包括来自网络服务器的最终确认。不需要在头文件中设置特殊位;数据包也被简单地视为确认。

如果在确认延迟时间到期之前没有从网络服务器收到应答，数据速率将自动降低一步，如图8所示。

图8

在这一步数据速率降低之后，终端设备继续向服务器发送消息(以这个新的、较低的数据速率)，请求ADR确认。一旦确认是接收到，终端设备使用新的服务器决定的数据速率，直到它收到通过正常的ADR机制再次更改它的指令。但是，如果没有响应，终端设备将继续逐步降低数据速率，直到它得到响应，或者假设设备和网络都在欧洲，直到它到达SF12(图9)。

注意:LoRaWAN可以使用的最高传播因子因地区而异，例如在美国，最高的SF是SF10。

图9

图10显示了非常简化的图片，描述了在多个数据速率之间共享单个频率通道的情况。

图10

结论

对于静态终端设备，ADR由网络服务器根据收到的上行报文的历史记录进行管理。这被称为网络管理美国存托凭证或静态ADR．

对于移动端设备，基于网络的ADR策略不能工作，因为在设备移动时发生不可预测的信道衰减。相反，对于移动端设备，ADR是由端设备“盲目”执行的。这被称为盲目的ADR．有关盲ADR的更多信息，请参见技术论文盲人ADR介绍．