一种自适应数据率是什么?
在本白皮书中,我们将着眼于自适应数据速率(ADR)机制。ADR允许我们利用的优点罗拉®物理层。
调整的数据速率LoRaWAN®网络使得我们很容易扩展网络,只需添加网关。此外,使用ADR可以大大增加这样一个网络的能力。
让我们首先看一个遗留系统。考虑一个M2M使用FSK-based通信网络,例如,生产部。对于这个练习,我们将考虑2.4 kbps的化身生产部操作在一个单一的渠道。对于我们的场景,想象我们正在监视用水在市区,使用计量行业标准每平方公里2500米。在这种情况下,使用典型的生产部设置,假设我们有一个城市覆盖约500米的范围。在这个密度图,这对应于2000水表。
假设我们在2.4 kbps, 64字节的传输负载数据,如果我们运行的数字,我们最终只能够传输之前一天两次包错误率超过1%,由于碰撞。
LoRaWAN网络是比这更健壮。明白为什么,我们将调查的行为罗拉调制解调器和可用的灵敏度为每个数据率(扩频因子或科幻小说)。对于这个练习,假定罗拉带宽是固定在125千赫。
表1:数据率和灵敏度为125千赫
现在,让我们也考虑time-on-air:
表2:数据率、灵敏度和时间在空气中。
考虑到时间在空气中,很明显,终端设备(节点)接近网关不需要高与SF12链路预算;他们也不需要呆在空气一样长。在这种情况,使用ADR可以优化用于每个表的科幻小说,在空气,减少后续的时间。
ADR是一个非常简单的机制,改变了数据率基于简单的规则:
- 如果链路预算高,可以增加数据速率(即科幻增加)
- 如果链路预算很低,可以降低数据率(即减少了科幻小说)
裁缝的节点的数据速率可用链路预算。
确定数据速率
网络服务器是如何确定适当的数据率?让我们来看看:
终端设备的应用程序发送一个消息到网关,它没有作用于数据一起传递消息。LoRaWAN网络中的网关是一个简单的、低成本的设备,将LoRaWAN数据包转换成IP数据包,可以送到一个安全的回程网络服务器。这些IP数据包包括少量的元数据接收时间和信号强度。基于接收信号的强度,网络服务器确定最优节点数据率应该是什么(即扩散因子)。
图1
媒体访问控制器,也称为MAC层、网络服务器、会谈的同一层LoRaWAN结束节点的堆栈。然后发出MAC命令从服务器基于其全球的观点从所有网关接收到的信号的强度。节点应该使用的数据速率,从服务器发送回设备通过网关与最好的信号强度。
比特率和能量下行
这个ADR机制的影响是什么,当只有一个网关?
图2显示了一个简化的结果情况下,我们考虑一个自由空间路径损耗模型来估计两个天线之间的衰减(网关,和设备)。
图2
节点与网关使用高数据率(例如SF7)。因此,他们花更少的时间在空气和利用低预算,他们需要的链接。对于较远的节点,数据率较低(例如SF12)和链路预算较高。当然,在现实路径损耗情况更为复杂。这将取决于周围的特定环境网关,以及节点存储在哪里以及如何部署。
要记住的重要一点是,因为通信相互正交的:多个数据率在同一通道可以同时收到。
此外,所需的时间为一个设备发送其负载优化,可以大大减少设备的能源消耗。
网络容量优化
从网络的角度考虑ADR。图3显示了一个网关,G1,一系列的设备在不同的应用程序。
图3
在这里我们可以看到,美国存托凭证已经在影响和节点都有它们的利率调整。尽管网关可以提供所有的节点,因为长期的罗拉物理层,最终我们可以“看到”从一个给定的网关设备太多,因此需要额外的能力。
这是用LoRaWAN可轻易做到。因为没有约束的网关接收信号从一个给定的节点,我们只是添加另一个网关(G2)。这个网关还将任何previously-unconnected节点附近。更有趣的是,对于已经连接到G1的节点,ADR会休息。最近的节点将指示G2 MAC命令从服务器增加数据速率,从而减少他们的链接相应的预算。
通过减少可用的链路预算,我们减少沟通的范围。这将使许多节点无形的G1和添加上行链路的能力,和下行,结束节点。
网关的局限性
我们可以更详细地检查ADR之前,我们需要考虑一些重要的设计权衡,发挥作用,因为网关使用license-free ISM波段。ISM波段,虽然自由,是以牺牲一些实际的限制,任何低功率是常见的广域网(LPWAN)。
第一个因素是合法的。一些ISM波段,特别是在欧洲(这是由ETSI)限制的时间量license-free广播可以使用。对于大多数应用程序,这是没有问题。然而网关,聚集了很多应用程序,必须承认一个公平的部分上行流量,法律限制可能会有问题。
第二个考虑的是,即使没有受到法律的约束,ISM波段和可用过滤技术不允许网关的全双工操作,至少不是在欧洲。这意味着,当一个设备发送一个上行,它不能监听下行。
结果是下行,如确认和ADR命令,与上行链路相比是昂贵的。LoRaWAN网络可以支持下行从网关节点的数量远远少于它可以上行链路从节点到网关。
其他点的上下文中考虑LoRaWAN是终端设备在课堂操作模式可以宣布自己在任何时候然后几乎消失,直到下一个沟通。这是很重要的考虑在确定给定节点的链路预算一个给定的应用程序。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,但不能失去连接的成本。
鉴于这些考虑,很明显,移动设备不能使用ADR。想象一个car-tracking应用程序。在这种情况下,一个ADR命令到达节点的时候,传播环境将从根本上改变了所以的数据率,因此链路预算,将不再是有效的。
确认范围
为了更好地理解应用程序可以利用ADR,不能,我们需要看看ADR背后的控制机制。
而实际的数据率本身是由网络服务器,ADR机制可以从网络或调用结束节点。不管哪一方沟通引发ADR机制的然而,使用ADR是否合适取决于应用程序。ADR调用简单地通过设置ADR在帧头的控制。通常,终端设备应用程序决定是否使用ADR是适当的。如果是这样,一些设置,让网络知道终端设备可以有它数据速率由网络决定。
要理解这个过程,想象一个设备连接到网络,宣布自己是ADR-enabled通过上行(图4)。这上行穿过一个或多个网关简单继电器网络消息发送回服务器。默认情况下,它将发送数据速率最低,也就是说,最长的范围设置。
网络服务器做什么工作?它等待。
图4
一旦网络服务器积累了一些结果,它计算的中间结果,确定可用的链路预算和最高数据速率,可以支持,以及一个误差,允许波动的信道特征。后接下来的上行,MAC命令来更改数据发送到终端设备,是适当的。(图5显示了一个MAC命令设置ADR SF7的数据速率)。
图5
终端设备然后切换到新的扩散因子和未来所有的上行链路设置在这个新数据率。网络服务器仍然意识到任何退化的通道。它将发行新的MAC命令下次决定了需要更改数据速率。
你可能会问自己:“如果失去了联系?”
整个时间,终端设备发送上行包,也增加了“ADR承认计数器”。计数器可以递增,直到达到一个预定义的限制,如图6所示。
图6
当节点到达ADR承认限制,设置ADR承认请求在控制帧头,红色所示:
为下行帧,FCtrl内容框架的标题
上行帧,帧头的FCtrl内容
确认延迟
后ADR承认请求位,有一个预定义的延迟,ADR承认推迟,如图7所示。在这段时间里,网络终端设备等待服务器响应确认请求。因为网络服务器可能需要应对多个请求,或其他需要发送下行流量,这种延迟使给定下行调度网络服务器更容易完成。
图7
而不是被指定的时间,ADR承认推迟表示为一个上行消息的数量。这使的实现低成本、低能耗设备简单结束。
任何下行数据包可以包括网络服务器的最终确认。没有特殊需要设置一些标题;包也只是当作被确认。
如果没有收到回答网络服务器确认延迟期已经过期的时候,数据速率将自动减少一步,如图8所示。
图8
这一步数据降息后,终端设备继续发送消息到服务器(在这个新的、低数据率)请求一个ADR确认。一旦确认是收到,终端设备使用新的server-determined数据速率,直到它接收到一个指令改变再通过正常的ADR机制。然而,如果没有即将到来的回答,终端设备继续棘轮数据速率,一步一步,直到一个响应,或者假设设备和网络在欧洲,直到到达SF12(图9)。
注意:最高的传播因素可以用于LoRaWAN不同的地区,例如在美国,科幻是SF10最高。
图9
图10显示了非常简化图描绘的情况中,单个频道之间共享多个数据率。
图10
结论
对于静态终端设备,美国存托凭证是由网络管理服务器,基于接收到的上行数据包的历史。这被称为网络管理美国存托凭证或静态ADR。
为移动终端设备,基于网络的ADR策略不工作因为发生的不可预测的通道衰减设备动作。相反,与移动终端设备,ADR执行“盲目”的终端设备。这被称为盲目的ADR。关于盲人ADR的更多信息,请参见科技论文介绍了盲ADR。