本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)，具體涉及一種基于ns3和chirpstack的lorawan組網(wǎng)及定位仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、lora（long?range）作為一種新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在市區(qū)和郊區(qū)通信距離分別可達(dá)5km和15km，其具備的廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點(diǎn)，以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和部署靈活等優(yōu)勢(shì)，使lora定位成為解決gnss拒止、蜂窩定位受限于基礎(chǔ)設(shè)施、zigbee/藍(lán)牙定位覆蓋范圍小等問題的有效手段。lora?alliance自2015年成立以來，通過制定lorawan協(xié)議規(guī)范并發(fā)布lorawan定位白皮書，不斷推動(dòng)lora技術(shù)在低功耗組網(wǎng)、廣域定位等領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用，并引起了有關(guān)研究人員的廣泛興趣。

2、為了不斷提升lorawan的組網(wǎng)及定位性能，許多研究人員利用開源的ns3模擬器，并通過引入ns3模擬器的app?store中的lorawan?model，開展相關(guān)的模型仿真工作。然而，由于實(shí)際的lorawan網(wǎng)絡(luò)部署在城市、郊區(qū)、山地等各種復(fù)雜環(huán)境中，現(xiàn)有l(wèi)orawan?model很難對(duì)信號(hào)傳播模型等進(jìn)行比較準(zhǔn)確的模擬，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)性能存在較大差距。

3、還有許多研究人員通過部署實(shí)際的lorawan網(wǎng)絡(luò)開展具體實(shí)驗(yàn)工作，對(duì)lorawan的組網(wǎng)協(xié)議優(yōu)化、定位算法改進(jìn)等進(jìn)行研究。目前，開源的chirpstack平臺(tái)被廣泛應(yīng)用于搭建lorawan服務(wù)器，使用戶可以通過web界面管理lorawan終端、lorawan網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，并提供基于grpc的api，方便用戶對(duì)chirpstack服務(wù)器進(jìn)行功能擴(kuò)展。然而，lorawan網(wǎng)絡(luò)具有的廣覆蓋、大連接等特點(diǎn)，使研究人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求改變網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，面臨時(shí)間、成本等多個(gè)方面的挑戰(zhàn)，不利于研究人員便捷、高效的開展科研攻關(guān)。

4、因此，通過開展基于ns3和chirpstack的lorawan組網(wǎng)及定位仿真系統(tǒng)研究，有助于增強(qiáng)模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)世界的互聯(lián)互通，即不僅能夠根據(jù)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)對(duì)模擬網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)傳播模型等進(jìn)行改進(jìn)，而且能夠根據(jù)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)模擬出更大規(guī)模、更加復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)傳播時(shí)間等參數(shù)，使研究人員在針對(duì)特定環(huán)境開展lorawan組網(wǎng)及定位仿真時(shí)，能夠獲得準(zhǔn)確度更高的仿真結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于ns3和chirpstack的lorawan組網(wǎng)及定位仿真系統(tǒng)，包括lorawan終端、lorawan網(wǎng)關(guān)、chirpstack服務(wù)器、ns3運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集程序和ns3模擬器；lorawan終端發(fā)送數(shù)據(jù)至lorawan網(wǎng)關(guān)，再轉(zhuǎn)發(fā)至chirpstack服務(wù)器；在ns3模擬器的運(yùn)行平臺(tái)上，數(shù)據(jù)采集程序與chirpstack服務(wù)器通信并讀取數(shù)據(jù)；ns3模擬器根據(jù)數(shù)據(jù)采集程序從chirpstack服務(wù)器上讀取的數(shù)據(jù)，對(duì)ns3模擬器的現(xiàn)有constantspeedpropagationdelaymodel進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)ns3模擬器中信號(hào)到達(dá)lorawan網(wǎng)關(guān)的時(shí)間的波動(dòng)情況進(jìn)行模擬；ns3模擬器通過仿真得到模擬lorawan終端發(fā)送的同一信號(hào)到達(dá)不同模擬lorawan網(wǎng)關(guān)的時(shí)間等數(shù)據(jù)，并完成lorawan的組網(wǎng)及定位仿真過程。本發(fā)明充分利用了ns3模擬器與chirpstack服務(wù)器均具備的代碼開源、功能豐富、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，使研究人員在針對(duì)特定環(huán)境開展lorawan組網(wǎng)及定位仿真時(shí)，能夠獲得準(zhǔn)確度更高的仿真結(jié)果。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于ns3和chirpstack的lorawan組網(wǎng)及定位仿真系統(tǒng)，包括lorawan終端、lorawan網(wǎng)關(guān)、chirpstack服務(wù)器、ns3運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集程序和ns3模擬器；

4、所述lorawan終端包括微處理器模塊、lora通信模塊、北斗定位模塊和電源模塊；所述lora通信模塊、北斗定位模塊和電源模塊均與微處理器模塊相連；

5、所述lorawan終端、lorawan網(wǎng)關(guān)和chirpstack服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互遵循lorawan協(xié)議并組成lorawan網(wǎng)絡(luò)；所述lorawan終端能夠處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；所述lorawan網(wǎng)關(guān)處于靜止?fàn)顟B(tài)；所述lorawan終端始終位于lorawan網(wǎng)關(guān)的通信覆蓋范圍內(nèi)；

6、所述lorawan終端將自身發(fā)送功率、通過北斗定位模塊獲取的經(jīng)緯度坐標(biāo)、信號(hào)發(fā)送時(shí)間作為數(shù)據(jù)負(fù)載，發(fā)送至lorawan網(wǎng)關(guān)，然后轉(zhuǎn)發(fā)至chirpstack服務(wù)器；

7、所述數(shù)據(jù)采集程序在ns3運(yùn)行平臺(tái)上運(yùn)行，利用chirpstack服務(wù)器提供的api接口，并基于grpc框架與chirpstack服務(wù)器進(jìn)行通信，并將從chirpstack服務(wù)器讀取的數(shù)據(jù)，在ns3運(yùn)行平臺(tái)上存儲(chǔ)為data_from_chirpstack.txt文件；

8、所述ns3模擬器周期性的讀取data_from_chirpstack.txt文件內(nèi)容，并確定隨變化的規(guī)律，以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬時(shí)引入高斯噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，其中，是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中l(wèi)orawan終端發(fā)送的信號(hào)到達(dá)lorawan網(wǎng)關(guān)所需傳播時(shí)間、是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中l(wèi)orawan終端和lorawan網(wǎng)關(guān)之間的距離；

9、所述ns3模擬器利用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中隨變化的規(guī)律，對(duì)ns3模擬器的現(xiàn)有constantspeedpropagationdelaymodel進(jìn)行優(yōu)化，即在模擬網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)模擬lorawan終端和模擬lorawan網(wǎng)關(guān)之間的距離，計(jì)算模擬lorawan終端發(fā)送的信號(hào)到達(dá)模擬lorawan網(wǎng)關(guān)所需傳播時(shí)間，然后再對(duì)引入均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為的高斯噪聲，用于模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中l(wèi)orawan終端發(fā)送的信號(hào)到達(dá)lorawan網(wǎng)關(guān)的時(shí)間的波動(dòng)情況；

10、所述ns3模擬器在模擬網(wǎng)絡(luò)中，通過獲取模擬lorawan終端發(fā)送的同一信號(hào)到達(dá)不同模擬lorawan網(wǎng)關(guān)的時(shí)間，計(jì)算模擬lorawan終端發(fā)送的同一信號(hào)到達(dá)不同模擬lorawan網(wǎng)關(guān)的到達(dá)時(shí)間差，再根據(jù)tdoa定位算法計(jì)算模擬lorawan終端的位置信息，完成lorawan的組網(wǎng)及定位仿真過程。

11、優(yōu)選地，所述ns3模擬器中，令的初始值為0，然后按照以下步驟，周期性的讀取data_from_chirpstack.txt文件內(nèi)容，并確定隨變化的規(guī)律，以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬時(shí)引入高斯噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差：

12、步驟1：ns3模擬器從data_from_chirpstack.txt文件中，根據(jù)短地址devaddr和網(wǎng)關(guān)id號(hào)gatewayid，選取1個(gè)lorawan終端和1個(gè)lorawan網(wǎng)關(guān)，分別記為enddevice0和gateway0；

13、步驟2：ns3模擬器從data_from_chirpstack.txt文件中，讀取enddevice0發(fā)送至gateway0然后轉(zhuǎn)發(fā)至chirpstack服務(wù)器的最新條數(shù)據(jù)，獲得gateway0的經(jīng)緯度，以及第條數(shù)據(jù)中包含的：enddevice0的經(jīng)緯度信息、enddevice0發(fā)送第條數(shù)據(jù)的發(fā)送功率、發(fā)送時(shí)間、以及第條數(shù)據(jù)到達(dá)gateway0的時(shí)間、接收信號(hào)強(qiáng)度，其中，；

14、步驟3：ns3模擬器將gateway0的經(jīng)緯度和enddevice0的經(jīng)緯度投影轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)，得到gateway0的二維坐標(biāo)為，enddevice0的二維坐標(biāo)為，然后計(jì)算enddevice0和gateway0之間距離的不同取值，即，計(jì)算數(shù)據(jù)幀從enddevice0發(fā)送到gateway0所需的空中傳播時(shí)間的不同取值，即，計(jì)算數(shù)據(jù)幀從enddevice0發(fā)送到gateway0的信號(hào)衰減的不同取值，即，計(jì)算enddevice0的平均移動(dòng)速度，其中，、分別表示從data_from_chirpstack.txt文件中讀取的第條數(shù)據(jù)中包含的enddevice0的經(jīng)緯度信息投影轉(zhuǎn)換成二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，表示從?data_from_chirpstack.txt文件中讀取的第條數(shù)據(jù)中包含的enddevice0發(fā)送第條數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間；

15、步驟4：ns3模擬器根據(jù)、的取值得到，其中，，，根據(jù)、的取值得到，其中，，，再根據(jù)enddevice0的平均移動(dòng)速度，得到，其中若，則，若，則；

16、步驟5：ns3模擬器根據(jù)的取值，當(dāng)時(shí)，根據(jù)的取值，計(jì)算的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，并令；當(dāng)時(shí)，如果，則令，否則令的值保持不變；

17、步驟6：重新執(zhí)行步驟1。

18、優(yōu)選地，所述lorawan終端、lorawan網(wǎng)關(guān)和chirpstack服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互遵循lorawan協(xié)議并組成lorawan網(wǎng)絡(luò)后，所述lorawan終端發(fā)送信號(hào)的數(shù)據(jù)負(fù)載包括4部分：通過北斗定位模塊獲取的自身緯度、通過北斗定位模塊獲取的自身經(jīng)度、信號(hào)發(fā)送時(shí)間、lorawan終端的自身發(fā)送功率。

19、本發(fā)明的有益效果如下：

20、（1）本發(fā)明ns3模擬器與chirpstack服務(wù)器均具有開源、功能豐富且具有很好的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，是研究人員開展網(wǎng)絡(luò)仿真和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署等研究工作時(shí)廣泛使用的工具?，F(xiàn)實(shí)中的lorawan網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣的典型特點(diǎn)，本發(fā)明將ns3模擬器與chirpstack服務(wù)器融合，并應(yīng)用于lorawan組網(wǎng)及定位仿真研究，能夠提升仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且相較于全實(shí)物網(wǎng)絡(luò)部署，有助于提高實(shí)驗(yàn)效率并降低成本。

21、（2）本發(fā)明提供的根據(jù)真實(shí)lorawan網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對(duì)ns3模擬器中模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，使研究人員能夠根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署的特點(diǎn)，對(duì)ns3模擬器中的現(xiàn)有l(wèi)orawan?model以及其他model進(jìn)行優(yōu)化，有助于進(jìn)一步提升ns3模擬器的性能。

22、（3）本發(fā)明提供的ns3模擬器與chirpstack服務(wù)器之間的通信方式，能夠?yàn)檠芯咳藛T實(shí)現(xiàn)ns3模擬器與其他服務(wù)器或開發(fā)平臺(tái)的互聯(lián)互通提供參考，從而為研究人員開展其他領(lǐng)域研究工作提供一種新的仿真方法。