用于工业物联网环境的LoRa多点通信协议研究

摘要

在工业物联网兴起的时下，传统制造业常面临升级改造问题，在打造信息化工厂、数字化工厂、智能工厂过程中首先需解决的是打破设备孤岛，解决机器设备的联网问题。机器联网可采用有线或无线方式。在大型物联网应用场景中，当机器设备数量过大或具有移动性时，相比于有线方式巨大的部署和修改成本，无线方式更具有灵活便捷的特性，因此受到工业互联网领域的广泛关注并得到了众多的应用。 本文针对传统物联网无线技术具有功耗大，覆盖范围小，连接不稳定等问题，结合工业物联网的数据量较小、传输距离远、多径干扰强等特点，选用了新兴的具有功耗低，距离远，抗干扰能力强等特性的LoRa通信技术，提出了基于LoRa技术的适用于工业物联网应用场景的，具有数据高可靠性、强抗干扰能力的LoRa无线应用协议。 本文通过对目前针对LoRa通信技术提出的一种标准协议LoRaWAN和其他基于竞争方式的MAC协议的研究，并分析了LoRa通信技术，提出了一种应用协议。本协议主要结合了LoRa技术与IEEE802.11DCF机制，采用了RTS/CTS握手与CSMA/CA机制。本协议主要内容包括: (1)时隙、帧间间隔、帧模型的确定。本协议结合LoRa的收发转换时间、CAD前导码检测时长以及协议处理时间，重新定义了DCF机制中的时隙时长。本协议根据握手阶段和数据交互阶段出现的4种信道空闲的情况制定了DIFS和SIFS帧间间隔，用于区分数据交互阶段的信道空闲和数据交互完成后的信道空闲。本协议还制定了握手帧RTS、CTS，数据帧DATA以及应答帧ACK的帧模型。 (2)信道接入方式。本协议在信道接入方式上，以CAD前导码检测作为虚拟载波侦听，节点每次接入信道前都需进行侦听，当信道为真空闲即信道空闲时隙数达到DIFS后，才可接入信道进入握手阶段，并且只有握手成功后才可进入数据交互阶段。这样能保证冲突只可能发生在握手阶段并且数据交互过程不会被破坏。 (3)退避机制。本文在退避算法上做了更具公平性的改进。本文研究分析了二进制指数退避算法及基于此算法的的改进算法，其基本思想都是通信发生冲突则扩大竞争窗口，成功则减小竞争窗口。这样就有更大几率造成不公平性，已经竞争到信道的节点在下一次竞争时有更大的优先权，因其竞争窗口更小。本协议在退避算法的设计上更遵循公平原则，主要思想为:若通信发生冲突则适当减小竞争窗口，使节点下一次竞争到信道的可能性更大;若通信连续成功一定次数则扩大竞争窗口，主动让位于其他节点。竞争窗口有上下限限制。 本文在详细论述来了协议的设计过程、基本参数及其关键技术后，建立马尔可夫模型分析并利用MATLAB平台，从网络吞吐量和公平性两个方面对协议进行网络仿真分析。仿真结果表明，本协议较二进制指数算法，在吞吐量上略有降低，但具有显而易见的更高的公平性。 最后本文实现了基于STM32和LoRa的硬件平台，实现了LoRa通信，完成了协议移植工作。主要包括底层驱动移植，LoRa点对点和点对多点透传通信测试，LoRa通信参数设置与通信速率和抗干扰测试，多对一的轮询方式通信和多对一的随机方式通信测试。最后将仿真通过的协议移植到硬件平台上，实现了工业设备无线通信协议。并在工业现场环境以及模拟强干扰环境下对协议进行验证与评估，结果表明协议移植成功，各终端节点设备能够较为公平地上报数据，同时，具备较好的抗多径干扰的能力。

目录

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1现有技术比较

1．2．2相关通信协议概述

1．2．3国内外应用现状

1．3论文研究内容

1．4论文组织结构

2 LoRa技术研究

2．1 LoRa通信技术

2．1．1通信参数

2．1．2符号速率

2．1．3数据包结构

2．1．4传输时间

2．2 LoRa通信原理

2．3 LoRa传输优势

2．4本章小结

3基于竞争的MAC协议研究

3．1 LoRaWAN协议分析

3．1．1 LoRaWAN Classes

3．1．2 MAC消息格式

3．1．3 LoRaWAN协议总结

3．2 IEEE802．11MAC协议DCF机制分析

3．2．1 RTS／CTS握手

3．2．2帧间间隔

3．2．3 CSMA／CA机制研究

3．3退避算法研究

3．3．1二进制指数退避算法

3．3．2 MILD算法

3．3．3现有改进退避算法总结

3．4本章小结

4工业设备无线通信协议

4．1工业设备无线通信协议的关键技术

4．1．1基于LoRa的接入方式

4．1．2帧间间隔

4．1．3节点退避策略

4．2工业设备无线通信协议设计与实现

4．2．1基本参数确定

4．2．2协议流程

4．2．3协议帧格式

4．3工业设备无线通信协议的仿真与性能分析

4．3．1网络归一化吞吐量

4．3．2 Markov模型分析

4．3．3公平性分析

4．3．4仿真结果分析

4．4本章小结

5硬件平台与底层驱动的实现

5．1 LoRa终端和LoRa集线器

5．2底层驱动

5．2．1串口通信

5．2．2 SPI通信

5．2．3 LoRa射频驱动

5．3 LoRa半双工通信测试

5．3．1点对点通信

5．3．2通信速率和干扰测试

5．3．2轮询方式的多对一通信

5．3．3随机方式的多对一通信

5．4本章小结

6基于硬件平台的通信协议移植与测评

6．1工业设备无线通信协议移植

6．2工业设备无线通信协议验证与评估

6．3本章小结

7总结与展望

7．1本文的工作总结

7．2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

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