基于LoRa的低功耗通信网络性能优化技术研究

摘要

低功耗无线通信技术是现代物联网通信技术的重要组成部分，是对传统物联网通信技术的重要补充。以LoRa（Long-range Radio）为代表的低功耗广域网技术（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）的出现解决了传统物联网技术功耗大、传输距离短、成本高、组网复杂的问题。功耗低是LPWAN最显著的特征，系统功耗控制是最重要的研究内容，针对不同的应用环境对网络的参数进行合理配置，减少终端的唤醒时间，降低系统功耗是低功耗无线通信网络组网的必要过程。本文以LoRa技术为基础对低功耗通信网络中的关键参数配置问题进行了研究，其中包括终端到网关的接入控制参数计算、适于系统状态的传输控制参数配置以及LoRa系统容量提升三方面内容。　　1.LoRa网络中终端到网关的接入过程控制。本文提出了利用ACB（Access Class Barring）机制来解决系统中大量终端接入过程中的拥塞问题。将系统设定为两种不同优先级的终端共存的模型以实现更精确的终端的接入控制，根据系统状态设置合理的接入控制因子来限制同时发起接入请求的终端数量，实现满足终端接入优先级要求的最大成功接入率；　　2.LoRa网络模型和传输控制参数的计算。建立了LoRa网络模型，根据LoRa终端数据成功传输的两个条件：网关处的接收信号功率大于接收灵敏度、信号的信干比（Signal toInterference Ratios，SIR）大于信号的相关性阈值条件，提出了实现系统平均成功传输概率（Successful Transmission Probability，STP）最大化的扩频因子（SpreadingFactor，SF）分配方案：概率匹配方案（Probability Matching Scheme，PMS）。该方案根据系统内的终端数量动态地调整不同时隙内各终端使用的SF，使系统平均成功传输概率达到最高，减少终端数据重传几率，提高数据传输效率，从而降低LoRa系统的功耗；　　3.定向天线与LoRa网络容量。采用定向天线来减少干扰信号终端数量、削弱终端间的干扰信号强度，因而，在相同的传输成功率条件下提高了系统容量。解决了终端密度提升导致的信干比下降、数据传输效率降低的问题，由于采用不同方向角定向天线时各个扇区内的干扰信号强度不同，需要根据不同的方向角重新配置SF使用区间，以实现系统容量最大化。

目录

声明

符号说明

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 低功耗无线通信研究现状

1.3 研究内容和章节安排

2 LoRa与无线通信网络性能优化

2.1 LoRa技术基础

2.1.1 LoRaWAN以及LoRa的物理层协议

2.1.2 LoRa的MAC层特征

2.1.3 LoRa中的线性调频扩频技术

2.2 优化参数的选取

2.2.1 接入过程优化

2.2.2 LoRa网络参数优化

2.2.3 优化效果的判定方法

3 巨量终端的接入过程控制

3.1 基于ACB的接入控制原理

3.1.1 混合网络模型

3.1.2 ACB机制及其原理

3.2 接入控制因子计算

4 LoRa网络参数优化

4.1 优化参数的选择

4.2 LoRa系统模型

4.2.1 基于无时隙ALOHA的竞争模型

4.2.2 LoRa网络中的信干比模型

4.2.3 LoRa中的扩频因子分配原理

4.2.4 定向天线对LoRa网络容量的影响

4.3 扩频因子配置区间问题的公式化

4.3.1 扩频因子分配

4.3.2 定向天线条件下的LoRa系统容量计算

5 LoRa网络性能优化的结果与仿真分析

5.1 接入过程的仿真分析

5.2 LoRa参数优化及方案对比

5.2.1 扩频因子分配区间求解

5.2.2 不同分配方案对比

5.3 定向天线对系统性能影响

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果