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物联网技术之提高LoRaWAN通信性能的有关研究
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已有的提高LoRaWAN通信性能的研究可以按网络层优化分为两类:物理层和媒体访问控制层。

1、物理层优化及新设计。

Choir系统使用了具有频偏频的特性来区分与多个LoRa帧碰撞的情况,从而减少因传输碰撞、损坏包而造成的丢失。用来产生载波的终端设备不能很好地产生载波,而且每个终端设备产生的帧都会有相应的频偏。因为无线通信系统运行在物理层,所以系统的网关必须使用软件USRP(如universal software radio peripheral),并用软件解调进行解码。这样,Choir系统的解码速度就不如普通LoRaWAN网关那样快。同样,像FTrack,SCLoRa,mLoRa这样的系统,都是通过使用一个软件定义无线电装置来实现对多个LoRa帧的解码,从而提高通信速率。NetScatter系统改变了LoRa调制为开-键控制(OOK,on-offkeying)来简化反散射装置中的调制解调过程。它能对多个器件反向散射的LoRa信号进行并发解调。不过,NetScatter系统采用的开-键调制方式并不符合LoRa标准调制。因而,系统不能很好地与现有设备兼容。针对某些大型建筑物中部署的LoRaWAN终端设备,由于遮挡而出现了传输信号衰减的问题,为解决这个问题,Charm系统结合了多网关端接收到的信号,提高了接收信号的信噪比和LoRaWAN覆盖范围。尽管Charm系统并不需要强大的、昂贵的软件定义无线电装置,但是仍然需要高度定制的可编程装置来获取信号。Chime系统使用多个网关对同一终端设备节点的数据进行分析,以解决多个终端设备的信道争用,通过多网关的同步和最佳信道估计,对选取最佳传输信道的选取进行回传。Chime系统要求用软件定义无线电设备作为采集信号的网关,并且这些网关之间需要严格同步,这增加了硬件和软件方面的额外费用。

总体上说,通过对物理层的优化,使用上面提到的大多数技术可以增加LoRaWAN的吞吐量。由于市场上可购买的商业设备没有为物理层提供信号信息,因此,要实现上述物理层优化,还需要增加设备的成本,如USRP等软件定义无线电设备。

2、介质存取控制层优化和新设计。

默认的LoRaWAN使用ALOHA作为控制层媒体访问协议。ALOHA协议采用随机接入机制,使得设备间的传输冲突非常容易,严重影响整个网络的可用性和可靠性。分段ALOHA和TDMA(TDMA,time division multiple access)是减轻这一问题的可行方法。具体地说,终端节点将基于同步时钟,在规定的时间间隔内发送数据,而不是完全随机地接入网络。目前,国内外许多研究都对分段ALOHA和TDMA在LoRaWAN中的应用进行了探讨。但是,由于LoRa自身通信带宽的限制,时钟同步所需要的通信量增加了LoRaWAN的负荷。为避免时钟同步所带来的通讯负担,一些研究主张使用载波侦听多路接入(CSMA,carrier sense multiple access)代替ALOHA或TMDA。贝尔特拉梅利等提出了一种基于随机几何的模型,从理论上分析表明,该模型在可靠性和节能方面优于ALOHA。DeepSense利用一个预训练好的人工神经网络来识别谱图信号,检测到所传递的信号。但是,系统需要软件定义连接物理层的无线电装置,并且需要使用机器学习加速器来加快神经网络的识别速度。为使CSMA能够与现有的设备兼容,先前的一项工作是把802.11CSMA协议移植到LoRa上,并通过在每个终端设备上增加一种具有此功能的设备的方式来实现CSMA。但是,该方法增加了硬件设备开销和系统复杂度,不适合生产环境。像Gamage这样的功能利用了通道活动检测(CAD,channel activity detection)在LoRa终端设备上进行载波侦听,通过对LMAC(LoRaMAC)介质访问控制协议的设计,提高LoRaWAN的吞吐量和数据包到达率。它无需修改LoRaWAN的物理层,且可与网关兼容,可方便地部署到现有LoRaWAN上。

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