关键词：
物联网
低功耗广域网
LoRa通信
数据包冲突
数据分发
摘要：
低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技术可以为诸如智能电网、智慧城市等多种多样的物联网应用提供低功耗、长距离、大规模的连接和组网服务,成为了现有的物联网领域相关研究的一大热点。作为热门的低功耗广域网技术之一,LoRa通信技术由于其功耗低、距离长、连接设备数目多以及生态高度开放的特点,得到了产业界的广泛使用和学术界的深入研究。在LoRa网络中,低功耗设备的高效组网和传输是LoRa网络研究中的热点问题。具体来说,现有工作表明,在实际部署过程中,LoRa网络仍面临上行链路数据包冲突频发以及下行链路数据包分发效率低的问题。一方面,由于LoRa网络中设备发送数据包前不检查信道是否空闲、设备规模大、数据包滞空时间长,数据包冲突频发而导致数据包丢失或网络不可用。另一方面,LoRa WAN作为被广泛使用的LoRa网络的MAC层协议,其提供的数据分发协议存在功耗高、准备时间长、解码开销大的问题,从而导致LoRa网络的下行链路数据分发效率低下。这两方面的问题均显著降低了LoRa网络的组网规模、网络吞吐率、缩短了LoRa网络的运行寿命,进而严重阻碍了LoRa网络的大规模运用。本文拟针对这两方面的问题,从数据包冲突恢复、增大组网设备容量和协议配置角度,分别研究LoRa网络中的低信噪比情况下冲突数据包恢复方案、多数据包冲突情况下的数据包抗冲突方案,以及高能效的数据分发机制,从而提高LoRa网络的吞吐量、组网规模并延长网络运行寿命,相关研究成果发表在IEEE INFOCOM,IEEE Transactions on Industrial Informatics,IEEE UIC等计算机网络和物联网领域知名国际会议和期刊上。其中主要研究内容如下:
1)多网关协同恢复冲突的LoRa数据包的方案研究。目前,数据包冲突恢复是LoRa研究热点问题之一。现有的工作利用LoRa冲突数据包特有的时频域特征分离出冲突的数据包。然而此类工作对于冲突数据包的信噪比要求高,在低信噪比情况下难以取得良好效果。为了解决这一问题,本文提出了一种利用多网关处接收到的冲突数据包进行联合冲突数据包恢复的方案,称为CPR(Cooperative Packet Recovery)。CPR利用不同网关处同一冲突中信号的相干性和噪声的不相干性来增强冲突中LoRa数据包的时频域特征,从而恢复出低信噪比情况下的冲突数据包。具体来说,CPR首先通过滑动窗口累加并提取数据包信号前导码特征,用于识别和检测冲突发生的位置,解决了低信噪比情况下网关本地难以发现冲突的挑战。然后,CPR提出了基于数据包结构特征的不同网关间数据包信号对齐机制,解决了不同网关接收到的冲突信号难以对齐的挑战,使得不同网关接收到的冲突数据包可以进行相干叠加。最后,CPR提出了新颖的网关选择策略,根据冲突数据包检测提取的数据包信噪比特征选择合适的网关进行冲突数据包联合恢复,解决了低信噪比情况下对冲突恢复有益的网关难以识别的挑战。大量实验结果表明,CPR可以显著提高低SNR场景下的冲突数据包的符号恢复率。
2)基于chirp跳信道的LoRa网络抗冲突方案研究。在多个数据包冲突的情况下,冲突的数据包的时频域特征容易相互干扰而失真,所以现有的LoRa数据包恢复的工作在多包冲突的情况下也难以取得较好的效果,严重制约了LoRa网络的组网设备规模。因此在数据包冲突恢复工作之外,LoRa数据包抗冲突机制也是一大研究重点。现有的研究致力于通过对LoRa的物理层调整提高LoRa数据包的抗冲突性能,即对LoRa数据包传输过程中最基本的符号单位——chirp,进行调整以增强其抗冲突性能,例如将频率线性变化的chirp调整为频率非线性变化的chirp。然而,这类工作由于需要对LoRa调制方式进行较大改动,无法兼容现有的LoRa网络,因此部署和使用成本较高。为了解决此问题,本文提出了一种基于基于chirp跳信道的LoRa数据包抗冲突机制,称为CHLoRa(Channel Hopping LoRa)。CHLoRa对LoRa数据包中每一个chirp分段成为若干subchirp再跳频散播到不同的信道中传输,通过跳频引入了额外的信道序列特征用于分离冲突中的不同数据包。解调时由于只有目标chirp会一直存在于指定跳信道序列中,可以根据这一特征消除其他数据包的干扰并将目标chirp从冲突情况下分离出来,因此可以显著增强LoRa数据包的抗冲突的能力。为了实现CHLoRa的设想,主要面临以下挑战。首先设计接收双方的跳频信道序列同步机制是一大挑战,在数据包发送前提前进行协商将引入额外的协商开销。CHLoRa重新设计了一种新型的LoRa数据包帧结构,在接收数据包过程中用于接收双方直接同步跳频信道序列,从而节省了提前协商的开销。此外,在现
