论文部分内容阅读
随着智慧校园、智慧工厂、智慧社区以及智慧交通等新兴物联网应用的爆发式增长,数以亿计的无线传感器设备将接入无线网络。因此为了满足越来越多低功耗远距离的无线传感器设备的连接需求,低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)的远距离通信技术(Long Range Radio,LoRa)开始成为研究热点。LoRa无线网络覆盖主要受制于信道路径损耗和多射频参数配置,这些特征参数是分析系统链路预算、覆盖策略、干扰、系统组网方案的重要依据。如何根据应用场景的信道路径损耗合理配置射频参数,以确定LoRa无线网络覆盖范围和优化布置基站,以及如何在LoRa无线网络覆盖的边缘监测评估链路的质量,以提高组网的覆盖容量和稳定性,是本文要解决的问题。本文针对低功耗广域网LoRa技术进行了信号覆盖特性和LoRa组网方法的研究。对于LoRa信号的覆盖特性,在射频参数配置方面,建立了接受灵敏度与系统噪声、LoRa信号带宽和扩频因子间的数量关系,分析了LoRa线性扩频调制方式及其射频参数对其覆盖范围的影响,在信道传输路径损耗方面,采用射线跟踪法,使用3D电磁仿真软件Wireless Insite讨论LoRa信号在不同示例环境下的路径损耗的主要影响因素。在上述分析基础上,利用接收灵敏度公式、链路预算公式和路径损耗Hata模型提出了LoRa信号覆盖半径计算方法。并运用该方法讨论LoRa无线网络多节点情况下基站布局的设计方案,利用多节点的信号覆盖交叉区域的信号强度,借助MATLAB利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对交叉区域的信号强度进行寻优处理,得到交叉区域信号强度最大点的基站坐标,这一方法有助于解决LoRa无线网络基站规划的一般问题。对于LoRa无线网络覆盖链路质量的监测与评估,分析了信道链路评估的一般方法,选取基于BP(Back Propagation)神经网络算法的信道评估方法,建立LoRa物理层参数接收信号强度(Received Signal Strength Indication,RSSI)、信噪比(SIGNAL-NOISE RATIO,SNR)和数据链路层参数丢包率(Packet Loss Rate,PLR)之间的映射关系,根据映射关系网络可对任意一组物理层参数预测其PLR,并以预测的PLR与选取的阈值比较确定跳频切换条件。在此基础上,针对现有LoRaWAN网关的不足,设计基于信道评估的多通道跳频组网方法,包括8路独立的LoRa射频模块构成的多通道私有网关,该多通道网关采用1路控制信道和7路业务信道的新颖结构,多信道根据LoRa无线覆盖链路质量的监测与评估结果进行自适应跳频。并对其组网的网关、网络架构和跳频机制进行了设计和实现,解决了同频和邻频干扰,提高了组网的覆盖容量和稳定性。实测结果表明,LoRa多通道跳频组网系统对同频干扰可实现单节点毫秒级响应时延以及多节点跳频快速响应的稳定通信。