LoRa无线传感网信道质量评估与组网方法研究

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随着科技的发展,信息化程度不断加深,物联网技术在近些年飞速发展,低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)成为了研究热点。作为LPWAN中的佼佼者,LoRa(Long Range)应用越来越广泛,其通信频道越来越拥挤,这使得优化其无线资源分配成为迫切需要。实验发现,现有工程应用LoRa网络存在对于同频干扰、邻频干扰以及遮挡物引入等环境因素所造成的信道衰落自适应能力不足,并且对于干扰类型的识别主要依赖于现场人工标定,不能自动实时监测等问题。针对这些问题,论文开展了以下主要工作:(1)根据LoRa信道模型,分析了影响LoRa信道质量的主要因素。分析其调制解调过程,从其技术原理、射频参数以及信号干扰三方面进行了讨论,在此基础上选取合适的信号传播模型,结合射频参数设置,研究了其信号链路质量及其覆盖半径与射频参数之间的理论关系。(2)根据LoRa通信机制,对目前的信道评估方法的优缺点进行总结分析,选取Elman神经网络算法进行信道评估模型的建立,拟合计算物理层参数接收信号强度(Received Signal Strength Indication,RSSI)和信噪比(SIGNAL NOISE RATIO,SNR)与包接收率(Packet Received Rate,PRR)之间的所存在的映射关系。(3)设计了LoRa信道实时监测方案,实时测量不同信道衰落类型和状态,提出基于信道评估的动态组网方案。通过实验测得不同干扰对信道质量所造成的影响在信道评估参数RSSI、SNR、PRR上的具体表现形式,针对遮挡物引入等环境因素所造成的信道衰落,建立基于信道评估的动态组网方案主要通过调整带宽、扩频因子、中心频率、发射功率和编码率等射频参数自适应功率方案来实现,并提出信道自适应的节点入网与时间同步方法;针对同频干扰、邻频干扰,建立基于信道评估的动态组网方案主要通过多信道跳频方法实现,提出了多信道TDMA跳频组网方案。(4)设计了多信道TDMA自适应跳频网关,包括软件流程以及硬件结构,分析了跳频组网具体机制,实现了基于信道评估的动态组网方案。该网关根据入网时的链路参数为节点适配最佳的信道进行数据传输,同时能够根据链路实时的质量变化变更节点所属信道以及子网关的射频参数,以提高多变复杂环境下网络的适应性和稳定性。(5)对基于信道评估的LoRa动态组网系统,进行了测试。测试结果表明,系统能够根据无线网络干扰类型的识别,执行自适应组网操作。不仅对于常态的邻频或同频干扰具有跳频抗干扰机制,同时对于瞬时的邻频或同频干扰具有过滤作用;对于阴影衰落类型能自动调整扩频因子等参数提高网络的链路质量。
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