随着物联网(Internet of Things,IoT)技术的飞速发展,物与物以及人与物交互通信的愿景成为了可能。LoRa(Long Range)是目前最具应用前景的低功耗广域物联网(Low Power Wide Area Networks,LPWAN)技术之一,可以为IoT终端设备提供低功耗和低数据速率的广域连接。在大部分物联网应用场景中,设备流量存在突发性且数据分组较小,因此用户活动存在稀疏性。但是当前流行的上层协议LoRa WAN采用基于ALOHA的介质接入控制(Medium Access Control,MAC)协议,在海量设备进行接入访问的场景下,网络会出现严重的碰撞,使吞吐量恶化。本文通过结合LoRa的捕获效应设计新的MAC协议,以解决物联网的海量连接中碰撞率高的问题。具体的研究内容如下:首先,针对目前接收机一个快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)模块只能解调一路特定扩频因子(Spreading Factor,SF)信号的问题,本文结合LoRa的捕获效应,提出新的基于过采样的接收机结构,使三路SF不同但同为奇数或偶数的信号可同时使用一个FFT模块解调。新的接收机结构可以高效地处理LoRa信号并发传输。随后,提出一种新的CE-MAC(Capture Effect-MAC)协议,使三路SF不同但所用SF同属奇分组或偶分组的信号可并发传输。与LoRa WAN的仿真结果对比表明,CE-MAC协议能更好地利用捕获效应解决碰撞,因此在海量连接场景下具有更优的吞吐率。其次,对CE-MAC协议进行了分组碰撞率的理论推导。本文分析了分组捕获前的碰撞概率以及碰撞分组的捕获成功概率,进一步阐述了CE-MAC协议如何解决碰撞。理论分析与仿真数值的结果对比验证了推导的可靠性。最后,将所设计的MAC协议推广至多频点场景,提出了多频点CE-MAC协议。在所设计的MAC协议中,因碰撞而传输失败的终端设备在下一次传输时,可以根据某个伪随机频率序列选择频点。仿真结果表明,当网络存在多个可用频率信道时,多频点CE-MAC协议可以进一步降低碰撞率和提高吞吐量。