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基于LoRa的物联网通信协议研究与实现

许斌  
【摘要】:物联网的快速发展促成了低功耗广域网(LPWAN)的兴起。LoRa作为低功耗广域网通信技术之一,能够实现传统无线传感网络无法实现的特性——同时具备传输距离远和低功耗的优势。当前LoRa通信主要使用的协议是LoRa联盟提出的LoRaWAN低功耗广域网规范,它定义了LoRa通信规范和使用LoRa作为长距离通信链路的物理层时网络的结构。但是现有的LoRaWAN协议在上行传输的冲突率、下行通信的延迟等方面有一定的缺陷。这些缺陷使得LoRaWAN无法满足一些应用场景的需求。本文的研究目的就是要设计并实现一种基于LoRa的物联网通信协议,能够解决LoRaWAN协议因为ALOHA机制导致的上行传输冲突,能够达成比LoRaWAN协议更低的下行延迟。为此本文主要做了以下研究:(1)研究了LoRa通信技术,其中LoRa空中传输时间和唤醒方式等特点对于LoRa通信协议开发具有指导作用。研究并分析了LoRaWAN协议,指出了LoRaWAN存在的多处缺陷,同时LoRaWAN的一些机制在开发LoRa通信协议时也值得参考。(2)设计了一种基于TDMA的LoRa物联网MAC层协议L-MAC。L-MAC协议除了基于一定策略为不同的LoRa终端节点划分不同的时间片以避免上行通信冲突外,还额外划分出了竞争时间片,让LoRa终端节点可以在独立的时间片外快速响应LoRa网关的下行寻呼,达成低延迟的下行通信。根据LoRa通信技术的特点设计周期性侦听和休眠机制,让终端节点在低功耗下在竞争时间片实现对寻呼信号的检测。针对L-MAC可能适用的应用场景,详细设计了入网、主动上报、寻呼三种通信流程,并定义了通信流程中每一步的帧格式。(3)在LoRa硬件平台上移植了contiki操作系统,在contiki操作系统中实现了L-MAC协议的相关功能和通信测试,并对测试结果做了分析,验证了L-MAC协议可以实现LoRa网络的无冲突轮询上行通信和低延迟的下行通信。


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