【摘 要】
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基于LoRa（Long Range）的无线传感器网络具有功耗低、覆盖广的优势,可为广阔的区域提供高可靠、大规模的传感网络覆盖。然而部署环境的复杂多变以及节点间的碰撞造成了通信链路质量不可靠,导致无线传感器网络通信性能变差。针对上述问题,设计了基于LoRa的通信系统,从实地测试出发,研究了复杂场景下链路质量的分布特征,分析了LoRa物理层参数对不可靠链路性能的影响,从优化物理层参数配置和多址接入协议
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基于LoRa（Long Range）的无线传感器网络具有功耗低、覆盖广的优势,可为广阔的区域提供高可靠、大规模的传感网络覆盖。然而部署环境的复杂多变以及节点间的碰撞造成了通信链路质量不可靠,导致无线传感器网络通信性能变差。针对上述问题,设计了基于LoRa的通信系统,从实地测试出发,研究了复杂场景下链路质量的分布特征,分析了LoRa物理层参数对不可靠链路性能的影响,从优化物理层参数配置和多址接入协议两方面提升通信链路性能。具体研究内容包括:一方面,分析了链路质量的分布特征及物理层参数对通信性能的影响。首先,设计基于LoRa的无线传感器网络通信系统,包括传感器节点和汇聚节点的软硬件设计。其次,基于该通信系统,采用链路参数和概率统计相结合的链路质量分析方法,研究陆地和海上两种场景下的链路质量分布特征。最后,基于实测数据分析扩频因子（Spreading Factor,SF）、带宽（Bandwidth,BW）、前向纠错编码率（Coding Rate,CR）等物理层参数对通信链路质量的影响。实验结果表明,在海上场景中,通过优化LoRa物理层参数设置,通信灵敏度最高可提升12 d Bm。另一方面,提出一种多域协同的混合型多址接入方法。首先,根据空分多址（Space Division Multiple Access,SDMA）和频分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）的方法将传感器节点按照位置进行分组,每组节点使用独立的信道,防止不同组别节点之间的同频干扰。其次,根据链路质量对同一组传感器节点分层,每层传感器节点分配不同的扩频因子,抑制同层节点间通信干扰。最后,在同组同层的节点间引入载波侦听多址（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）技术,通过信道占用检测机制,避免节点间通信碰撞。实验结果表明,与随机多址接入方法相比,上述混合型多址接入方法可有效降低节点间的通信干扰,改善通信丢包率和误包率,提升无线传感器网络的链路性能。
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