【摘 要】
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随着物联网时代的到来,无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。相较于传统的无线通信技术,LoRa（Long Range）具有功耗低、通信距离远、成本低等优点,因此更适用于多样化的物联网场景。但LoRa作为新兴技术,在网络部署方案方面尚未形成体系。如果直接部署并根据实地数据的反馈来调整部署方案,会造成巨大的资源浪费;如果通过数学分析去计算不同部署方案对应的影响,则计算规模大且复杂度高。针对此问
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随着物联网时代的到来,无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。相较于传统的无线通信技术,LoRa（Long Range）具有功耗低、通信距离远、成本低等优点,因此更适用于多样化的物联网场景。但LoRa作为新兴技术,在网络部署方案方面尚未形成体系。如果直接部署并根据实地数据的反馈来调整部署方案,会造成巨大的资源浪费;如果通过数学分析去计算不同部署方案对应的影响,则计算规模大且复杂度高。针对此问题,本文设计并实现了LoRaWAN网络仿真系统。通过对应用场景及网关和终端的射频行为建模,模拟LoRaWAN网关和终端在不同场景下的数据交互,使研发人员能更好地研究网络的部署方案和传输参数对网络性能的影响,以便合理利用现有资源,使网络达到较好性能。同时,本文也对LoRaWAN协议在上下行传输时存在的问题进行了算法优化。现有的LoRaWAN网络多采用速率自适应算法来进行终端SF（Spreading Factor）的分配,但该算法在网络条件较好时会出现大量数据包冲突。针对此问题,本文将上行传输划分为三种情形,并对每种情形进行冲突率建模,最终结合冲突率模型和实际项目情况提出了优化算法,以更合理地分配SF,从而降低冲突率。在武汉慧联水电表项目中,由于各网关利用率不均导致下行链路拥堵。针对此问题,本文提出了网关负载均衡算法,通过平衡各网关的工作负载,提升了“单个网关信号最好”情形下的网络性能。基于本文所设计仿真系统中的多层楼宇模型,在某青年公寓部署了LoRaWAN网络并进行了实地测试和遍历性实验。结果表明,LoRaWAN网络仿真系统所得到的仿真结果与实际冲突率相差仅2.78%,具有很高的实用价值;上行优化算法在三种情形下得到的冲突率与最优冲突率相差均不超过0.003,说明优化后的SF分配方式已接近最佳;下行优化算法将原算法的下行冲突率降低了1.69倍,提升了网络性能。
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