计算机应用

作者：万义程, 杨光祥, 张庆达, 甘晨阳, 易林

单位：1.重庆工商大学 人工智能学院，重庆 400067；2.检测控制集成系统重庆市工程实验室（重庆工商大学），重庆 400067

关键词：物联网,低功耗广域网,LoRa,扩展性,非坚持型载波监听多路访问,NS3仿真

基金：重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-K202100805);重庆市研究生科研创新项目(CYS22628)

LoRaWAN是低功耗广域网（LPWAN）中的一种无线通信标准，为物联网的发展提供了支撑。然而，受限于扩频因子（SF）间不完全正交性的特点和LoRaWAN不具备先听后发（LBT）机制的事实，基于ALOHA的传输调度方式会引发严重的信道冲突，极大降低了LoRa（Long Range Radio）网络的扩展性。为提高LoRa网络的扩展性，提出用非坚持型载波监听多路访问（NP-CSMA）机制替代LoRaWAN中ALOHA的介质访问控制机制，通过LBT协调LoRa网络中SF相同的各个节点接入信道的时间。不同SF之间的传输则采用多种SF信号并行传输，以减少共信道中同SF干扰和避免SF间干扰。为了分析NP-CSMA对LoRa网络扩展性的影响，通过理论分析和NS3仿真对LoRaWAN与NP-CSMA构建的LoRa网络进行比较。实验结果表明，在相同的条件下，与LoRaWAN相比，NP-CSMA在网络通信负载率为1的情况下，它的理论数据包交付率（PDR）性能比LoRaWAN高58.09%。在信道利用率方面，与LoRaWAN相比，NP-CSMA的饱和信道利用率提高了214.9%，容纳的节点数量也增加了60.0%。另外，NP-CSMA的平均时延在网络通信负载率小于1.7时也低于确认型LoRaWAN，而且在扩频因子为7和10时，它用于维持信道活动检测（CAD）模式所造成的额外能耗也比LoRaWAN用于接收来自网关确认消息所需的额外能耗低1.0~1.3 mJ和2.5~5.1 mJ；充分反映了NP-CSMA可以有效提高LoRa网络的可扩展性。

来源：2023年第9期

《计算机应用》期刊编辑部

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