基于LoRaWAN无线抄表应用场景的MAC层协议设计.pdf

2023年第49卷第6期无线电通信技术1125doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.06.019引用格式:李晶.基于 LoRaWAN 无线抄表应用场景的 MAC 层协议设计J.无线电通信技术,2023,49(6):1125-1133.LI Jing.Design of MAC Layer Protocol for Wireless Meter Reading Application Scenarios Based on LoRaWAN J.Radio Communi-cations Technology,2023,49(6):1125-1133.基于 LoRaWAN 无线抄表应用场景的 MAC 层协议设计李 晶(南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京 210003)摘 要:LoRaWAN 协议上行采用纯 ALOHA(Pure ALOHA,P-ALOHA)的方式发送数据,信道碰撞率高且利用率低,不适合用于无线抄表等应用场景。针对 LoRaWAN 协议的局限性,提出了一种适合于无线抄表应用场景的介质访问控制(Media Access Control,MAC)层协议。该 MAC 层协议设计了超帧的结构,采用时隙 ALOHA(Slot ALOHA,S-ALOHA)协议与时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)协议相结合的混合式接入机制,并在信道上融入突发业务,节点可以根据 TDMA 时隙的使用情况,灵活决定用于竞争的时隙;设计了将节点分散到一个超帧的不同复帧发送数据的方法;利用超帧的结构,能使具有不同发送周期的节点在同一个信道上工作;根据功能需求对帧结构进行了改进。仿真结果表明,与 P-ALOHA 协议相比,该 MAC 层协议能很好地降低碰撞率,提高信道利用率,并且能很好地解决因大量节点同时发送数据而造成的信道瘫痪问题。关键词:LoRaWAN;无线抄表应用场景;混合式接入机制;超帧;介质访问控制层协议中图分类号:TN911.4 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)06-1125-09Design of MAC Layer Protocol for Wireless Meter Reading Application Scenarios Based on LoRaWANLI Jing(School of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)Abstract:LoRaWAN protocol uses Pure ALOHA(P-ALOHA)to send data,which has a high channel collision rate and low utilization rate,making it unsuitable for applications such as wireless meter reading.Aiming at the limitation of LoRaWAN protocol,a Medium Access Control(MAC)layer protocol suitable for wireless meter reading application scenarios is proposed.The media access control layer protocol designs a superframe structure and adopts a hybrid access mechanism that combines Slot ALOHA(S-ALOHA)protocol with Time Division Multiple Access(TDMA)protocol.The transmission of burst service data is integrated into the channel,and nodes flexibly determine the time slot range for competition based on the usage of TDMA time slots.A method is designed for dis-persing nodes into different multiframes of a superframe to send data.By utilizing the structure of superframes,nodes with different transmission periods can work on the same channel.And the frame structure has been improved according to functional requirements.Simulation results show that compared with P-ALOHA protocol,this MAC layer protocol can effectively reduce collision rate,improve channel utilization,and solve the problem of channel paralysis caused by a large number of nodes sending data simultaneously.Keywords:LoRaWAN;wireless meter reading application scenarios;hybrid access mechanism;superframe;MAC layer protocol收稿日期:2023-05-120 引言 随着科技的飞速进步,各种抄表计量的使用也越来越多,但是,由于传统的人工抄表方式效率较低、数据无法实时更新、数据精度较差,因此,这种方式已经不能满足当今的需求。在物联网技术的快速推动下,无线抄表已逐渐代替人工抄表,在人们的生活中扮演着越来越重要的角色,所以这也对无线抄表系统提出了更高的要求1-6。在无线抄表的应用场景中,节点一般采用电池供电,而且节点数量非常多、散布非常广,所以在该场景中,节点功耗、覆盖范围以及能容纳节点的数量是很重要的考虑指标。1126Radio Communications TechnologyVol.49 No.6 2023低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)是一种低功耗、低数据速率和远距离通信的无线广域网络,与其他技术相比,其通信距离更远,通信功耗更低、覆盖范围更广7-8。LoRa 作为LPWAN 的代表技术之一,具有覆盖范围广、功耗低、容量大等优点9-10。LoRaWAN 是在 LoRa 物理层传输技术基础之上的、以介质访问控制(Media Access Control,MAC)层为主的一套协议标准,是LoRa 技 术 的 协 议 之 一11。在 通 信 协 议 方 面,LoRaWAN 的 MAC 层设计过于简单,所有节点均采用纯 ALOHA(Pure ALOHA,P-ALOHA)的方式来发送数据12,这虽然能降低节点功耗,但易造成通信冲突。在无线抄表的应用场景中,主要存在两种类型的业务数据:一类是周期业务数据,该业务数据需要每隔一段时间上报一次,如用电量、用水量和用气量等各种抄表数据,由于需要频繁发送,所以业务量比较大;另一类是突发业务数据,该业务数据只有在遇到紧急情况时才会上报,如抄表数据超过某些值的用量提醒、各种基表的低电量预警等,由于只有在特定情况下才会发送,所以业务量比周期业务数据要少。另外,不同类型的业务数据对传输性能的要求也不尽相同,周期业务数据对信道利用率与可靠性要求严格,而突发业务则对可靠性和时延非常敏感。在上述场景下,由于 P-ALOHA 协议的随机性强,节点间发生碰撞的概率非常高,从而导致信道利用率非常低和发送时延非常大;另外随着节点数量增加,节点间发生碰撞的概率大大提高,且当节点数量达到一定程度时,还会使信道陷入瘫痪,无法正常工作。学者们针对 LoRaWAN 的应用主要做了以下研究:韦福鹤等人13基于 LoRaWAN 协议族和开源协议栈,分析了其中的核心结构和层间接口,并提出了一系列实用的工作流程。Polonelli 等人14采用时隙 ALOHA(Slot ALOHA,S-ALOHA)协 议 替 代P-ALOHA 协议,提高了 LoRaWAN 协议在丢包率和网络吞吐量方面的性能。Piyare 等人15提出了一种基于协议与时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的异步 MAC 协议,以实现超低功耗状态及 LoRa 远程连接。李民政等人16针对经典轮询协议的局限性,提出了一种具有动态重传和差异服务机制的 TDMA 时隙分配协议,能够降低丢包率以及实现区别服务。牛超等人17针对 LoRa 通信技术的特点,提出一种基于 TDMA 的通信组网方法,能有效降低竞争冲突,提高信道利用率。Han 等人18针对 LoRaWAN 协议的局限性,研究了一种基于多通道通信的 SPDS-TDMA 时隙分配协议,该协议具有自适应信道速率规划和差分服务机制,能明显减小时延和降低丢包率。Ali 等人19讨论了TDMA 接入方案适用于节点接入数量多且需要定期上传数据的情况,但如果节点需要传输突发业务数据,就需要与带冲突避免的载波监听多路访问(Car-rier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CS-MA/CA)方法相结合。1 MAC 协议设计1.1 MAC 协议设计目的 研究发现,TDMA 协议虽然能改善 P-ALOHA 协议的性能,但存在一定的缺陷,当接入节点数量少且不稳定时,信道利用率非常低。混合式接入机制刚好能够弥补 TDMA 协议的缺陷。文献4是基于常见的 CSMA/CA 信道与 TDMA 信道相结合的混合式接入机制,这种机制需要节点频繁地进行信道切换,会增加节点功耗,而且受 CSMA/CA 信道的限制,在节点数量比较大时,碰撞率也会非常高。另外,在入网请求帧/入网响应帧与 RTS/CTS 报文长度相当的情况下,采用 CSMA/CA 协议还会降低通信效率。当前的研究都不能很好地解决 LoRaWAN 在无线抄表应用场景中的局限性,为了提升 LoRaWAN 协议的性能,亟需设计一个新的 MAC 层协议,该协议基于超帧的结构,采用传统 S-ALOHA 与 TDMA 相结合的混合式接入机制,即在 TDMA 时隙之外,专门留出一段时间用来划分 S-ALOHA 时隙;在信道上融入突发业务的发送,节点可以根据 TDMA 时隙的使用情况,在S-ALOHA 时隙与未被分配的 TDMA 时隙上竞争发送数据,可以很好地减少碰撞以及提高信道利用率;设计了将节点分散到一个超帧的不同复帧的方法,很好地解决了因大量节点同时发送数据而引起的高碰撞率、低信道利用率以及信道瘫痪的问题;利用超帧的结构,能使具有不同发送周期的节点在同一个信道上工作,提升信道灵活性。1.2 MAC 协议设计方法1.2.1 超帧和复帧结构设计无线抄表应用场景中的周期业务节点需要每隔2023年第49卷第6期无线电通信技术1127一段时间发送一次数据,不同的周期业务节点可能有不同的发送周期。在传统的设计中,将发送周期T 作为一个复帧的长度,复帧长度固定,此类信道只能接入一种周期长度的节点,设计不灵活。为了解决这个问题,本文设计了超帧的结构。如图 1 所示,一个超帧由若干个复帧组成,超帧中具体所划分的复帧数目有 18 共 8 种选择,超帧中复帧数目设置的参考因素将在后文详细讨论。超帧中每个复帧的长度可配,有 16、32、64、128 s 四种选择。超帧长度单位为 s,其随复帧长度和超帧中划分复帧数目的变化而变。节点根据自己的发送周期 T、超帧内复帧数目的划分情况以及复帧的长度,确定在一个超帧的发送次数。具有不同发送周期的节点在一个超帧内的发送次数是不同的,所以可以接入多种不同发送周期长度的节点。图 1 超帧及复帧结构图Fig.1 Structure diagram of superframe and multiframe每个复帧的起始为 Beacon 时隙,用于网关广播Beacon 帧,Beacon 时隙的长度与信道参数的设置(如信道带宽、扩频因子、编码率等)及 Beacon 帧字节长度有关,单位为 ms。除 Beacon 时隙之外,复帧内的其余时间又可分为两部分:竞争时段(Conten-tion Priod,CP)和非竞争时段(Contention Free Priod,CFP)。CP 时节点采用 S-ALOHA 的方式竞争入网或发送突发业务数据。CFP 时节点采用 TDMA 的方式发送周期业务数据。节点在一个复帧内只能占用一个 TDMA 时隙,在一个超帧内发送多次数据的节点需要占用多个不同复帧的 TDMA 时隙。CP 与CFP 的长度比与复帧长度有关,对应关系如表 1 所示。当复帧长度配置好后,CP 与 CFP 的长度比固定。表 1 复帧长度与 CP/CFP 时段长度比的对应关系Tab.1 Correspondence between the length of multiframe and the length ratio of CP/CFP time periodCP/CFP 时段长度比复帧长度/s111612321364141281.2.2 时隙结构设计LoRa 网关采用半双工的工作方式,为了保证网关与节点之间的正常通信,本文对时隙结构进行了重新设计。如图 2 所示,CP 将每个 S-ALOHA 时隙分为两部分:一部分为上行,用于节点入网和发送突发业务数据;另一部分为下行,用于接收来自网关的响应帧。图 2 S-ALOHA 时隙上下行的划分图Fig.2 S-ALOHA time slot uplink and downlink partition diagram如图 3 所示,CFP 根据 TDMA 时隙是否被分配,将其分为两部分:一部分为已分配出去的 TDMA时隙,用于节点发送周期业务数据,该部分认为节点一定能成功发送数据,所以不需要接收网关的响应帧,因此该部分只用作上行;另一部分为未分配的TDMA 时隙,可用于节点竞争入网或发送突发业务数据,由于需要接收网关的响应帧,所以节点在该部分时隙竞争发送数据时,需要占用相邻的两个TDMA 时隙,前一个用作上行,竞争发送数据,后一个用作下行,等待接收网关响应帧。因此在设计时,CFP 中的 TDMA 时隙可根据具体使用情况,作为上行或下行。为了统计 TDMA 时隙的分配情况,网关以超帧为单位维系一张时隙分配表,表中记录着节点与超帧中某些复帧内时隙的占用关系。如果节点成功预约时隙,网关就会将该节点与分配时隙的占用关系添加到时隙分配表中。如果网关在连续两个超帧的1128Radio Communications TechnologyVol.49 No.6 2023某个时隙没有收到节点发送的数据,那么网关就会释放该时隙与节点的占用关系,即回收该时隙,回收了的时隙,网关可以分配给其他的节点使用。如果网关出现异常,时隙分配表会被强制清空,节点需要重新申请 TDMA 时隙。图 3 CFP 时段中的 TDMA 时隙的使用情况Fig.3 Usage of TDMA time slots during the CFP time interval1.2.3 帧结构改进与节点工作方式设计当信道上的周期业务节点数量较少时,CFP 内的大部分时隙都没有被分配,若节点只能在 CP 内竞争发送数据,信道利用率非常低。为解决这个问题,提出了竞争使用未被分配的 TDMA 时隙的方法,灵活设定节点竞争发送数据的时隙范围。为此,在 Beacon 帧内新增一个 UnAllocSlot 字段,用来告知节点未被分配的起始 TDMA 时隙编号。如图 4 所示,节点根据此字段可在 S-ALOHA 时隙和未分配的 TDMA 时隙中竞争发送数据。这样不仅可以缓解节点在 CP 内碰撞,还可充分利用信道资源,提高信道利用率。图 4 复帧内可用于竞争发送数据的时隙分布图Fig.4 Distribution diagram of time slots available for competitive transmission of data within a multiframe为了减少周期业务节点上行的业务量、降低碰撞率,本文在入网请求帧中增设了 Slot 字段,用于告知网关节点是否预约 TDMA 时隙或预约数目的情况,使节点在入网的同时完成对 TDMA 时隙的预约。另外,为给节点分配时隙,在入网响应帧中增设了 MultiNum 字段和 SlotNum 字段,MultiNum 字段是分配时隙所在的复帧编号,SlotNum 字段是相应复帧内具体分配的时隙编号。为降低节点同时发送数据而引起的碰撞,提出了分复帧发送的方法,将同时有发送需求的节点分散到一个超帧的不同复帧来发送数据,可以有效解决节点同时争抢资源而导致的高碰撞率及信道瘫痪的问题。为此,在 Beacon 帧中增设了 MNum 字段,用于告知节点当前所处复帧的编号,以便节点确认要发送数据的复帧是否到来。由于本文采用分复帧发送的方法,所以在一个超帧内划分的复帧的数目越多,在碰撞率不超过某个值的情况下,所能接入的节点数量就越多,而且节点平均发送数据的时延就越大,所以在设置超帧内划分的复帧数目时,需要权衡考虑接入节点数量和时延这两个因素。在无线抄表的应用场景下,需要接入的节点数量比较多且对时延有一定的要求,所以在设置超帧内的复帧数目时,既要保证能接入更多数量的节点,又要尽可能地减小时延带来的影响,另外综合考虑复帧长度,将超帧内的复帧数目最多设置为 8 个。为此,本文在 Beacon 帧中增设了一个SMNum 字段,用来告知节点超帧内复帧数目的划分情况。将超帧内所划分的复帧数目设置为 4,即设置为一个相对适中的值,后续还可以根据具体情况再次进行修改。本文还提出了在超帧内复帧数目固定的情况下,根据接入节点数量,动态设置复帧长度的方法:当接入节点数量较少时,将复帧长度设置为较小的值,以充分利用信道资源;当接入节点数量超过该复帧长度所能接入的最大节点数量后,将复帧长度设置为相对更大的值,来接入更多的节点。通过拉长或缩小复帧长度,能灵活地适应接入节点数量不稳定的场景,从而实现更好的性能。为此,在 Beacon帧中增设了 Mpriod 字段,用于告知节点所设置的复帧长度。基于上述功能需求,LoRaWAN 中 Beacon 帧已不再适用,所以重新对 Beacon 帧的结构进行了设计,设计后的 Beacon 帧结构如图 5 所示。图中,DesAddr 字段为广播地址,SouAddr 字段为服务器 MAC 地址,长度均为 4 Byte;Time 字段为时间戳,长度为 4 Byte,主要用于完成网关与节点之间的时钟同步;SMNum 字段为超帧内所划分的复帧数目,2023年第49卷第6期无线电通信技术1129长度为 3 bit,SMNum 字段值 07,分别对应超帧内划分的复帧数目为 18;MNum 字段为当前所处复帧的复帧编号,长度为 3 bit,MNum 字段值 07,分别对应复帧 1 8;Mpriod 为复帧长度字段,长度为 2 bit,Mpriod 字段值与复帧长度的对应关系如表 2 所示;UnAllocSlot 字段为未分配的起始 TDMA 时隙编号,长度为 1 Byte;CRC 字段为循环冗余校验,主要用于对前面的字段的校验,长度为 1 Byte。图 5 重新设计的 Beacon 帧结构Fig.5 Redesigned Beacon frame structure表 2 Mpriod 字段值与复帧长度的对应关系Tab.2 Corresponding relationship between mpriod field value and multiframe lengthMpriod 字段值复帧长度/s001601321064111281.2.4 节点工作流程设计无论是周期业务节点还是突发业务节点,在发送数据之前都需要先在信道上进行入网,入网以后才能向网关发送数据,步骤 16 给出了这两种节点的入网流程,图 6 为对应的入网流程图。步步骤骤 1 1 节点上电初始化后,在信道上接收网关下发的 Beacon 帧,与网关保持时钟同步。步步骤骤 2 2 节点在超帧内随机选择一个发送入网请求的复帧 M,将节点分散到一个超帧的不同复帧接入,然后进入休眠。步步骤骤 3 3 休眠时,节点在每个复帧的 Beacon 时隙醒来接收 Beacon 帧,以完成时钟同步和获取 Bea-con 帧中的 SMNum 字段、MNum 字段、Mpriod 字段及 UnAllocSlot 字段信息,然后进入休眠。步步骤骤 4 4 复帧 M 到来,根据 Beacon 帧中的 Un-AllocSlot 字段信息,在 S-ALOHA 时隙以及未分配的TDMA 时隙之间随机选择一个发送入网请求的时隙N,然后进入休眠。步步骤骤 5 5 等到相应的时隙到来时,节点醒来发送入网请求帧。节点需要醒来的时隙与时隙 N 所处的时段有关。如果时隙 N 位于 CFP,节点需要在时隙 N+1 处醒来(因为在设计时,时隙编号由复帧的起始到复帧的结束依次减小),检测信道是否空闲:如果信道空闲,则说明时隙 N 不是其他节点的下行时隙,那么节点可以在时隙 N 处发送入网请求帧;否则说明时隙 N 已被网关用于发送下行数据,此时节点需要跳转到步骤 3,到下一个超帧的相同复帧进行重发。如果时隙 N 位于 CP,则在时隙 N到来时,节点醒来发送入网请求帧。步步骤骤 6 6 等待接收来自网关的入网响应帧。节点发送完入网请求帧后,如果没有收到网关的入网响应帧,则说明入网失败,需要跳转到步骤 3,等到下一个超帧的相同复帧到来时,进行重发;否则,则说明节点入网成功,结束入网流程。图 6 节点入网流程Fig.6 Node networking process1130Radio Communications TechnologyVol.49 No.6 2023入网之后,周期业务节点和突发业务节点会进入休眠,在休眠时,除了要在发送数据时醒来外,还要在每个复帧的 Beacon 时隙处醒来接收 Beacon帧,以与网关保持时钟同步,接收完之后会再次进入休眠。当周期业务节点所分配的 TDMA 时隙到来时,节点醒来发送周期业务数据,发完之后,节点进入休眠,等待下一次数据的发送。入网后周期业务节点的工作流程如图 7 所示。对于突发业务节点,当突发业务数据到来时,节点发送突发业务数据的流程与节点入网流程中的步骤 26 类似,只是将上述步骤中的入网请求帧换为突发业务数据帧、入网响应帧换为 ACK 帧。另外,为了保证突发业务数据的时效性,突发业务节点只有一次重传机会,若重传过后还未发送成功,则直接丢弃数据,放弃重传。在成功发送数据后,节点会进入休眠,等待下一次数据的发送。入网后突发业务节点的工作流程如图 8 所示。图 7 入网后周期业务节点的工作流程Fig.7 Workflow of periodic business nodes after entering the network图 8 入网后突发业务节点的工作流程图Fig.8 Workflow of sudden business nodes after entering the network2023年第49卷第6期无线电通信技术11312 MAC 协议性能仿真分析2.1 仿真参数设置仿真时,设置信道带宽为 125 kHz,扩频因子为8,编码率为 4/5,超帧内划分的复帧数目为 4,Beacon 时隙、TDMA 时隙和 S-ALOHA 时隙分别确保能传输 15、42、61 Byte 的数据,时隙之间及 S-ALOHA时隙的上下行之间的保护时间间隔为 2 ms,突发业务节点与周期业务节点数量比为 1 1,周期业务节点在一个超帧平均发送两次数据,突发业务节点在一个超帧平均发送一次数据,第一个超帧只用于节点入网以及发送周期数据,第二个及以后的超帧,用于入网碰撞重传、发送周期与突发业务数据以及突发业务数据碰撞重传。在上述条件下,由式(1)可计算出复帧内各时隙的长度,单位为 ms,计算结果如表 3 所示。Tslot=Lb82FsBRcFs,(1)式中:Lb为时隙能传输的字节长度,Fs为信道采用的扩频因子,B 为信道带宽,Rc为信道编码率。表 3 复帧内各时隙时长的划分情况Tab.3 Division of various time slot durations within a multiframe时隙类型时长/msBeacon39S-ALOHA159TDMA108 在表 3 的时隙长度下,长度为 16 s 和 32 s 的复帧能划分的时隙数目如表 4 所示。由于在某一复帧长度下,超帧内的 TDMA 时隙数目有限,当所有的TDMA 时隙都被分配以后,就无法继续接入更多数量的节点,所以在某一复帧长度下,信道上所能接入的节点数量也有限,式(2)给出了在某个复帧长度下,信道能接入节点数量最大值的计算公式。表 4 不同长度的复帧内时隙数目的划分情况Tab.4 Division of the number of multiframe time slots with different lengths复帧长度/sS-ALOHA 时隙数目TDMA 时隙数目1650733266193Nmax=NtNmNsRp,(2)式中:Nt为复帧内划分的 TDMA 时隙数目,Nm为超帧内划分的复帧数目,Ns为周期业务节点在一个超帧的平均发送次数,Rp为周期业务节点数量占接入节点总数量的比值。基于式(2)可计算出,当复帧长度为 16 s 时,信道最多可接入 292 个节点;当复帧长度为 32 s 时,信道最多可接入 772 个节点。在仿真时,为了充分利用信道资源,实现最佳信道性能,当接入节点总数292 时,复帧长度设置为 16 s;当 292接入节点总数 772 时,复帧长度设置为 32 s。此外,本文主要从碰撞率以及信道利用率两方面分析本文设计的 MAC 协议的性能。在仿真时,碰撞率就是复帧内发生碰撞的节点数量与要竞争发送数据节点总数的比值,信道利用率是复帧内成功发送数据的总时间与复帧长度的比值,这两个性能的计算公式分别如式(3)和式(4)所示。另外,在计算这两个性能时,认为周期业务节点在分配的 TDMA时隙上一定能成功发送数据。Rcol=NcNsum=NcNnet+Nb+Ncr,(3)式中:Nsum为复帧长度内要竞争发送数据的节点总数,Nc为 Nsum中发生碰撞的节点总数,Nnet为复帧长度内要进行入网的节点数量,Nb为复帧长度内要发送突发业务数据的节点数量,Ncr为复帧长度内需要重传数据的节点数量。Ruti=TsuTm=TB+Tp+Tnet+Tb+TcrTm,(4)式中:Tm为复帧长度,Tsu为复帧长度内成功发送和接收数据的总时间,TB为 Beacon 时隙的长度,Tp为复帧长度内成功发送周期业务数据的时间,Tnet为复帧长度内成功入网的时间,Tb为复帧长度内成功发生突发业务数据的时间,Tcr为复帧长度内成功重传数据的时间。对于 P-ALOHA 协议,由于不需要进行时钟同步,所以 Beacon 时隙的长度为 0。2.2 仿真结果分析图 9、图 10 分别给出了在上述仿真条件下,当接入节点总数为 300 时,碰撞率以及信道利用率随节点接入过程(即从节点开始入网到所有节点都接入信道的过程)的变化情况。图 9 为本文设计的 MAC 协议,其碰撞率随节点的不断接入呈近似阶梯型下降,在所有节点都接入信道后趋于恒定值,这是由于:当超帧内的复帧数目固定时,在一个超帧中,随着节点不断接入,复1132Radio Communications TechnologyVol.49 No.6 2023帧内可用于竞争的 TDMA 时隙越来越少,所以节点在复帧 1 4 内发生碰撞的概 率 会 逐 渐 增 大;由于后一个超帧某个复帧内的节点主要来自前一个超帧在相同复帧中发生碰撞的节点,所以前一个超帧某个复帧内的节点数要大于后一个超帧相同复帧内的节点数,因此相邻两个超帧之间碰撞率的差值很大;由于信道上融入了突发业务的发送,所以当所有节点都入网以后,碰撞率也不会降为0,而是恒定在某个值。综合分析图 9 和图 10 可知,本文设计的 MAC协议通过采用 S-ALOHA 与 TDMA 相结合的混合式接入机制、节点分复帧接入以及竞争使用未分配的TDMA 时隙,可以有效降低碰撞率、提高信道利用率以及减少信道进入稳定的时间,该 MAC 协议的整体性能远优于 P-ALOHA 协议。图 9 碰撞率随节点接入过程变化的曲线图Fig.9 Curve plot of collision rate changing with node access process图 10 信道利用率随节点接入过程变化的曲线图Fig.10 Curve plot of channel utilization rate changing with node access process图 11 和图 12 分别给出了在上述仿真条件下,所有节点都进入信道后,碰撞率和信道利用率随接入节点总数的变化情况。当接入的节点数量非常少时,无论哪种协议,信道利用率和碰撞率都非常低,没有研究意义。由表 3 可知,发送数据所需要的最长时间为 159 ms,当复帧长度为 32 s 时,共能划分200 个左右长度为 159 ms 的时间段。所以在无碰撞的情况下,P-ALOHA 协议在 32 s 内最多可允许200 个左右的节点发送数据,故仿真时从接入节点总数为 200 时开始研究。由图 11 和图 12 的仿真结果可知,本文设计的MAC 协议与 LoRaWAN 的 P-ALOHA 协议相比,无论接入节点数量多或少,都能有效降低碰撞率、提高信道利用率;另外,该协议还能以较低的碰撞率有效解决 P-ALOHA 协议因节点数量多而导致的信道崩溃问题,极大提升了 LoRaWAN 协议的性能。图 11 在所有节点接入信道以后碰撞率随接入节点总数变化的曲线图Fig.11Curve plot of collision rate changing with the total number of access nodes after all nodes are connected to the channel图 12 在所有节点接入信道以后信道利用率随接入节点总数变化的曲线图Fig.12 Curve plot of channel utilization rate changing with the total number of access nodes after all nodes are connected to the channel3 结论本文在 LoRaWAN MAC 层协议的基础上,针对无线抄表的应用场景,设计了一种新的 MAC 协议。设计该 MAC 层协议的难点在于,在降低节点功耗的同时,保证大量节点能够同时进行可靠的传输,并能充分利用信道资源。如果不将节点分复帧接入、划分专门的 TDMA 时隙以及充分利用未被分配的TDMA 时隙,很难改善大量节点之间的碰撞问题。仿真 结 果 表 明,本 文 设 计 的 MAC 协 议 使 得LoRaWAN 中的 P-ALOHA 协议在节点数量多时碰2023年第49卷第6期无线电通信技术1133撞率高、信道瘫痪的问题得到很好地解决,并显著提高了信道利用率,很好地拓展了 LoRaWAN 协议的应用场景。参 考 文 献1 王超,阴亚东.无线远程抄表网络解决方案研究J.有线电视技术,2019(7):49-53.2 韩进,张玺.窄带物联网的远程无线抄表系统设计J.单片机与嵌入式系统应用,2019,19(4):63-68.3 雷婧,李红信.基于 LoRaWAN 的无线低功耗抄表方法设计J.电脑知识与技术,2018,14(33):36-38.4 刘松涛,郭敏,戴绘,等.基于窄带物联网的智慧燃气抄表系统的流程设计及功能实现J.天津科技,2022,49(1):35-39.5 杨茗,王轶,何莺.远程抄表系统的设计与实现J.电子元器件与信息技术,2020,4(2):54-55.6 江武志,许娜芬,钟炜杰,等.基于物联网 LoRa 智能水表的研究与设计J.物联网技术,2018,8(8):77-79.7 刘锋,夏琼.低功耗广域网(LPWAN)技术分析J.电子测试,2021,474(21):92-93.8 李少杰.基于 LoRa 定位关键技术的研究与设计D.重庆:重庆邮电大学,2018.9 DING X M,HUANG J H,SHI H,et al.Research on 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