扩频因子数目公平分配机制-刘如月 , 张晶 , 赵菁菁 , 刘宝英 , 陈峰 , 张涛.pdf

上善若水

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2022-05-19

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软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn

Journal of Software,2018,29(Suppl.(1)):115123 http://www.jos.org.cn

扩频因子数目公平分配机制



刘如月

张

晶

赵菁菁

刘宝英

陈

峰

张

涛

(西北大学信息科学与技术学院,陕西西安 710127)

通讯作者: 张涛, E-mail: zhangtao129@nwu.edu .cn

摘要: LoRa 网络使用宽带线性调频技术,利用设置不同的扩频因子(SF)来实现不同的传输速率.当网络中节点

较多、发生碰撞时,具有高扩频因子的节点由于传输速度低、传输时间长,更易发生碰撞,传输成功率也相对较低.

所以当网络中每种扩频因子分配同等数量的节点时,对于低速率的传输不够公平,因为其信道占用时间更长,碰撞概

率更大.提出了一种基于扩频因子的分配机制(FSA).高扩频因子由于更易发生碰撞,传输成功率较低,因此给高扩频

因子分配较少的节点、低扩频因子分配较多的节点,这样,不同扩频因子传输成功率相同.该机制有效地解决了碰撞

网络中节点扩频因子分配不合理带来的公平性问题,降低了高扩频因子节点重传的概率,网络的稳定性大为提升.

关键词: LoRa;扩频因子;公平;碰撞;传输成功率

中文引用格式: 刘如月,张晶,赵菁菁,刘宝英,陈峰,张涛.扩频因子数目公平分配机制.软件学报,2018,29(Suppl.(1)):115123.

http://www.jos.org.cn/1000-9825/18012.htm

英文引用格式: Liu RY, Zhang J, Zhao JJ, Liu BY, Chen F, Zhang T. Fair allocation mechanism based on the number of spreading

factors. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 2018,29(Suppl.(1)):115123 (in Chinese). http ://www.jos.org.cn/1000 -9825/18012.

htm

Fair Allocation Mec hanism Based on the Number of Spreading Factors

LIU Ru-Yue, ZHANG Jing, ZHAO Jing-Jing, LIU Bao-Ying, CHEN Feng, ZHANG Tao

(School of Information Science and Technology, North west Universit y, Xi’an 710127, Chin a)

Abstra ct : LoRa network uses wideband lin ear frequency modulation techniques and employs different spreading f actor (SF) settings to

achieve different transmission rates. When th ere are many nodes in the network and collision occurs, nodes with higher spr eading factor

have lower transmission speed and longer transmission time, and are more prone to collision. The transmission success rate is also

relatively low. Therefore, when each spreading factor in the network allocates the same number of nodes, it is not fair for low-rate

transmission, because its chann el takes longer and collision probabilit y is greater. This paper proposes an allocation mechanism based on

the spreading factor (FS A). The high spreading factor is mor e prone to collision and its transmission success r ate is also low. Therefore,

fewer nodes are assigned to the high spreading factor and low spreading factor allocates more nodes, so that the transmission success rate

of different spreading factors is the same. Consequently the problem of fairness caused by the unreasonable allocation of the spr eading

factor of the nodes in the collision network is effectively solved, the probability of retransmission of high spreading factor nodes is

reduced, and the stabilit y of th e network is greatl y improved.

Key words: LoRa; spreading factor; f air; col lision; trans mission success rate

LoRa

[14]

技术作为一种新兴的无线通信技术,已经被成功应用在诸如目标追踪、水位监测、火灾预警、

智慧城市

[5]

部署场景中.LoRa 部署范围广泛:三星计划打造全国性的 LoRaWAN 网络,LoRa 网络已覆盖整个荷

 基金项目: 国家自然科学基金(201180026); 创新人才推进计划(2018TD-026); 陕西省重点研发计划(2018SF-369, 2018KW-

020)

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (201180026); Innovative Talents Promotion Plan (2018TD-026);

Key R&D Programs in Shaanxi Province (2018SF-369 , 2018KW-020)

收稿时间: 2018-05-01; 采用时间: 2018-08-30

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Journal of Software 软件学报 Vol.29, Supplement (1), October 2018

兰.LoRa 网络利用设置不同的扩频因子来实现不同的传输速率.扩频因子表示在传输中代表一个符号的比特

数,比特数越多,表示传输时间越长,调制解调越复杂,灵敏度也越高,传输距离也越远,但传输速率也会降低.因

为不同扩频因子的信号调制后两两正交,所以网关可以接收 6 种不同扩频因子的信号,即网络可以实现多种

扩频因子的并发且互不干扰.因此,为节点分配不同的扩频因子可以提升网络的吞吐和信道利用率,实现信息

的高效传输.

在 LoRa 网络中,当链路质量差时,我们需要给其分配高扩频因子来满足传输,对于质量较好的链路,则可以

分配较低的扩频因子.这样就对网络中的节点进行了层次的划分.而网关不能接收相同扩频因子的信号,当节点

密集部署后,必然会存在具有相同扩频因子的节点相互碰撞的问题.高扩频因子的节点由于传输速率慢、传输

时间长,更易于发生碰撞,传输成功率相对较低;低扩频因子的节点则相反.这样,网络中不同扩频因子分配相同

数目的节点,碰撞的概率就会不同,高扩频因子传输成功率必然更低,这对于高扩频因子是不公平的.节点扩频

因子高,表明这个节点到网关的链路质量不够好,如果不考虑障碍或者干扰的情况,直观来说就是节点距离网关

比较远.我们采集数据时,一定不能忽视较远距离的宝贵数据,而只关注距离近的节点,这样数据的采集

就不具

有代表意义.同时,这种不公平性就会导致高扩频因子数据大量重传,也影响了网络的性能——网络的稳定性大

为降低,节点的能耗随之上升.所以需要为网络设置一种基于扩频因子的分配机制,实现网络的公平.

传统的公平性研究具有一定的局限性

[68]

,针对扩频因子的研究

[9,10]

又不能满足公平的要求,如果可以根据

传输成功率与扩频因子的关系为不同的扩频因子分配不同数量的节点,即为碰撞概率高的扩频因子分配较少

的节点,则能够实现扩频因子(速率)的公平传输.

因此,本文提出针对扩频因子分配机制(FSA) 的研究.该机制首先利用泊松分布建立了传输成功率同扩频

因子和扩频因子分配比例的关系模型,然后解出保证传输成功率相同的条件下节点数目的分配比,同时给出了

近似计算扩频因子分配比例的算法.

本文第 1 节给出 LoRa 网络的研究基础,详细介绍 LoRa 的整体架构以及 LoRa 物理层的相关知识.第 2 节

对扩频因子的分配问题进行分析,同时给出详细的推导扩频因子分配比的过程.第 3 节给出相应计算扩频因子

分配比的算法.第 4 节进行仿真实验,给出实验条件和实验结果.第 5 节对全文的工作进行总结,同时给出本文可

改进的空间.

1 研究基础

LoRa 作为一种新兴的无线网络通信技术,近年来受到广泛关注.LoRa 具有大范围覆盖、抗干扰、低能耗、

双向通信、高网络容量的特点

[11]

LoRa 物理层是由 Semtech 公司开发的一套私有技术,到目前为止,还有很大一部分并没有开源.它主要采用

线性扩频调制

[12]

方法,即利用随频率线性变化的 chirp 信号来编码信息.在这里,chirp 指的是频率上升或下降的

信号.和其他一些数字调制的方法(比如 QPSK,BPSK)不同,线性扩频后的信号并不是能量随时间变化的正弦波,

而是频率随时间变化的 chirp 信号.由于 chirp 脉冲线性的特点,接收机和发射机之间的频率偏移等同于时间偏

移,因此这种偏移在解码器中很容易消除.正因为这样,LoRa 接收的灵敏度非常高,例如,SX1276 的灵敏度最高

能达到148dBm.

作为典型的线性扩频技术之一,LoRa 信号中存在两种 chirp 信号,up- chir p 和 down-chirp,如图 1 所示.其中,

第 1 种符号频率从最低频率上升到最高频率,第 2 种则相反,频率从最高频率下降到最低频率.最高频率与最低

频率的差值称为 LoRa 的带宽,用 BW 表示.另一方面,LoRa 将不同信息编码在不同的开始频率上,并使用扩频因

子表示每个符号中能够编码的比特的数量.对于扩频因子为 SF 的 LoRa 节点而言,它的一个符号共有 2

种不

同的开始频率,因此能够编码 SF 比特信息.并且,因为不同的扩频因子在线性扩频调制中是正交的,因此网关可

以同时解调不同扩频因子的信号.扩频因子 SF 的取值范围为 SF=[7,8,9, 10,11,12].

对于一个扩频因子为 SF 的节点来说,LoRa 的符号速率为