基于LoRa的低功耗广域网MAC协议实现与优化

发布时间：2020-06-18 15:04

【摘要】：低功耗广域技术是一种新型的物联网技术,它是专门针对当前物联网中出现的低功耗长距离场景提出的一种通信技术。低功耗广域技术为世界万物互联提供了强有力的保障,它的出现必将引起传统物联网的变革,并为新一代物联网技术的发展提供方向。LoRa是低功耗广域技术发展较为迅速的技术之一,由于其超长距离、超低功耗的特点,使其受到了全世界范围内的关注。目前LoRa技术已部署在智能家居、智能监测、工业、农业等领域,并表现出了其独特的优势。首先,本文对低功耗广域网及LoRa技术的背景、研究现状作相关介绍。对低功耗广域网的网络架构进行概述,包括基本概念、网络模型、通信原理等,并分析当前主流低功耗广域技术的优缺点及应用场景。总结当前低功耗广域网中相关MAC层技术,并选取部分MAC技术进行分析。其次,对LoRa及LoRaWAN技术进行详细的介绍、分析和总结,包括技术特点及通信原理等;参考LoRaWAN协议,对传输过程所需要的帧结构进行设计,包括入网帧、数据帧、MAC命令帧及确认帧;实现了节点之间的相互通信,包括MAC层传输所需要的CAD机制、数据发送、数据接收等机制。接着,通过对LoRaWAN协议的深入研究发现,协议中的多消息传输机制存在冗余的控制开销和消息传输效率相对较低的问题。为解决上述问题,本文提出一种自适应多帧传输机制-AMFT(Adaptive Multi-Frame Transmission Mechanism)机制。新机制修改相关的数据类型,并对ACK帧结构进行相关修改,增加了确认帧的映射域以对多个需确认帧的接收情况进行映射;同时对消息的传输流程进行优化以适应多消息的传输。然后,明确实现基于LoRa的低功耗广域网MAC层通信所需的软硬件模块,基于现有的LoRa射频模块,结合STM8L开发板对LoRaWAN协议进行了实现;利用QT+C++开发语言实现了终端与计算机之间的串口通信及编码分析程序。通过开发的平台对LoRa的通信性能进行相关测试,同时,通过对原机制与新机制中多消息连续传输的实验,验证了新机制能够降低控制开销和能耗以及提高数据的传输效率。最后,对全文进行总结,对LoRa网络MAC层传输机制及低功耗策略的未来工作进行了展望,并根据自身的研究及开发经历,给出下一步的研究方向。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5;TP393.2
【图文】：

实物,功能模块

图 3.4 最终实物图3.2 系统软件方案设计.2.1 MAC 层软件设计原则为了提高 MAC 协议软件的持续可用性，需要保证软件模块的可扩展性、易性和在一段时间内的技术先进性。为了解决上述问题，基于LoRa的无线网络MA议软件的设计应遵循以下几个原则：(1) 模块化：将整个软件分割成多个相对独立的功能模块，每个功能模块可以独开发。(2) 低耦合：各个功能模块之间的数据和操作尽可能相对独立，使得软件中某部分的变化对其他部分的影响降到最低。

流程图,软件开发,开发环境

进程调度空闲进程创建系统初始化加至ready线程队列线程创建结束系统开始运行多线程创建atomThreadCreat()tcbEnqueuePriority()图 3.6 Atomthreads 系统操作流程图3.2.4 开发环境目前支持 STM8 系列芯片的开发环境主要有 STVD 和 IAR，与 STVD 相比，IAR开发环境具有操作便捷、编译快、支持变量的查找等优点，IAR 环境下单步执行功能方便软件进行开发；STVD 当前版本仍然存在较多的 BUG，运行不够稳定，因此本文使用 IAR Embedded Workbench for STM8 1.3.0 软件进行开发，如图 3.7 所示：

【参考文献】