面向雾计算的LoRaWAN网关设计与实现
发布时间：2021-11-29 00:32
随着物联网技术的广泛应用和快速发展,接入互联网中的物联网设备每年都迎来井喷式的增长,为了满足物联网终端的及时响应以及节省带宽的消耗,业界对此提出雾计算（Fog Computing）的概念,并成为物联网领域的热点问题。而LoRaWAN作为当今最流行的物联网协议之一,如何对它进行雾计算的改造具有很大的研究意义和应用价值。将雾计算与LoRaWAN进行结合,根据其三层式的网络结构,主要思路是把网络服务器从云端下移到网关,使更靠近终端的网关成为雾计算节点。然而实际情况下网络中存在多个网关,多网关的改造面临着稳定性和协同性的挑战。针对这些问题,本文开展了理论分析、方法研究和仿真验证等工作,主要内容如下:（1）针对网关计算能力不足和雾端数据难以共享的问题,引入FogFlow雾计算框架,通过对LoRaWAN网关在软件和硬件方面的升级,将普通网关改造为胖网关（Fat Gateway）,设计了面向雾计算的LoRaWAN（Fog-Based LoRaWAN,FB-LoRaWAN）系统,增强网关的计算能力的同时保障网络服务器的可用性。（2）针对多网关改造过程中面临的网关选择问题,基于混合整数线性规划的理论,提...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
边缘网关与LoRaWAN结合的架构[12]
第一章绪论3雾计算节点；第二种，把网关当作雾计算节点。LoRa终端到网关的传输距离远，LoRa网关到网络服务器的连接是基于IP链路，为了保留这两点优势，同时融入雾计算的设计，又不想改变LoRaWAN的原有架构，第一种方案提出边缘网关（EdgeGateway）。如图1-1所示，与传统物理网架构不同的是，Sarker等人[12]增加了一层辅助的边缘网关。传感器节点可以收集不同的信息，并通过低功耗蓝牙（BluetoothLowEnergy，BLE），nRF或IPv6把数据传输到边缘网关。边缘网关通常配备有高计算能力的硬件，固定在某个地方并使用插座电源或大电池，因此边缘网关能够执行复杂的算法，同时保持长时间运行。前端的传感数据在边缘网关上进行处理，再将处理结果进行压缩，最后通过LoRa链路将压缩和汇总的数据传输到LoRa网关。图1-2网关改造成雾计算节点的LoRaWAN架构[13]在LoRaWAN网络中，网关位于终端和云端之间，目前只具备消息中继的能力。要让LoRaWAN具有雾计算的能力，第二种方案就是对网关进行改造。如图1-2所示，Kuaban等人[13]保持LoRaWAN的整体架构不变，在LoRa网关处添加树莓派这样的微型计算机，一边作为雾计算节点提前处理网关侧的数据，一边开放WiFi接口让第三方连接，直接在雾端获取服务。在这种设计下，即使云端连接不可用，仍然可以保证LoRaWAN网络的运行。第一种方案放弃了对LoRa终端的大量使用，相当于舍弃了LoRaWAN网络容量大、功耗低的优势，不适合用于现有LoRaWAN网络向雾计算模式的转变。
第二章相关技术概述9宽提供较高的灵敏度，但数据速率较低，较低的BW也需要更精确的晶体。数据以与带宽相等的芯片速率发送，125KHz的带宽对应于125kcps的码片速率。虽然带宽可以在7.8kHz到500kHz的范围内选择，但典型的LoRa网络在500kHz、250kHz或125kHz的带宽下工作（BW500、BW250和BW125）。（5）编码率。LoRa采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错（FEC）。编码率是由LoRa调制解调器使用的FEC速率，它提供对突发干扰的保护，可以设置为4/5、4/6、4/7或4/8。一个更高的编码率提供更多的保护，但增加了在空中的时间。具有不同编码率的无线电如果使用显式报头，则仍然可以彼此通信，因为有效载荷的编码率存储在分组的报头中，而分组的报头总是以CR4/8编码的。综合上述参数，LoRa通信的数据传输的比特率可由下式（2-1）计算：2bSFBWRSFCR(2-1)通信参数的选择会影响通信性能。最值得注意的是，不同的参数选择会影响传输范围和抗干扰能力。另外，参数选择对设备的能量消耗有很大的影响。在大多数情况下，由于节点由电池供电，因此希望在通信性能和能耗之间取得平衡，这是最大化使用寿命的目标。2.1.3LoRa中国区域的信道划分每个地区的LoRa调制特性定义在LoRaWAN区域参数文档中，可以从LoRaAlliance获得[16]。如图2-1所示，在中国470MHz频段（CN470），定义了96个带宽为125kHz的LoRa上行通道，编号从0到95，数据速率从250bps到5470bps不等，使用编码速率4/5，从470.3MHz开始，以200KHz的步进大小线性增加到489.3MHz。还有48个带宽为125kHz的LoRa上行通道，编号从0到47，数据速率从250bps到5470bps不等，使用编码速率4/5，从500.3MHz开始，以200KHz的步进大小线性增加到509.7MHz。图2-1CN470-510信道频率[16]
本文编号：3525471
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
边缘网关与LoRaWAN结合的架构[12]
第一章绪论3雾计算节点；第二种，把网关当作雾计算节点。LoRa终端到网关的传输距离远，LoRa网关到网络服务器的连接是基于IP链路，为了保留这两点优势，同时融入雾计算的设计，又不想改变LoRaWAN的原有架构，第一种方案提出边缘网关（EdgeGateway）。如图1-1所示，与传统物理网架构不同的是，Sarker等人[12]增加了一层辅助的边缘网关。传感器节点可以收集不同的信息，并通过低功耗蓝牙（BluetoothLowEnergy，BLE），nRF或IPv6把数据传输到边缘网关。边缘网关通常配备有高计算能力的硬件，固定在某个地方并使用插座电源或大电池，因此边缘网关能够执行复杂的算法，同时保持长时间运行。前端的传感数据在边缘网关上进行处理，再将处理结果进行压缩，最后通过LoRa链路将压缩和汇总的数据传输到LoRa网关。图1-2网关改造成雾计算节点的LoRaWAN架构[13]在LoRaWAN网络中，网关位于终端和云端之间，目前只具备消息中继的能力。要让LoRaWAN具有雾计算的能力，第二种方案就是对网关进行改造。如图1-2所示，Kuaban等人[13]保持LoRaWAN的整体架构不变，在LoRa网关处添加树莓派这样的微型计算机，一边作为雾计算节点提前处理网关侧的数据，一边开放WiFi接口让第三方连接，直接在雾端获取服务。在这种设计下，即使云端连接不可用，仍然可以保证LoRaWAN网络的运行。第一种方案放弃了对LoRa终端的大量使用，相当于舍弃了LoRaWAN网络容量大、功耗低的优势，不适合用于现有LoRaWAN网络向雾计算模式的转变。
第二章相关技术概述9宽提供较高的灵敏度，但数据速率较低，较低的BW也需要更精确的晶体。数据以与带宽相等的芯片速率发送，125KHz的带宽对应于125kcps的码片速率。虽然带宽可以在7.8kHz到500kHz的范围内选择，但典型的LoRa网络在500kHz、250kHz或125kHz的带宽下工作（BW500、BW250和BW125）。（5）编码率。LoRa采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错（FEC）。编码率是由LoRa调制解调器使用的FEC速率，它提供对突发干扰的保护，可以设置为4/5、4/6、4/7或4/8。一个更高的编码率提供更多的保护，但增加了在空中的时间。具有不同编码率的无线电如果使用显式报头，则仍然可以彼此通信，因为有效载荷的编码率存储在分组的报头中，而分组的报头总是以CR4/8编码的。综合上述参数，LoRa通信的数据传输的比特率可由下式（2-1）计算：2bSFBWRSFCR(2-1)通信参数的选择会影响通信性能。最值得注意的是，不同的参数选择会影响传输范围和抗干扰能力。另外，参数选择对设备的能量消耗有很大的影响。在大多数情况下，由于节点由电池供电，因此希望在通信性能和能耗之间取得平衡，这是最大化使用寿命的目标。2.1.3LoRa中国区域的信道划分每个地区的LoRa调制特性定义在LoRaWAN区域参数文档中，可以从LoRaAlliance获得[16]。如图2-1所示，在中国470MHz频段（CN470），定义了96个带宽为125kHz的LoRa上行通道，编号从0到95，数据速率从250bps到5470bps不等，使用编码速率4/5，从470.3MHz开始，以200KHz的步进大小线性增加到489.3MHz。还有48个带宽为125kHz的LoRa上行通道，编号从0到47，数据速率从250bps到5470bps不等，使用编码速率4/5，从500.3MHz开始，以200KHz的步进大小线性增加到509.7MHz。图2-1CN470-510信道频率[16]
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