基于LBT-SA的LoRaWAN信道接入方法研究

禹 忠，顧仁彬，范九倫

西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安710061

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多低帶寬、低能耗、廣覆蓋、大容量的為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（Low Power Wide Area Network，LPWAN），其中脫穎而出的LoRa 技術(shù)受到了極大的關(guān)注。LoRa采用的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)使其在固定的信道帶寬中以數(shù)據(jù)速率換取靈敏度，但是LoRa 網(wǎng)絡(luò)的大量部署使得其MAC層中的弊端日益顯現(xiàn)。LoRaWAN是基于LoRa技術(shù)的MAC層協(xié)議，負(fù)責(zé)沖突的檢測(cè)與處理、信道與通信資源的分配。許多LoRa 相關(guān)的研究都集中在LoRa 無線電調(diào)制提供的性能（覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率、功耗等）上，而沒有考慮LoRaWAN中指定的復(fù)雜操作[1]。LoRaWAN中定義的純ALOHA 信道接入方法使得成千上萬的設(shè)備在沒有檢測(cè)到信道狀態(tài)的情況下隨機(jī)接入信道，增加了數(shù)據(jù)包沖突的概率。在標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN協(xié)議中，設(shè)備需在小于1%的占空比限制下直接發(fā)送并期望不會(huì)和其他設(shè)備發(fā)生碰撞。隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，這種信道接入的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性快速下降，數(shù)據(jù)包丟失情況嚴(yán)重。Georgiou等人[2]提供了一個(gè)單網(wǎng)關(guān)上行消息模塊來模擬LoRaWAN的性能，該模塊考慮了信噪比和信號(hào)碰撞造成干擾的可能性，證明了擁有相同擴(kuò)頻因子（Spreading Factor，SF）的設(shè)備同時(shí)占用同一信道是造成干擾的主要原因，即在密集部署場(chǎng)景下LoRa 網(wǎng)絡(luò)是碰撞受限而非噪聲受限。因此在LoRa 網(wǎng)絡(luò)中，使用相同SF 的設(shè)備之間需要相互協(xié)調(diào)以降低碰撞概率、提升網(wǎng)絡(luò)容量。

目前在LoRa 網(wǎng)絡(luò)中，降低碰撞概率主要有三類方法：基于時(shí)隙的傳輸方法[3-6]、傳輸參數(shù)的動(dòng)態(tài)分配方法[6-12]和信道接入前檢測(cè)方法[13-15]。時(shí)隙和參數(shù)的分配降低了碰撞的概率，但是在密集部署場(chǎng)景下同時(shí)接入信道的可能性依然較高。此外，LoRa 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得這些方法都需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器較高頻次的下行交互以確保時(shí)隙的對(duì)齊或參數(shù)分配的合理性，這帶來了額外的開銷。而LBT在發(fā)送前檢測(cè)信道，大大降低了傳輸?shù)拿つ啃院团鲎哺怕省２⑶?，通過LBT方法訪問信道可以不遵循采用ALOHA方法時(shí)的占空比限制。Duda等人[13]將載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）和CSMA-10（檢測(cè)到信道空閑后再退避10 ms并檢測(cè)信道是否仍然空閑）應(yīng)用到LoRaWAN，并研究了包成功傳輸率和能耗方面的性能。Ortín 等人[14]研究了基于接收信道強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）檢測(cè)的物理層LBT 方式和基于前導(dǎo)碼檢測(cè)的MAC 層LBT 方式在LoRa 網(wǎng)絡(luò)中的性能和可行性，結(jié)果表明基于MAC 的LBT 方式優(yōu)勢(shì)明顯。Ahsan 等人[15]研究了三種基于二元指數(shù)的退避算法在LoRa 網(wǎng)絡(luò)中的性能，其中二元指數(shù)退避（Binary Exponential Backoff，BEB）算法表現(xiàn)優(yōu)異，具有最低的能耗和較少的碰撞次數(shù)。

信道接入前檢測(cè)的方法大大改善了標(biāo)準(zhǔn)LoRa網(wǎng)絡(luò)中的信道碰撞情況，拓寬了LoRa 技術(shù)在密集部署場(chǎng)景下的應(yīng)用前景。但是BEB算法根據(jù)退避次數(shù)指數(shù)擴(kuò)大競爭窗口，在LoRa 密集部署場(chǎng)景中可能會(huì)造成較大的延遲。考慮到已存在方法的不足，本文對(duì)單網(wǎng)關(guān)LoRa星型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和周期通信的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，并提出信道接入前的檢測(cè)和動(dòng)態(tài)更新競爭窗口的大小以降低碰撞概率、減少退避時(shí)間。鑒于LoRa 網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備無法實(shí)時(shí)獲取信道環(huán)境的特點(diǎn)，因此競爭窗口動(dòng)態(tài)更新策略的選擇參考終端本身的歷史傳輸數(shù)據(jù)，如退避次數(shù)、成功傳輸時(shí)間等。此外退避時(shí)對(duì)最優(yōu)競爭窗口的搜索是一個(gè)隨機(jī)的過程，簡單地增大和減小競爭窗口無法確保搜索過程的平穩(wěn)性和收斂性。為了保證搜索效果、應(yīng)對(duì)隨機(jī)的傳輸過程，引入模擬退火算法來搜索最優(yōu)的競爭窗口。模擬退火算法以一個(gè)逐漸降低的概率接受一個(gè)比當(dāng)前解要差的解，因此有可能跳出局部最優(yōu)解從而得到全局最優(yōu)解。該算法擁有計(jì)算過程簡單、搜索效率高、求得的解和初始解狀態(tài)無關(guān)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合LoRa網(wǎng)絡(luò)這種周期傳輸環(huán)境下的最優(yōu)競爭窗口搜索。并且在模擬退火算法中引入補(bǔ)充搜索過程，在周期傳輸?shù)倪^程中以之前傳輸過程中搜索到的最優(yōu)解為初始狀態(tài)，不斷執(zhí)行模擬退火過程，搜索更優(yōu)競爭窗口的可能性。補(bǔ)充搜索過程可以在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模變化時(shí)自適應(yīng)調(diào)整競爭窗口更新策略，使網(wǎng)絡(luò)的性能始終向高PDR、低時(shí)延方向發(fā)展?？偠灾?，本文的主要工作如下：（1）針對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)提出了一種避碰和優(yōu)化退避的方法LBT-SA；（2）給出基于LBT-SA 的設(shè)備的馬爾科夫鏈模型并對(duì)其包傳輸成功率（Packet Delivery Rate，PDR）進(jìn)行分析；（3）在NS-3平臺(tái)下的LoRaWAN模塊中進(jìn)行大規(guī)模信道傳輸仿真，對(duì)于單網(wǎng)關(guān)、多種終端設(shè)備數(shù)量（100～10 000）的LoRa網(wǎng)絡(luò)的PDR 改善明顯，并且在密集部署場(chǎng)景下的平均退避時(shí)間至少提高了16.38%。

2 LoRa技術(shù)

LoRa 是一種超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，采用啁啾擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，擁有低功耗、廣覆蓋、穿透性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。如圖1 所示，LoRa 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的星型網(wǎng)絡(luò)，包含了終端設(shè)備（End-Device，ED）、網(wǎng)關(guān)（Gate Way，GW）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（Network Server，NS）。

圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

ED 單跳連接到一個(gè)或者多個(gè)GW，負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)的收集和在廣播信道上的上行數(shù)據(jù)發(fā)送。GW 具有多信道接收、解調(diào)的能力且作為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過高吞吐量信道連接到NS，負(fù)責(zé)接收并轉(zhuǎn)發(fā)ED 的上傳數(shù)據(jù)。NS負(fù)責(zé)下行數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送、下行鏈路路由、網(wǎng)絡(luò)控制等重要功能。這種星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖然維護(hù)容易、配置靈活，但是大量的ED 通過單跳無線連接到單個(gè)或幾個(gè)GW，并且標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN 中的ED 僅能從GW 獲取NS下發(fā)的信道狀態(tài)信息，可能造成大量的碰撞重發(fā)，大大縮減電池的壽命且無法準(zhǔn)確及時(shí)地獲取信道狀態(tài)。

LoRa網(wǎng)絡(luò)中，每比特的信息由多個(gè)符號(hào)表示，符號(hào)數(shù)量等于2SF。SF的取值范圍為{6，7，8，9，10，11，12}，取值越高表示1 bit 信息對(duì)應(yīng)的符號(hào)越多，覆蓋范圍越廣，數(shù)據(jù)速率越小。ED 和GW 之間的傳輸分為上行消息和下行消息，上行消息指由ED 發(fā)送到由一個(gè)或多個(gè)GW 并由GW 轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，下行消息與之相反。上行消息包括前導(dǎo)碼（preamble）、LoRa 物理幀頭、幀頭CRC、有效載荷和有效載荷CRC。前導(dǎo)碼分為固定部分和可修改部分，如公式（2）所示，值4.25為前導(dǎo)碼固定部分最少符號(hào)數(shù)，NP為實(shí)際應(yīng)用中指定的前導(dǎo)碼可修改部分的符號(hào)數(shù)量。上行消息的滯空時(shí)間（Time on Air，ToA）的計(jì)算公式[16]為：

其中，BW為帶寬，Tpreamble是前導(dǎo)碼傳輸?shù)臏諘r(shí)間，L是數(shù)據(jù)包其他部分的符號(hào)長度，NP為前導(dǎo)碼符號(hào)數(shù)，PL為有效載荷的符號(hào)數(shù)，H表示是否啟用幀頭，DE表示是否啟用低速率，CR為編碼率且CR∈{4/5,4/6,4/7,4/8}。更高的SF可提供更大的覆蓋范圍，但也使得包的ToA 呈指數(shù)增長，更容易造成相同SF的ED之間的碰撞。

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，ED設(shè)置了三種類型：基于ALOHA信道接入方式和Duty-cycle限制的A類設(shè)備、定期喚醒的B 類設(shè)備、連續(xù)監(jiān)聽的C 類設(shè)備。其中A 類設(shè)備以電池供電，是最為常見的設(shè)備且功耗最低。A類設(shè)備的特點(diǎn)是異步傳輸，傳輸過程只能由ED發(fā)起，GW 只能在接收到上行數(shù)據(jù)包之后發(fā)起下行通信。ED在有發(fā)送需求時(shí)隨機(jī)選擇信道和適合的SF向GW發(fā)送上行消息，并在發(fā)送后延時(shí)打開接收窗口。

如圖2 所示，A 類設(shè)備擁有兩個(gè)上行傳輸之后延時(shí)打開的接收窗口RX1 和RX2，如果RX1 或RX2 檢測(cè)到下行消息的前導(dǎo)碼，無線接收器將保持工作狀態(tài)直到下行消息被解調(diào)，并不再打開尚未開啟的接收窗口。

圖2 A類ED接收窗口時(shí)序

在標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN協(xié)議中，如果ED以ALOHA方式接入信道時(shí)需要遵循該信道小于1%的Duty-cycle 限制。Duty-cycle 限制被定義在ED 的物理層里，ED 會(huì)遵從已被定義的最大傳輸時(shí)間限制，并在每次嘗試傳輸時(shí)判斷是否符合Duty-cycle限制。除了遵從Duty-cycle限制的ALOHA，LoRa標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中還允許LBT信道接入方式。LBT方法可以在發(fā)送之前檢測(cè)信道的忙閑，大大降低碰撞概率。擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)使得LoRa 的RSSI 可能低于接收機(jī)的低噪聲，因此LoRa 信道的狀態(tài)難以通過檢測(cè)RSSI來獲取。LoRa信道的檢測(cè)是基于ED的無線接收器接收并解碼信道中正在發(fā)送的前導(dǎo)碼，未檢測(cè)到基于相同擴(kuò)頻因子的前導(dǎo)碼，則判斷信道空閑，可以立即發(fā)送以占用信道；檢測(cè)到基于相同擴(kuò)頻因子的前導(dǎo)碼時(shí)，則判斷信道被占用，從競爭窗口中隨機(jī)選取退避時(shí)隙數(shù)量進(jìn)行退避，并在退避結(jié)束時(shí)再次檢測(cè)信道狀態(tài)。常用的競爭窗口大小更新方法是BEB 算法，其優(yōu)點(diǎn)是在信道負(fù)載較小時(shí)以較少時(shí)延成功發(fā)送，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，在重負(fù)載時(shí)窗口快速擴(kuò)大，有效分解沖突。該算法的缺陷在于不能根據(jù)信道的負(fù)載變化靈活地更新競爭窗口，即競爭窗口只能單調(diào)遞增，這使得信道負(fù)載減輕時(shí)可能造成部分?jǐn)?shù)據(jù)包較大的時(shí)延。因此一種基于信道檢測(cè)、競爭窗口靈活的信道接入方法更能滿足LoRaWAN的性能需求。

3 LBT-SA

針對(duì)LoRa 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和BEB 算法的缺陷，本文提出了基于模擬退火（Simulated Annealing，SA）算法的LBT 信道接入方法——LBT-SA。和基于BEB 算法的LBT不同的是：ED檢測(cè)信道被占用后以SA算法計(jì)算出的更新概率，并以該概率選擇競爭窗口更新的策略。當(dāng)充分的隨機(jī)性與非常慢的冷卻相結(jié)合時(shí)，SA 算法最終可以達(dá)到全局最優(yōu)[17]。

SA算法是從一個(gè)初始高溫T0下的隨機(jī)解開始，然后選擇較優(yōu)解或以一個(gè)持續(xù)下降的概率接受較差解，隨著溫度的下降最終找到一個(gè)全局近似最優(yōu)解。在LBT-SA 的競爭窗口更新策略中將傳輸過程分為兩種：周期傳輸和周期內(nèi)的嘗試傳輸過程，一次周期傳輸中可能包含多次嘗試傳輸過程。一次完整的SA搜索過程在一次周期傳輸中完成。對(duì)于競爭窗口的更新，令本周期傳輸總退避時(shí)間小于或等于上個(gè)周期總退避時(shí)間為較優(yōu)解，反之則為較差解。SA 搜索過程中的溫度下降函數(shù)由公式（4）表示：

α是溫度下降因子（常取0.7～0.99），i等于退避次數(shù)j減去1。溫度的下降過程是關(guān)于退避次數(shù)的函數(shù)，使溫度隨退避次數(shù)的增加逐步降低降溫速率。信道的復(fù)雜性使搜索更小退避的過程可能會(huì)導(dǎo)致更多的退避，而這些偶然性的過度退避對(duì)搜索過程缺乏指導(dǎo)意義。因此如公式（6）和公式（7）所示，計(jì)算較差解的接受概率時(shí)，之前所有周期傳輸過程的平均總退避時(shí)間和前一周期傳輸?shù)目偼吮軙r(shí)間Tback(t-1) 中的最小值被作為舊能級(jí)E(xold)，而當(dāng)前周期內(nèi)傳輸?shù)目偼吮軙r(shí)間Tback(t)被統(tǒng)計(jì)為新能級(jí)E(xnew)。

BEB 算法的競爭窗口隨著每次碰撞的發(fā)生呈指數(shù)增長。當(dāng)ED 需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，檢測(cè)到信道繁忙則進(jìn)入退避狀態(tài)，從競爭窗口中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)和最小退避時(shí)隙的乘積就是退避時(shí)間，檢測(cè)到信道空閑則直接發(fā)送數(shù)據(jù)包。BEB算法競爭窗口的計(jì)算如公式（8）所示，ED 第i次退避時(shí)的競爭窗口大小為2i倍的最小競爭窗口。而公式（9）是競爭窗口根據(jù)退避次數(shù)以反比例函數(shù)縮小，若更新后競爭窗口大于最小競爭窗口則接收更新后的競爭窗口值，若小于CWmin則直接置為CWmin。該方法在保證更新后的競爭窗口大于最小競爭窗口的前提下逐步減緩競爭窗口減小的速度以避免在擁擠信道環(huán)境下頻繁檢測(cè)信道、浪費(fèi)退避次數(shù)。

ED在退避時(shí)，基于公式（5）計(jì)算得出的概率p以公式（8）中的BEB算法更新競爭窗口，基于概率1-p以公式（9）更新競爭窗口。退避過程的退避時(shí)間由最小退避時(shí)隙CWmin和取自競爭窗口的隨機(jī)數(shù)相乘得到。這個(gè)最小退避時(shí)隙被設(shè)置為12.54 ms，即以125 kHz帶寬、SF為7傳輸8位前導(dǎo)碼所需時(shí)間，由公式（2）計(jì)算得出。

LBT-SA方法中競爭窗口的二維馬爾可夫鏈狀態(tài)模型如圖3 所示，它描述了ED 一次周期傳輸?shù)倪^程。圖中的狀態(tài)是一個(gè)二維過程(i,b(i))，b(i)表示退避可能值的集合，集合中包含了隨機(jī)退避時(shí)隙數(shù)量的遞減過程且這個(gè)遞減過程總是以1 的概率轉(zhuǎn)移。設(shè)b(x,y)、b′(x,y)分別為采用公式（8）和公式（9）兩種更新策略的設(shè)備退避x+1 次且當(dāng)前退避時(shí)隙個(gè)數(shù)為y的概率。如上所述，i的值為ED的退避次數(shù)減去1。Wi表示BEB算法得出的競爭窗口大小，W1i表示以公式（6）得到的競爭窗口大小。本文中研究的設(shè)備為無確認(rèn)機(jī)制的A類設(shè)備，在無確認(rèn)機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的發(fā)送僅存在兩個(gè)狀態(tài)：發(fā)送成功和被丟棄。ED 在超出最大退避次數(shù)限制后停止該數(shù)據(jù)包的發(fā)送并丟棄，因此令Ploss表示ED因?yàn)橥吮艽螖?shù)超出最大退避限制而丟棄數(shù)據(jù)包的概率，圖3中所有狀態(tài)概率b(x,y)、b′(x,y)之和為成功發(fā)送的概率，即1減去數(shù)據(jù)包被丟棄的概率。則有：

圖3 競爭窗口的馬爾可夫鏈模型

令τs表示ED在一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙中進(jìn)行傳輸?shù)母怕?，等于?dāng)前退避時(shí)間為0 并可發(fā)送的概率之和。令n表示網(wǎng)絡(luò)中擁有相同SF 的ED 數(shù)量，τc表示條件碰撞概率，即已有1 個(gè)ED 在占用信道，另外n-1 個(gè)基于相同SF的ED中至少有一個(gè)在同一時(shí)間占用信道，可以得出：

令Pb表示檢測(cè)到信道被占用的概率即信道中至少有一個(gè)ED 在發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，Ps為某個(gè)ED 成功傳輸?shù)母怕始丛诋?dāng)前時(shí)隙中n個(gè)ED中隨機(jī)有一個(gè)ED在發(fā)送且其他ED未在發(fā)送。則：

4 仿真結(jié)果及討論

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了研究LoRa 網(wǎng)絡(luò)和評(píng)估所提算法的性能，建立了NS-3平臺(tái)下的仿真模塊。仿真模塊實(shí)現(xiàn)了如圖1 所示架構(gòu)下基于A 類設(shè)備的LoRa 網(wǎng)絡(luò)，在評(píng)估場(chǎng)景中設(shè)置了單個(gè)GW 和最多10 000 個(gè)A 類ED。ED 和GW 的高度分別設(shè)置為1 m和15 m。這些ED隨機(jī)分布在GW附近7.5 km半徑范圍內(nèi)，它們的位置滿足泊松分布。每個(gè)ED 隨機(jī)分配初始發(fā)送時(shí)間并以300 s 為周期產(chǎn)生上行無確認(rèn)數(shù)據(jù)包。GW 以基帶芯片SX1310 為例，支持最多8 個(gè)通道同時(shí)解調(diào)。ED 以LoRa 收發(fā)機(jī)芯片SX1278為例，其定義的信道活動(dòng)檢測(cè)（Channel Activity Detection，CAD）提供了對(duì)信道狀態(tài)的檢測(cè)。CAD 的原理就是以盡可能高的功率快速檢測(cè)信道中的前導(dǎo)碼并判斷是否是所需的前導(dǎo)碼。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

模塊考慮了信道路徑損耗、SF 間干擾和捕獲效應(yīng)等現(xiàn)實(shí)因素。LoRa 設(shè)備的信道路徑損耗Loss(d)使用考慮陰影衰落的Log距離損耗模型預(yù)測(cè)：

其中，Loss(d0)為參考距離d0處的路徑損耗值，α為路徑損耗指數(shù)，X為高斯分布隨機(jī)變量且均值為0。d0和Loss(d0)在模塊中分別設(shè)置為1 m 和8.1 dB，α被設(shè)置為3.76以模擬考慮陰影衰落的城市蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

模塊利用不同的SF間的部分正交性來確定一個(gè)數(shù)據(jù)包是否能經(jīng)受住其他SF 傳輸?shù)母蓴_，通過引入同一信道（相同頻率）下的SINR閾值矩陣T[18]以確定ED之間的干擾是否導(dǎo)致碰撞。信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）是接收到的有用信號(hào)強(qiáng)度與接收到的噪聲加干擾信號(hào)強(qiáng)度之間的比值。

矩陣中元素Ta,b的值代表相同信道中以a+6 為SF 的ED 發(fā)送時(shí)不受以b+6 為SF 的ED 干擾的SINR閾值（dB為單位），即同一信道中設(shè)備間SINR之差大于矩陣中對(duì)應(yīng)的值則可以互不干擾。由矩陣可知，相同SF 之間更易相互干擾，從而導(dǎo)致碰撞。此外對(duì)于受到多個(gè)設(shè)備干擾的ED，其所受到的干擾功率是其他設(shè)備功率的疊加。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在ns-3模塊中分別對(duì)基于ALOHA、LBT和LBT-SA的LoRaWAN進(jìn)行了仿真評(píng)估。

多場(chǎng)景下的PDR（GW 接收的數(shù)據(jù)包數(shù)除以ED 發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)）數(shù)據(jù)如圖4所示。為了避免隨機(jī)的傳輸過程和算法的收斂過程造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的偶然性，圖中的數(shù)據(jù)為穩(wěn)定傳輸（15次周期傳輸之后）時(shí)10次傳輸數(shù)據(jù)的平均值。在實(shí)際部署場(chǎng)景下，ALOHA 過于簡單的信道接入方式無法規(guī)避終端之間的碰撞，因此基于ALOHA 的LoRa 網(wǎng)絡(luò)在密集場(chǎng)景下的可拓展性嚴(yán)重受限。如果網(wǎng)絡(luò)中的所有終端都使用相同的參數(shù)，則網(wǎng)絡(luò)最大吞吐量為18%[19]。這種信道接入方法在無確認(rèn)機(jī)制的密集網(wǎng)絡(luò)中將造成大量的傳輸碰撞和性能的急劇跌落。因此ALOHA 不能滿足注重時(shí)延和PDR 的密集LoRa網(wǎng)絡(luò)的性能要求。數(shù)據(jù)傳輸需求在時(shí)間上的分布不均勻性使得基于LBT的網(wǎng)絡(luò)也無法達(dá)到最大的系統(tǒng)容量，但是基于BEB 的LBT 方法對(duì)信道的接入前檢測(cè)大大降低了碰撞發(fā)生的概率，在網(wǎng)絡(luò)可拓展性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。從曲線走勢(shì)可以看出網(wǎng)絡(luò)中終端增加時(shí)基于ALOHA 的LoRa 網(wǎng)絡(luò)PDR 迅速跌落，而基于LBT和LBT-SA 則下降趨勢(shì)平滑，在終端數(shù)量高達(dá)10 000 的場(chǎng)景下依然保持了較高的PDR。

圖4 多場(chǎng)景下的PDR性能對(duì)比

圖5 6 000個(gè)ED場(chǎng)景下多周期傳輸?shù)腜DR對(duì)比

LBT 和LBT-SA 在單GW 和6 000 ED 場(chǎng)景下多個(gè)周期傳輸中的PDR 對(duì)比如圖5 所示。復(fù)雜多變的信道環(huán)境和基于LBT的終端對(duì)退避時(shí)間的隨機(jī)選擇，使得網(wǎng)絡(luò)的PDR 性能在一定幅度范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)。LBT-SA在周期傳輸過程中參考?xì)v史周期傳輸數(shù)據(jù)，以概率方式更新競爭窗口大小，在保證了和LBT 高度一致的PDR性能的前提下逐漸減少了平均時(shí)延。在這個(gè)最小平均退避時(shí)間的搜索過程中，緩慢的模擬退火搜索通過一個(gè)逐漸下降的概率接受競爭窗口的指數(shù)增長，保持了與LBT相近的PDR并表現(xiàn)了較為快速的收斂過程和搜索效果。

在不同部署場(chǎng)景下ED的平均時(shí)延如圖6所示。數(shù)據(jù)包的時(shí)延包括了從產(chǎn)生到被GW 成功接收的時(shí)間間隔，未被成功接收的數(shù)據(jù)包時(shí)延對(duì)平均時(shí)延無意義，因此未被統(tǒng)計(jì)。由于ED 發(fā)送的數(shù)據(jù)包無需確認(rèn)，因此基于ALOHA 的LoRaWAN 中ED 的平均延遲為0。被廣泛用于LBT更新競爭窗口的BEB算法提供了一種處理重負(fù)載的方法。嘗試傳輸?shù)闹貜?fù)失敗意味著更多的退避時(shí)間，有助于負(fù)載的平滑。但負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，仍一味擴(kuò)大競爭窗口的大小會(huì)導(dǎo)致ED的平均時(shí)延較大。簡單地減小競爭窗口會(huì)導(dǎo)致信道過度擁擠，使得大量ED因退避次數(shù)超出限制而丟棄數(shù)據(jù)包。LBT-SA在傳輸過程中根據(jù)退避時(shí)間計(jì)算競爭窗口更新的概率，緩解了由于信道過度擁擠而引起的沖突并降低了平均時(shí)延。最顯著的改善是當(dāng)ED 數(shù)量為3 000 時(shí)平均時(shí)延降低了42.74%，當(dāng)ED 數(shù)量為10 000 時(shí)平均時(shí)延依然降低了16.38%。平均時(shí)延的下降過程將持續(xù)到某次傳輸之后達(dá)到近似最優(yōu)值，并且由于退避值的隨機(jī)選擇平均時(shí)延將在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。在基于非時(shí)隙LBT信道接入方法的單GW網(wǎng)絡(luò)中，其網(wǎng)絡(luò)容量是有限的且低于其最大網(wǎng)絡(luò)容量。相同區(qū)域的多GW 部署可以縮小單個(gè)GW網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，減少占用更多ToA的SF的使用，顯著提高網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘??；谇皩?dǎo)碼檢測(cè)的信道狀態(tài)獲取辦法使得LBT-SA 也適用于多GW 的場(chǎng)景。LBT-SA 可以在一般負(fù)載下顯著提高PDR 和降低平均時(shí)延，因此可以更好地在相同覆蓋區(qū)域、多GW場(chǎng)景中運(yùn)行。

圖6 多場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)包平均時(shí)延對(duì)比

但是這種策略在密集的部署場(chǎng)景中可能會(huì)導(dǎo)致更多的平均退避次數(shù)。圖7 為在不同部署場(chǎng)景下LBT 和LBT-SA 的平均退避次數(shù)。ED 的平均退避次數(shù)在密集部署場(chǎng)景下明顯增加，信道的擁擠使得ED 在減小競爭窗口后增加了退避概率。無法檢測(cè)到空閑時(shí)隙的ED只能更多地退避以緩解信道擁擠，因此增加了平均退避次數(shù)。

圖7 多場(chǎng)景下的平均退避次數(shù)對(duì)比

LBT-SA 在單GW 和6 000 ED 場(chǎng)景下的平均時(shí)延收斂性能如圖8 所示?；贚BT-SA 的ED 平均時(shí)延逐漸減小，在周期傳輸15 次左右達(dá)到次優(yōu)值。在相同場(chǎng)景下，其收斂速度取決于初始溫度和冷卻因子。在一定范圍內(nèi)，降溫速率與平均時(shí)延收斂的速度成正比?？焖傧陆档臏囟葧?huì)加快收斂速度，但導(dǎo)致信道更加擁擠，更多的設(shè)備因超出退避次數(shù)限制而發(fā)送失敗，而溫度的緩慢下降也會(huì)導(dǎo)致過長的收斂過程，為不同的場(chǎng)景選擇最佳參數(shù)是未來工作的一部分。

圖8 6 000個(gè)ED場(chǎng)景下數(shù)據(jù)包平均時(shí)延變化趨勢(shì)對(duì)比

仿真結(jié)果表明了所提算法的有效性，在密集部署場(chǎng)景下提高了LoRa 網(wǎng)絡(luò)的PDR 并在周期傳輸過程中以較快的收斂速度減少平均退避時(shí)間。并且算法中的持續(xù)搜索機(jī)制可以在場(chǎng)景變化（終端損壞、新增終端入網(wǎng)）后重新優(yōu)化并達(dá)到新場(chǎng)景下的最優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文為LoRaWAN 提出了一種新的信道接入方法LBT-SA，以提高LoRaWAN 的可拓展性和可靠性，并減少不必要的退避時(shí)間。通過對(duì)歷史周期傳輸數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，得出當(dāng)前周期競爭窗口更新策略選擇的概率，在較高的PDR 下搜索更小退避的可能性。在ns-3仿真模塊中評(píng)估了該方法在不同部署情況下的性能，并與基于ALOHA和基于LBT的LoRaWAN性能進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，在密集部署場(chǎng)景下，PDR 至少可以提高50%，在9 000個(gè)節(jié)點(diǎn)或以上的場(chǎng)景下，PDR可以提高100%以上。而平均時(shí)延至少提高了16.38%。雖然在多達(dá)10 000 EDs 的密集部署場(chǎng)景中，喚醒次數(shù)及信道檢測(cè)次數(shù)增加3.7%，但對(duì)電池的消耗是有限的。未來計(jì)劃從功耗、服務(wù)質(zhì)量等幾個(gè)方面對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)和評(píng)估。