基于LoRaWAN無線抄表應用場景的MAC層協(xié)議設計

李 晶

(南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

0 引言

隨著科技的飛速進步,各種抄表計量的使用也越來越多,但是,由于傳統(tǒng)的人工抄表方式效率較低、數(shù)據(jù)無法實時更新、數(shù)據(jù)精度較差,因此,這種方式已經不能滿足當今的需求。在物聯(lián)網(wǎng)技術的快速推動下,無線抄表已逐漸代替人工抄表,在人們的生活中扮演著越來越重要的角色,所以這也對無線抄表系統(tǒng)提出了更高的要求[1-6]。在無線抄表的應用場景中,節(jié)點一般采用電池供電,而且節(jié)點數(shù)量非常多、散布非常廣,所以在該場景中,節(jié)點功耗、覆蓋范圍以及能容納節(jié)點的數(shù)量是很重要的考慮指標。

低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network,LPWAN)是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率和遠距離通信的無線廣域網(wǎng)絡,與其他技術相比,其通信距離更遠,通信功耗更低、覆蓋范圍更廣[7-8]。LoRa作為LPWAN的代表技術之一,具有覆蓋范圍廣、功耗低、容量大等優(yōu)點[9-10]。LoRaWAN是在LoRa物理層傳輸技術基礎之上的、以介質訪問控制(Media Access Control,MAC)層為主的一套協(xié)議標準,是LoRa技術的協(xié)議之一[11]。在通信協(xié)議方面,LoRaWAN的MAC層設計過于簡單,所有節(jié)點均采用純ALOHA(Pure ALOHA,P-ALOHA)的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)[12],這雖然能降低節(jié)點功耗,但易造成通信沖突。在無線抄表的應用場景中,主要存在兩種類型的業(yè)務數(shù)據(jù):一類是周期業(yè)務數(shù)據(jù),該業(yè)務數(shù)據(jù)需要每隔一段時間上報一次,如用電量、用水量和用氣量等各種抄表數(shù)據(jù),由于需要頻繁發(fā)送,所以業(yè)務量比較大;另一類是突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù),該業(yè)務數(shù)據(jù)只有在遇到緊急情況時才會上報,如抄表數(shù)據(jù)超過某些值的用量提醒、各種基表的低電量預警等,由于只有在特定情況下才會發(fā)送,所以業(yè)務量比周期業(yè)務數(shù)據(jù)要少。另外,不同類型的業(yè)務數(shù)據(jù)對傳輸性能的要求也不盡相同,周期業(yè)務數(shù)據(jù)對信道利用率與可靠性要求嚴格,而突發(fā)業(yè)務則對可靠性和時延非常敏感。在上述場景下,由于P-ALOHA協(xié)議的隨機性強,節(jié)點間發(fā)生碰撞的概率非常高,從而導致信道利用率非常低和發(fā)送時延非常大;另外隨著節(jié)點數(shù)量增加,節(jié)點間發(fā)生碰撞的概率大大提高,且當節(jié)點數(shù)量達到一定程度時,還會使信道陷入癱瘓,無法正常工作。

學者們針對LoRaWAN的應用主要做了以下研究:韋福鶴等人[13]基于LoRaWAN協(xié)議族和開源協(xié)議棧,分析了其中的核心結構和層間接口,并提出了一系列實用的工作流程。Polonelli等人[14]采用時隙ALOHA(Slot ALOHA,S-ALOHA)協(xié)議替代P-ALOHA協(xié)議,提高了LoRaWAN協(xié)議在丟包率和網(wǎng)絡吞吐量方面的性能。Piyare等人[15]提出了一種基于協(xié)議與時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的異步MAC協(xié)議,以實現(xiàn)超低功耗狀態(tài)及LoRa遠程連接。李民政等人[16]針對經典輪詢協(xié)議的局限性,提出了一種具有動態(tài)重傳和差異服務機制的TDMA時隙分配協(xié)議,能夠降低丟包率以及實現(xiàn)區(qū)別服務。牛超等人[17]針對LoRa通信技術的特點,提出一種基于TDMA的通信組網(wǎng)方法,能有效降低競爭沖突,提高信道利用率。Han等人[18]針對LoRaWAN協(xié)議的局限性,研究了一種基于多通道通信的SPDS-TDMA時隙分配協(xié)議,該協(xié)議具有自適應信道速率規(guī)劃和差分服務機制,能明顯減小時延和降低丟包率。Ali等人[19]討論了TDMA接入方案適用于節(jié)點接入數(shù)量多且需要定期上傳數(shù)據(jù)的情況,但如果節(jié)點需要傳輸突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù),就需要與帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CSMA/CA)方法相結合。

1 MAC協(xié)議設計

1.1 MAC協(xié)議設計目的

研究發(fā)現(xiàn),TDMA協(xié)議雖然能改善P-ALOHA協(xié)議的性能,但存在一定的缺陷,當接入節(jié)點數(shù)量少且不穩(wěn)定時,信道利用率非常低。混合式接入機制剛好能夠彌補TDMA協(xié)議的缺陷。文獻[4]是基于常見的CSMA/CA信道與TDMA信道相結合的混合式接入機制,這種機制需要節(jié)點頻繁地進行信道切換,會增加節(jié)點功耗,而且受CSMA/CA信道的限制,在節(jié)點數(shù)量比較大時,碰撞率也會非常高。另外,在入網(wǎng)請求幀/入網(wǎng)響應幀與RTS/CTS報文長度相當?shù)那闆r下,采用CSMA/CA協(xié)議還會降低通信效率。

當前的研究都不能很好地解決LoRaWAN在無線抄表應用場景中的局限性,為了提升LoRaWAN協(xié)議的性能,亟需設計一個新的MAC層協(xié)議,該協(xié)議基于超幀的結構,采用傳統(tǒng)S-ALOHA與TDMA相結合的混合式接入機制,即在TDMA時隙之外,專門留出一段時間用來劃分S-ALOHA時隙;在信道上融入突發(fā)業(yè)務的發(fā)送,節(jié)點可以根據(jù)TDMA時隙的使用情況,在S-ALOHA時隙與未被分配的TDMA時隙上競爭發(fā)送數(shù)據(jù),可以很好地減少碰撞以及提高信道利用率;設計了將節(jié)點分散到一個超幀的不同復幀的方法,很好地解決了因大量節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)而引起的高碰撞率、低信道利用率以及信道癱瘓的問題;利用超幀的結構,能使具有不同發(fā)送周期的節(jié)點在同一個信道上工作,提升信道靈活性。

1.2 MAC協(xié)議設計方法

1.2.1 超幀和復幀結構設計

無線抄表應用場景中的周期業(yè)務節(jié)點需要每隔一段時間發(fā)送一次數(shù)據(jù),不同的周期業(yè)務節(jié)點可能有不同的發(fā)送周期。在傳統(tǒng)的設計中,將發(fā)送周期T作為一個復幀的長度,復幀長度固定,此類信道只能接入一種周期長度的節(jié)點,設計不靈活。為了解決這個問題,本文設計了超幀的結構。如圖1所示,一個超幀由若干個復幀組成,超幀中具體所劃分的復幀數(shù)目有1～8共8種選擇,超幀中復幀數(shù)目設置的參考因素將在后文詳細討論。超幀中每個復幀的長度可配,有16、32、64、128 s四種選擇。超幀長度單位為s,其隨復幀長度和超幀中劃分復幀數(shù)目的變化而變。節(jié)點根據(jù)自己的發(fā)送周期T、超幀內復幀數(shù)目的劃分情況以及復幀的長度,確定在一個超幀的發(fā)送次數(shù)。具有不同發(fā)送周期的節(jié)點在一個超幀內的發(fā)送次數(shù)是不同的,所以可以接入多種不同發(fā)送周期長度的節(jié)點。

圖1 超幀及復幀結構圖Fig.1 Structure diagram of superframe and multiframe

每個復幀的起始為Beacon時隙,用于網(wǎng)關廣播Beacon幀,Beacon時隙的長度與信道參數(shù)的設置(如信道帶寬、擴頻因子、編碼率等)及Beacon幀字節(jié)長度有關,單位為ms。除Beacon時隙之外,復幀內的其余時間又可分為兩部分:競爭時段(Contention Priod,CP)和非競爭時段(Contention Free Priod,CFP)。CP時節(jié)點采用S-ALOHA的方式競爭入網(wǎng)或發(fā)送突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)。CFP時節(jié)點采用TDMA的方式發(fā)送周期業(yè)務數(shù)據(jù)。節(jié)點在一個復幀內只能占用一個TDMA時隙,在一個超幀內發(fā)送多次數(shù)據(jù)的節(jié)點需要占用多個不同復幀的TDMA時隙。CP與CFP的長度比與復幀長度有關,對應關系如表1所示。當復幀長度配置好后,CP與CFP的長度比固定。

表1 復幀長度與CP/CFP時段長度比的對應關系Tab.1 Correspondence between the length of multiframe and the length ratio of CP/CFP time period

1.2.2 時隙結構設計

LoRa網(wǎng)關采用半雙工的工作方式,為了保證網(wǎng)關與節(jié)點之間的正常通信,本文對時隙結構進行了重新設計。如圖2所示,CP將每個S-ALOHA時隙分為兩部分:一部分為上行,用于節(jié)點入網(wǎng)和發(fā)送突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù);另一部分為下行,用于接收來自網(wǎng)關的響應幀。

圖2 S-ALOHA時隙上下行的劃分圖Fig.2 S-ALOHA time slot uplink and downlink partition diagram

如圖3所示,CFP根據(jù)TDMA時隙是否被分配,將其分為兩部分:一部分為已分配出去的TDMA時隙,用于節(jié)點發(fā)送周期業(yè)務數(shù)據(jù),該部分認為節(jié)點一定能成功發(fā)送數(shù)據(jù),所以不需要接收網(wǎng)關的響應幀,因此該部分只用作上行;另一部分為未分配的TDMA時隙,可用于節(jié)點競爭入網(wǎng)或發(fā)送突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù),由于需要接收網(wǎng)關的響應幀,所以節(jié)點在該部分時隙競爭發(fā)送數(shù)據(jù)時,需要占用相鄰的兩個TDMA時隙,前一個用作上行,競爭發(fā)送數(shù)據(jù),后一個用作下行,等待接收網(wǎng)關響應幀。因此在設計時,CFP中的TDMA時隙可根據(jù)具體使用情況,作為上行或下行。

圖3 CFP時段中的TDMA時隙的使用情況Fig.3 Usage of TDMA time slots during the CFP time interval

為了統(tǒng)計TDMA時隙的分配情況,網(wǎng)關以超幀為單位維系一張時隙分配表,表中記錄著節(jié)點與超幀中某些復幀內時隙的占用關系。如果節(jié)點成功預約時隙,網(wǎng)關就會將該節(jié)點與分配時隙的占用關系添加到時隙分配表中。如果網(wǎng)關在連續(xù)兩個超幀的某個時隙沒有收到節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù),那么網(wǎng)關就會釋放該時隙與節(jié)點的占用關系,即回收該時隙,回收了的時隙,網(wǎng)關可以分配給其他的節(jié)點使用。如果網(wǎng)關出現(xiàn)異常,時隙分配表會被強制清空,節(jié)點需要重新申請TDMA時隙。

1.2.3 幀結構改進與節(jié)點工作方式設計

當信道上的周期業(yè)務節(jié)點數(shù)量較少時,CFP內的大部分時隙都沒有被分配,若節(jié)點只能在CP內競爭發(fā)送數(shù)據(jù),信道利用率非常低。為解決這個問題,提出了競爭使用未被分配的TDMA時隙的方法,靈活設定節(jié)點競爭發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙范圍。為此,在Beacon幀內新增一個UnAllocSlot字段,用來告知節(jié)點未被分配的起始TDMA時隙編號。如圖4所示,節(jié)點根據(jù)此字段可在S-ALOHA時隙和未分配的TDMA時隙中競爭發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣不僅可以緩解節(jié)點在CP內碰撞,還可充分利用信道資源,提高信道利用率。

圖4 復幀內可用于競爭發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙分布圖Fig.4 Distribution diagram of time slots available for competitive transmission of data within a multiframe

為了減少周期業(yè)務節(jié)點上行的業(yè)務量、降低碰撞率,本文在入網(wǎng)請求幀中增設了Slot字段,用于告知網(wǎng)關節(jié)點是否預約TDMA時隙或預約數(shù)目的情況,使節(jié)點在入網(wǎng)的同時完成對TDMA時隙的預約。另外,為給節(jié)點分配時隙,在入網(wǎng)響應幀中增設了MultiNum字段和SlotNum字段,MultiNum字段是分配時隙所在的復幀編號,SlotNum字段是相應復幀內具體分配的時隙編號。

為降低節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)而引起的碰撞,提出了分復幀發(fā)送的方法,將同時有發(fā)送需求的節(jié)點分散到一個超幀的不同復幀來發(fā)送數(shù)據(jù),可以有效解決節(jié)點同時爭搶資源而導致的高碰撞率及信道癱瘓的問題。為此,在Beacon幀中增設了MNum字段,用于告知節(jié)點當前所處復幀的編號,以便節(jié)點確認要發(fā)送數(shù)據(jù)的復幀是否到來。

由于本文采用分復幀發(fā)送的方法,所以在一個超幀內劃分的復幀的數(shù)目越多,在碰撞率不超過某個值的情況下,所能接入的節(jié)點數(shù)量就越多,而且節(jié)點平均發(fā)送數(shù)據(jù)的時延就越大,所以在設置超幀內劃分的復幀數(shù)目時,需要權衡考慮接入節(jié)點數(shù)量和時延這兩個因素。在無線抄表的應用場景下,需要接入的節(jié)點數(shù)量比較多且對時延有一定的要求,所以在設置超幀內的復幀數(shù)目時,既要保證能接入更多數(shù)量的節(jié)點,又要盡可能地減小時延帶來的影響,另外綜合考慮復幀長度,將超幀內的復幀數(shù)目最多設置為8個。為此,本文在Beacon幀中增設了一個SMNum字段,用來告知節(jié)點超幀內復幀數(shù)目的劃分情況。將超幀內所劃分的復幀數(shù)目設置為4,即設置為一個相對適中的值,后續(xù)還可以根據(jù)具體情況再次進行修改。

本文還提出了在超幀內復幀數(shù)目固定的情況下,根據(jù)接入節(jié)點數(shù)量,動態(tài)設置復幀長度的方法:當接入節(jié)點數(shù)量較少時,將復幀長度設置為較小的值,以充分利用信道資源;當接入節(jié)點數(shù)量超過該復幀長度所能接入的最大節(jié)點數(shù)量后,將復幀長度設置為相對更大的值,來接入更多的節(jié)點。通過拉長或縮小復幀長度,能靈活地適應接入節(jié)點數(shù)量不穩(wěn)定的場景,從而實現(xiàn)更好的性能。為此,在Beacon幀中增設了Mpriod字段,用于告知節(jié)點所設置的復幀長度。

基于上述功能需求,LoRaWAN中Beacon幀已不再適用,所以重新對Beacon幀的結構進行了設計,設計后的Beacon幀結構如圖5所示。

圖5 重新設計的Beacon幀結構Fig.5 Redesigned Beacon frame structure

圖中,DesAddr字段為廣播地址,SouAddr字段為服務器MAC地址,長度均為4 Byte;Time字段為時間戳,長度為4 Byte,主要用于完成網(wǎng)關與節(jié)點之間的時鐘同步;SMNum字段為超幀內所劃分的復幀數(shù)目,長度為3 bit,SMNum字段值0～7,分別對應超幀內劃分的復幀數(shù)目為1～8;MNum字段為當前所處復幀的復幀編號,長度為3 bit,MNum字段值0～7,分別對應復幀1～8; Mpriod為復幀長度字段,長度為2 bit,Mpriod字段值與復幀長度的對應關系如表2所示;UnAllocSlot字段為未分配的起始TDMA時隙編號,長度為1 Byte;CRC字段為循環(huán)冗余校驗,主要用于對前面的字段的校驗,長度為1 Byte。

表2 Mpriod字段值與復幀長度的對應關系Tab.2 Corresponding relationship between mpriod field value and multiframe length

1.2.4 節(jié)點工作流程設計

無論是周期業(yè)務節(jié)點還是突發(fā)業(yè)務節(jié)點,在發(fā)送數(shù)據(jù)之前都需要先在信道上進行入網(wǎng),入網(wǎng)以后才能向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù),步驟1～6給出了這兩種節(jié)點的入網(wǎng)流程,圖6為對應的入網(wǎng)流程圖。

圖6 節(jié)點入網(wǎng)流程Fig.6 Node networking process

步驟1節(jié)點上電初始化后,在信道上接收網(wǎng)關下發(fā)的Beacon幀,與網(wǎng)關保持時鐘同步。

步驟2節(jié)點在超幀內隨機選擇一個發(fā)送入網(wǎng)請求的復幀M,將節(jié)點分散到一個超幀的不同復幀接入,然后進入休眠。

步驟3休眠時,節(jié)點在每個復幀的Beacon時隙醒來接收Beacon幀,以完成時鐘同步和獲取Beacon幀中的SMNum字段、MNum字段、Mpriod字段及UnAllocSlot字段信息,然后進入休眠。

步驟4復幀M到來,根據(jù)Beacon幀中的UnAllocSlot字段信息,在S-ALOHA時隙以及未分配的TDMA時隙之間隨機選擇一個發(fā)送入網(wǎng)請求的時隙N,然后進入休眠。

步驟5等到相應的時隙到來時,節(jié)點醒來發(fā)送入網(wǎng)請求幀。節(jié)點需要醒來的時隙與時隙N所處的時段有關。如果時隙N位于CFP,節(jié)點需要在時隙N+1處醒來(因為在設計時,時隙編號由復幀的起始到復幀的結束依次減小),檢測信道是否空閑:如果信道空閑,則說明時隙N不是其他節(jié)點的下行時隙,那么節(jié)點可以在時隙N處發(fā)送入網(wǎng)請求幀;否則說明時隙N已被網(wǎng)關用于發(fā)送下行數(shù)據(jù),此時節(jié)點需要跳轉到步驟3,到下一個超幀的相同復幀進行重發(fā)。如果時隙N位于CP,則在時隙N到來時,節(jié)點醒來發(fā)送入網(wǎng)請求幀。

步驟6等待接收來自網(wǎng)關的入網(wǎng)響應幀。節(jié)點發(fā)送完入網(wǎng)請求幀后,如果沒有收到網(wǎng)關的入網(wǎng)響應幀,則說明入網(wǎng)失敗,需要跳轉到步驟3,等到下一個超幀的相同復幀到來時,進行重發(fā);否則,則說明節(jié)點入網(wǎng)成功,結束入網(wǎng)流程。

枸杞子藥材采自寧夏、青海、甘肅、新疆等枸杞子主產區(qū)，共15批（見表1），經中國中醫(yī)科學院中藥資源中心金艷副研究員鑒定為真品。

入網(wǎng)之后,周期業(yè)務節(jié)點和突發(fā)業(yè)務節(jié)點會進入休眠,在休眠時,除了要在發(fā)送數(shù)據(jù)時醒來外,還要在每個復幀的Beacon時隙處醒來接收Beacon幀,以與網(wǎng)關保持時鐘同步,接收完之后會再次進入休眠。當周期業(yè)務節(jié)點所分配的TDMA時隙到來時,節(jié)點醒來發(fā)送周期業(yè)務數(shù)據(jù),發(fā)完之后,節(jié)點進入休眠,等待下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。入網(wǎng)后周期業(yè)務節(jié)點的工作流程如圖7所示。

圖7 入網(wǎng)后周期業(yè)務節(jié)點的工作流程Fig.7 Workflow of periodic business nodes after entering the network

對于突發(fā)業(yè)務節(jié)點,當突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)到來時,節(jié)點發(fā)送突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)的流程與節(jié)點入網(wǎng)流程中的步驟2～6類似,只是將上述步驟中的入網(wǎng)請求幀換為突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)幀、入網(wǎng)響應幀換為ACK幀。另外,為了保證突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)的時效性,突發(fā)業(yè)務節(jié)點只有一次重傳機會,若重傳過后還未發(fā)送成功,則直接丟棄數(shù)據(jù),放棄重傳。在成功發(fā)送數(shù)據(jù)后,節(jié)點會進入休眠,等待下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。入網(wǎng)后突發(fā)業(yè)務節(jié)點的工作流程如圖8所示。

圖8 入網(wǎng)后突發(fā)業(yè)務節(jié)點的工作流程圖Fig.8 Workflow of sudden business nodes after entering the network

2 MAC協(xié)議性能仿真分析

2.1 仿真參數(shù)設置

仿真時,設置信道帶寬為125 kHz,擴頻因子為8,編碼率為4/5,超幀內劃分的復幀數(shù)目為4,Beacon時隙、TDMA時隙和S-ALOHA時隙分別確保能傳輸15、42、61 Byte的數(shù)據(jù),時隙之間及S-ALOHA時隙的上下行之間的保護時間間隔為2 ms,突發(fā)業(yè)務節(jié)點與周期業(yè)務節(jié)點數(shù)量比為1∶1,周期業(yè)務節(jié)點在一個超幀平均發(fā)送兩次數(shù)據(jù),突發(fā)業(yè)務節(jié)點在一個超幀平均發(fā)送一次數(shù)據(jù),第一個超幀只用于節(jié)點入網(wǎng)以及發(fā)送周期數(shù)據(jù),第二個及以后的超幀,用于入網(wǎng)碰撞重傳、發(fā)送周期與突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)以及突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)碰撞重傳。在上述條件下,由式(1)可計算出復幀內各時隙的長度,單位為ms,計算結果如表3所示。

表3 復幀內各時隙時長的劃分情況Tab.3 Division of various time slot durations within a multiframe

(1)

式中:Lb為時隙能傳輸?shù)淖止?jié)長度,Fs為信道采用的擴頻因子,B為信道帶寬,Rc為信道編碼率。

在表3的時隙長度下,長度為16 s和32 s的復幀能劃分的時隙數(shù)目如表4所示。由于在某一復幀長度下,超幀內的TDMA時隙數(shù)目有限,當所有的TDMA時隙都被分配以后,就無法繼續(xù)接入更多數(shù)量的節(jié)點,所以在某一復幀長度下,信道上所能接入的節(jié)點數(shù)量也有限,式(2)給出了在某個復幀長度下,信道能接入節(jié)點數(shù)量最大值的計算公式。

表4 不同長度的復幀內時隙數(shù)目的劃分情況Tab.4 Division of the number of multiframe time slots with different lengths

(2)

基于式(2)可計算出,當復幀長度為16 s時,信道最多可接入292個節(jié)點;當復幀長度為32 s時,信道最多可接入772個節(jié)點。在仿真時,為了充分利用信道資源,實現(xiàn)最佳信道性能,當接入節(jié)點總數(shù)≤292時,復幀長度設置為16 s;當292<接入節(jié)點總數(shù)≤ 772時,復幀長度設置為32 s。

此外,本文主要從碰撞率以及信道利用率兩方面分析本文設計的MAC協(xié)議的性能。在仿真時,碰撞率就是復幀內發(fā)生碰撞的節(jié)點數(shù)量與要競爭發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點總數(shù)的比值,信道利用率是復幀內成功發(fā)送數(shù)據(jù)的總時間與復幀長度的比值,這兩個性能的計算公式分別如式(3)和式(4)所示。另外,在計算這兩個性能時,認為周期業(yè)務節(jié)點在分配的TDMA時隙上一定能成功發(fā)送數(shù)據(jù)。

(3)

式中:Nsum為復幀長度內要競爭發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點總數(shù),Nc為Nsum中發(fā)生碰撞的節(jié)點總數(shù),Nnet為復幀長度內要進行入網(wǎng)的節(jié)點數(shù)量,Nb為復幀長度內要發(fā)送突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)量,Ncr為復幀長度內需要重傳數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)量。

(4)

式中:Tm為復幀長度,Tsu為復幀長度內成功發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的總時間,TB為Beacon時隙的長度,Tp為復幀長度內成功發(fā)送周期業(yè)務數(shù)據(jù)的時間,Tnet為復幀長度內成功入網(wǎng)的時間,Tb為復幀長度內成功發(fā)生突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)的時間,Tcr為復幀長度內成功重傳數(shù)據(jù)的時間。對于P-ALOHA協(xié)議,由于不需要進行時鐘同步,所以Beacon時隙的長度為0。

2.2 仿真結果分析

圖9、圖10分別給出了在上述仿真條件下,當接入節(jié)點總數(shù)為300時,碰撞率以及信道利用率隨節(jié)點接入過程(即從節(jié)點開始入網(wǎng)到所有節(jié)點都接入信道的過程)的變化情況。

圖9 碰撞率隨節(jié)點接入過程變化的曲線圖Fig.9 Curve plot of collision rate changing with node access process

圖10 信道利用率隨節(jié)點接入過程變化的曲線圖Fig.10 Curve plot of channel utilization rate changing with node access process

圖9為本文設計的MAC協(xié)議,其碰撞率隨節(jié)點的不斷接入呈近似階梯型下降,在所有節(jié)點都接入信道后趨于恒定值,這是由于:① 當超幀內的復幀數(shù)目固定時,在一個超幀中,隨著節(jié)點不斷接入,復幀內可用于競爭的TDMA時隙越來越少,所以節(jié)點在復幀1～4內發(fā)生碰撞的概率會逐漸增大;② 由于后一個超幀某個復幀內的節(jié)點主要來自前一個超幀在相同復幀中發(fā)生碰撞的節(jié)點,所以前一個超幀某個復幀內的節(jié)點數(shù)要大于后一個超幀相同復幀內的節(jié)點數(shù),因此相鄰兩個超幀之間碰撞率的差值很大;③ 由于信道上融入了突發(fā)業(yè)務的發(fā)送,所以當所有節(jié)點都入網(wǎng)以后,碰撞率也不會降為0,而是恒定在某個值。

綜合分析圖9和圖10可知,本文設計的MAC協(xié)議通過采用S-ALOHA與TDMA相結合的混合式接入機制、節(jié)點分復幀接入以及競爭使用未分配的TDMA時隙,可以有效降低碰撞率、提高信道利用率以及減少信道進入穩(wěn)定的時間,該MAC協(xié)議的整體性能遠優(yōu)于P-ALOHA協(xié)議。

圖11和圖12分別給出了在上述仿真條件下,所有節(jié)點都進入信道后,碰撞率和信道利用率隨接入節(jié)點總數(shù)的變化情況。當接入的節(jié)點數(shù)量非常少時,無論哪種協(xié)議,信道利用率和碰撞率都非常低,沒有研究意義。由表3可知,發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的最長時間為159 ms,當復幀長度為32 s時,共能劃分200個左右長度為159 ms的時間段。所以在無碰撞的情況下,P-ALOHA協(xié)議在32 s內最多可允許200個左右的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),故仿真時從接入節(jié)點總數(shù)為200時開始研究。

圖11 在所有節(jié)點接入信道以后碰撞率隨接入節(jié)點 總數(shù)變化的曲線圖Fig.11 Curve plot of collision rate changing with the total number of access nodes after all nodes are connected to the channel

圖12 在所有節(jié)點接入信道以后信道利用率隨接入節(jié)點 總數(shù)變化的曲線圖Fig.12 Curve plot of channel utilization rate changing with the total number of access nodes after all nodes are connected to the channel

由圖11和圖12的仿真結果可知,本文設計的MAC協(xié)議與LoRaWAN的P-ALOHA協(xié)議相比,無論接入節(jié)點數(shù)量多或少,都能有效降低碰撞率、提高信道利用率;另外,該協(xié)議還能以較低的碰撞率有效解決P-ALOHA協(xié)議因節(jié)點數(shù)量多而導致的信道崩潰問題,極大提升了LoRaWAN協(xié)議的性能。

3 結論

本文在LoRaWAN MAC層協(xié)議的基礎上,針對無線抄表的應用場景,設計了一種新的MAC協(xié)議。設計該MAC層協(xié)議的難點在于,在降低節(jié)點功耗的同時,保證大量節(jié)點能夠同時進行可靠的傳輸,并能充分利用信道資源。如果不將節(jié)點分復幀接入、劃分專門的TDMA時隙以及充分利用未被分配的TDMA時隙,很難改善大量節(jié)點之間的碰撞問題。仿真結果表明,本文設計的MAC協(xié)議使得LoRaWAN中的P-ALOHA協(xié)議在節(jié)點數(shù)量多時碰撞率高、信道癱瘓的問題得到很好地解決,并顯著提高了信道利用率,很好地拓展了LoRaWAN協(xié)議的應用場景。