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       在LoRa應用中，信道容量的問題一直被反復討論。關于一個應用中應該使用LoRaWAN網(wǎng)絡還是私有網(wǎng)絡，如何分配信道和擴頻因子，到底這個網(wǎng)絡中可以支持多少節(jié)點，如何規(guī)劃協(xié)議和信道可以有更好的信道容量和穩(wěn)定性，這些問題在許多讀者眼中一直是一筆糊涂賬。下面的內容會從理論出發(fā)，根據(jù)LoRa的具體特點分析原理并給出計算方法和信道網(wǎng)絡規(guī)劃策略。

一、多址協(xié)議

       LoRa網(wǎng)絡主要應用形式為星狀網(wǎng)絡結構，其中心為網(wǎng)關，每個終端設備與網(wǎng)關通信。如果多個終端設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生多個終端設備的數(shù)據(jù)幀在物理信道上相互重疊，使得接收端無法正確接收。為了有效地進行通信，就需要有某種機制來決定資源的使用權，這就是網(wǎng)絡的多址接入控制問題。

      多址接入控制協(xié)議（MultipleAccessControlProtocol）就是在一個網(wǎng)絡中，解決多個用戶如何高效共享一個物理鏈路資源的技術。

      如圖8-20所示，從分層的角度來看，多址技術是數(shù)據(jù)鏈路層的一個功能，由媒體訪問控制MAC層負責。

圖8-20多址鏈路層示意圖

 

       MAC層將有限的資源分配給多個用戶，從而使得在眾多用戶之間實現(xiàn)公平、有效地共享有限的帶寬資源；實現(xiàn)各用戶之間良好的連通性，獲得盡可能高的系統(tǒng)吞吐量，以及盡可能低的系統(tǒng)時延。

       邏輯鏈路控制（LLC）子層為本節(jié)點提供了到其鄰節(jié)點的“鏈路”；MAC子層協(xié)調本節(jié)點和其他節(jié)點有效地共享帶寬資源。

      本書第2章介紹的Chirp調制為LoRa的物理層；第3章介紹的空口協(xié)議部分也是LoRa的MAC層。

1.多址協(xié)議的分類

        多址協(xié)議主要分為固定多址接入?yún)f(xié)議、隨機多址接入?yún)f(xié)議和基于預約方式的多址接入?yún)f(xié)議，如圖8-21所示。

        固定多址接入是指在用戶接入信道時，專門為其分配一定的信道資源（如頻率、時隙、碼字或空間），用戶獨享該資源，直到通信結束。固定多址接入的優(yōu)點在于可以保證每個用戶之間的“公平性”（每個用戶都分配了固定的資源）以及數(shù)據(jù)的平均時延。典型的固定多址接入?yún)f(xié)議有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）等。

        隨機多址接入是指用戶可以隨時接入信道，并且可能不會顧及其他用戶是否在傳輸。當信道中同時有多個用戶接入時，在信道資源的使用上就會發(fā)生沖突（碰撞）。對于有競爭的多址接入?yún)f(xié)議，如何解決沖突，使所有碰撞用戶都可以成功進行傳輸是一個非常重要的問題。典型的隨機多址接入?yún)f(xié)議有ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA。

圖8-21多址接入?yún)f(xié)議分類

 

        基于預約的多址接入?yún)f(xié)議，是指在數(shù)據(jù)分組傳輸之前，先進行資源預約。一旦預約到資源（如頻率、時隙），則在該資源內可進行無沖突的傳輸。

2.固定多址接入?yún)f(xié)議

1）FDMA

       FDMA技術按照頻率來分割信道，即給不同的用戶分配不同的載波頻率以共享同一信道。

       FDMA技術是模擬載波通信、微波通信、衛(wèi)星通信的基本技術，也是第一代模擬移動通信的基本技術。

在FDMA系統(tǒng)中，信道總頻帶被分割成若干間隔相等且互不相交的子頻帶（地址），每個子頻帶分配給一個用戶，每個子頻帶在同一時間只能供一個用戶使用，相鄰子頻帶之間無明顯的干擾，如圖8-22所示。

圖8-22FDMA信道示意圖

2）TDMA

       TDMA技術按照時隙來劃分信道，即給不同的用戶分配不同的時間段以共享同一信道。

       在TDMA系統(tǒng)中，時間被分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙（地址）。無論幀或時隙都是互不重疊的。然后，根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個設備在每幀內只能按指定的時隙向網(wǎng)關發(fā)送信號，如圖8-23所示。

圖8-23TDMA信道示意圖

 

3）CDMA

      CDMA技術按照碼序列來劃分信道，即給不同的用戶分配一個不同的編碼序列以共享同一信道。