论文总字数：30584字

摘 要

近年来，低功耗无线技术的不断突破和创新为物联网的发展注入了鲜活的动力。除了传统的蓝牙、Zigbee、WiFi等技术在物联网领域进行着激烈的竞争，更有新兴的NB-IoT和LoRa技术迅速崛起。2017年Semtech公司首次推出2.4GHz频段上的LoRa芯片，该芯片的推出为2.4GHz频段上的频谱共享又提出了挑战。Zigbee和LoRa作为在物联网领域最有前景的无线通信技术，它们将有更多的机会共存在2.4GHz的频段上，也因此它们之间的异构并行传输会为彼此带来干扰从而影响网络的通信质量；除此之外，越来越多的LoRa设备的部署会因为同构设备之间并行传输对彼此信号造成干扰，网络的吞吐量不仅得不到提升反而会降低。为了解决异构并发和同构并发的干扰问题，本文提出了基于信号消减和符号能量归类的方案，本方案有效结合两个无线技术物理层的技术特点和差异来对干扰的信号进行分离，使得它们能在复杂的干扰环境中共存。本方案通过软件无线电外设(USRP B210)收发相关信号，然后用matlab对信号进行处理。经过实验验证，本方案能够同时解调互相干扰的LoRa信号和Zigbee信号以及互相干扰的LoRa信号，本解决方案将有助于提升LoRa和Zigbee网络中的吞吐量。

关键词：物联网，无线通信，干扰，并发传输，吞吐量

Abstract

In recent years, the continuous breakthrough and innovation of low-power wireless technology has injected fresh vitality into the development of the Internet of Things. In addition to the traditional Bluetooth, Zigbee, WiFi and other technologies in the field of Internet of fierce competition, the emerging NB-IoT and LoRa technology is rapidly emerging. In 2017, Semtech first introduced the LoRa chip in the 2.4GHz band. The introduction of this chip poses brings challenge for spectrum sharing in the 2.4GHz band. As the most promising wireless communication technology in the field of Internet of Things, Zigbee and LoRa will have more opportunities to coexist in the 2.4 GHz band, so heterogeneous concurrent transmission between them will cause interference to each other and affect the network. In addition, the deployment of more and more LoRa devices will cause interference to each other's signals due to concurrent transmission between homogeneous devices, and the throughput of the network will not be improved but will be reduced. In order to solve the problem of heterogeneous concurrency and isomorphic concurrency, this paper proposes a scheme based on signal reduction and symbol energy classification. This scheme effectively combines the technical characteristics and differences of the physical layers of two wireless technologies to separate the interference signals. And the design allows them to coexist in the complex interference environments. In the program, related signals are sent and received by the software radio peripheral(USRP B210), and we process signals on matlab. After experimental verification, the scheme can simultaneously demodulate the LoRa signals and Zigbee signals and the LoRa signals that interfere with each other. This solution will help improve throughput in LoRa and Zigbee networks.

KEY WORDS: Internet of Things，wireless technology，interference，concurrent transmission，throughput

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 同构并发传输 2

1.2.2 异构并发传输 3

1.2.3 LoRa与Zigbee相关工作 4

1.3 研究目标与内容 5

1.4 论文组织结构 5

第二章 相关技术简介 7

2.1 LoRa技术 7

2.1.1 Chirp spread spectrum（CSS）调制 7

2.1.2 Chirp spread spectrum（CSS）解调 8

2.2 Zigbee技术 10

2.3 并发分析 10

2.3.1 同构并发分析 10

2.3.2 同构并发分析初步验证 11

2.3.3 异构并发分析 12

2.3.4 异构并发分析初步验证 12

第三章 同构并发冲突解决方案 14

3.1 样本扩展 14

3.2 多路解调 15

3.3 符号归类 16

第四章 异构并发冲突解决方案 17

4.1 频谱切片 17

4.2 LoRa帧检测 17

4.3 同步 18

4.4 信号提取 19

4.5 信号重构 19

4.6 信号消减 20

第五章 实验测试 21

5.1 实验平台 21

5.2 实验设计 22

5.2.1 同构并发实验设计 22

5.2.2 异构并发实验设计 22

5.3 实验结果 22

5.3.1 同构并发实验结果 22

5.3.2 异构并发实验结果 24

第六章 总结与展望 26

6.1 总结 26

6.2 展望 26

参考文献 28

致 谢 30

1. 绪论

第一章绪论部分对本文的研究背景、研究场景、研究目的、研究现状、方法概述和研究贡献做了介绍。其中研究现状主要介绍无线通信技术中的同构并发传输和异构并发传输，此外还将介绍本文所研究的LoRa技术和Zigbee技术在并发传输领域上的相关工作。

1.1 研究背景与意义

随着无线技术的需求不断增大，越来越多的无线技术应运而生，现有的无线技术就已经超过10多种。根据各个国家不同的无线通信协议标准它们工作在不同的频段，2.4GHz频段作为无需许可证免费的ISM频段在全球范围内都是通用，其中工作在这个频段的常见无线技术有WiFi、蓝牙、Zigbee、LoRa等。上述异构无线技术共同分享同一频段，这就意味着它们并发通信时产生的信号可能存在互相干扰，除此之外，相同的无线技术并发传输时也会互相干扰，被干扰的无线的信号在接收端无法识别，设备之间的通信质量就会下降，2.4G频段上工作的无线技术都是在我们生活中极为常见的技术，设备部署越来越多，通信量也因此不断攀升，这导致它们发生碰撞的可能性大大增加，所以解决这些异构设备和同构设备之间的并发通信问题来保证设备之间的通信质量成为了一个十分重要的研究方向。

物联网技术的快速发展使得我们在生活中有更多的机会体会到物联网技术给我们带来的服务，这样的发展也意味着物联网设备的部署的规模也越来越大，部署的结构也越来越复杂，无论是同构无线技术的广泛应用还是异构无线技术的快速发展都为物联网的通信网络环境带来了巨大的压力。在智慧城市的建设中，需要各种各样的数据来提取有效的信息，并利用这样的信息来实现各种各样的应用，从而能提供更好的服务。例如大量的共享单车数据发送给基站设备，基站设备将统计的数据提供给上层设备，上层设备通过分析大量数据为单车在城市中提供更加合理的部署方案；公交车的位置信息实时发送给公交总控台方便公交车的监控和调度，能为成千上万的乘客提供便利的交通出行；智能水表定时向总站发送用水信息从而减少了抄表员的工作量等等。而这样服务的基础是需要庞大的数据量来支撑的，海量的数据就需要海量的物联网设备节点提供，那么在这样一个环境中，就会存在成千上万的物联网设备一起工作，因此就会有很大的可能出现多个物联网设备同时向基站传输数据，它们发出来的无线信号在空中相互干扰，基站无法捕捉有效的信息，因此信息丢失和信息出错的情况就十分严重，这样环境下的网络的通信可信度将大大降低。

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