超越ALOHA的LoRa：替代随机接入协议研究

我们提出一个基于随机几何的模型，以研究LoRaWAN——一种被广泛采用的物联网（IoT）低功耗广域网络（LPWAN）技术——的替代介质接入选择。LoRaWAN的采用由其简化的网络架构、空中接口和介质接入所驱动。称为LoRa的物理层通过扩频因子（SFs）和时功率捕获增益提供准正交虚拟信道。然而，所采用的纯ALOHA接入机制在相同信道相同SF的大量设备传输下，在可扩展性方面表现不佳。本文中，我们的目标是探索LoRaWAN超越ALOHA的接入机制。利用近期关于LoRa时域和功率捕获效应的结果，我们开发了一个统一模型，用于对其他选择即时隙ALOHA和载波侦听多址接入（CSMA）进行比较研究。该模型包含这些接入机制的必要设计参数，例如时隙ALOHA的保护时间和同步精度、CSMA的载波侦听阈值。它还考虑了LoRa特有的环形区域中设备的空间交互（对CSMA而言）。由模型推导出的覆盖概率、信道吞吐量和能量效率方面的性能使用蒙特卡洛仿真进行了验证。我们的分析表明，时隙ALOHA确实比纯ALOHA具有更高的可靠性，但代价是在低设备密度下能量效率较低。而CSMA在较小SF下在可靠性和能量效率方面优于时隙ALOHA，其在较高SF下性能退化为纯ALOHA。