利用大区域带外同步实现 LoRa 同步通信

许多新型窄带低功耗广域网(LPWANs)（如 LoRaWAN、Sigfox）选择使用纯 ALOHA 式接入，以降低控制开销并实现异步传输。尽管异步接入降低了物联网设备的能耗，但网络性能在密集部署中受严重的网内干扰影响。相反，同步接入可提升吞吐量与公平性，但需要时间同步。遗憾的是，在窄带 LPWAN 上维持同步会浪费信道时间与传输机会。本文中，我们提出利用带外时间播发使 LoRa 设备相对同步，从而促进资源高效的时隙上行通信。为此，我们概念化并分析了一种协同设计的同步与随机接入机制，其可有效利用提供有限时间精度的技术，如调频广播数据系统(FM-RDS)。在考虑 LoRa 特有参数的同时，我们推导了所提机制的吞吐量，将其与使用带内同步的通用同步随机接入进行比较，并在时间不确定性下设计通信参数。我们通过引入时钟误差模型审视设备的传输时间不确定性，该模型计入同步源、本地时钟、传播延迟与收发器传输时间不确定性的误差。我们利用硬件测量刻画 FM-RDS 的时间不确定性，并开展仿真以评估所提方案。以单小区场景下的成功概率、吞吐量与公平性呈现的结果表明，尽管 FM-RDS 绝对同步精度差，仍可有效用于实现时隙 LoRa 通信，其性能类似于更精确时间播发技术。