文摘
罗拉技术广泛应用于物联网网络应用程序。它使小批量数据传输通过小型无线设备。罗拉网络的原则(LPWAN技术:低功率广域网)是由空气传输数据从传感器短传输范围,大约在十公里。这些传感器不应由电力驱动,和电池电力。医院是不可避免的,但目前的进步沟通可以减少医院的负担与远程使用这些无线传感器(在家)治疗。因此,使用LoRaWAN协议可以极大地促进病人诊断医生和病人之间传输数据的实时和以最小的能源消耗。这项工作的目标是建立一个多次反射物联网包含大量的传感器网络基于罗拉上行沟通。这项工作对能源消耗和多次反射物联网网络的数据包交付率。仿真结果表明,该方法可以降低能耗50%,提高了数据包交付率2%相比,现有的艺术状态。
1。介绍
物联网(物联网)正在经历相当大的科学在多个领域扩张,促进了对象之间的信息交换,硬件和软件资源(1- - - - - -5]。技术进步在物联网领域的发展使各种应用,如精准农业(PA)、智能城市、资产跟踪、医疗保健、和许多更多6,7]。大多数这些应用程序需要远程通信与低数据率等特点,部署成本低、功耗低、安全管理(8- - - - - -11]。因此,短程无线电技术不是很适合宽覆盖应用程序。广泛的数据采集对象已经参与广泛的应用程序明显考虑远程通信与低能耗,延长网络寿命,而无需人工干预(11]。因此,这些不断增长的需求导致了低功率的出现广泛的区域网络(LPWANs)。LPWAN是一种无线通信定位作为连接服务商为物联网应用程序或蜂窝网络。事实上,移动解决方案的优势提供长连接,但能源密集型(11,12]。LPWAN技术经历了相当大的经济增长,因为它有一组有趣的功能其中我们可以提到可伸缩的部署、能量效率高、低管理和运营成本。事实上,LPWAN技术可以构建网络由成千上万的对象与长期(几公里)13]。图1(11]提供了一个架构LPWAN技术,促进物联网应用程序的数量的增加。你可以看到全景的功能在不同的层作为许多应用程序的附加价值。在文献中,有几个许可和无照LPWAN技术,其中,最常用的解决方案是LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT [11,14]。
LoRaWAN LPWAN-based通信解决方案,旨在利用远程,低成本,低功耗中心辐射型网络(15]。LoRaWAN网络包括三个基本要素如下:终端,网关,然后链接到服务器,如图2。此外,安全(端到端加密在各种通信)是一个重要的元素在LoRaWAN考虑解决方案。这样一个LoRaWAN网络由对象的配备传感器或执行器,使用罗拉物理层与[交换消息16网关。
远程医疗和远程病人监控的概念,能注意到研究人员近年来(7]。实际上,智能家居配备几个对象能够远程监控一个或更多的病人现在似乎是一个有趣的解决方案。具体来说,这种技术可以替代监测残疾人,隔离,慢性病患者。物联网提供了一个环境的对象连接到基于云的应用程序和服务,与不同的合作机制,适当的标准化,以低成本和低功耗微处理器和先进传感器(17,18]。根据图3,LoRaWAN被认为是最好的物联网解决方案基于医疗监控系统由于其通信范围广和完善物联网传感器之间的互操作性。
在这项工作中,我们解释了多次反射与罗拉设备通信协议在大规模区域同时确保确定性和智能的选择必须重定向的网关设备保证提交的信息,例如,一个服务器实时信息处理的同时最小化的能量。
这个协议发生在两个阶段。第一阶段由网络细分成不同的层和第二阶段期间,每个设备选择上行通信的中继网关。
我们提出了一个分层的多次反射的聚类方法构建大规模网络。为此,我们认为理之间的通信设备是可靠的。该算法试图最小化能量消耗花费在层的形成。我们得到一个可接受的数据包交付率和发送的消息数量非常低。此外,该协议是节能的方式扩展物联网设备电池寿命时间,它有一个线性时间复杂度是一个实时的物联网应用程序资产。
本文的其余部分组织如下:部分2提出了一种先进的一些罗拉协议,给出了问题的数学公式3,我们的方法提出了部分4节中,并给出了实验结果5,最后,给出了结论和未来工作的部分6。
2。回顾文献
2.1。罗拉和LoRaWAN
长期(罗拉)是Semtech扩频调制技术,专有通信标准,使远程,单跳通信。罗拉技术,可以解码传输19.5分贝的噪声地板(21- - - - - -23]。这种技术允许多个数量的消息的接收通道,正交信号之间的分离。这提供了一个优势的管理流程。
罗拉的特点是,它提供了一个改进的标准如科幻小说(扩散因子),TP(传动功率),CR(编码率)和BW(带宽)关系由方程(1)[23- - - - - -25]。
这项技术是基于ISM(工业、科学和医疗)乐队的分布频率和规定根据不同地区的世界。两个主要用于频率868 MHz在欧洲和北美915 MHz。这个物理层依赖于另一个扩频调制(SSM)称为线性调频扩频(CSS)利差基本信号在一个给定的频域和增加带宽,目的是增加抵抗干扰,降低能耗和集成一个纠错代码。这种类型的调制,广泛用于雷达应用在过去,现在是低速通信所必需的。在传输过程中,扩频因子可调并实施初步搜索优化值根据不同的标准。滤波器通带,实际上,从一个固定的高科幻直接意味着增加范围和传输延迟符号表示的秒。后者可以计算使用公式(2)。另一方面,还在科幻很高的情况下,通信系统将比特率降低,但具有更好的接收灵敏度。公式(1)提出了最终流量之间的关系和扩散因子(26]。
在罗拉,有几种类型的设备,其中我们可以提到以下几点:终端、网关、服务器、应用程序服务器,并加入服务器;罗拉的布局架构是由图给出4。
LoRaWAN是一个健壮的解决方案与其他LPWANs竞争通过了罗拉的优势技术,同时对电池寿命产生强烈的影响,网络负载能力、服务质量和安全性。LoRaWAN网络组织根据恒星的恒星拓扑。提出了网络的通信是双向而明显偏向上行传输向集中器(15]。这个组织,如图4,实际上是由许多的集中器传递信息从节点接收到一个中央服务器使用GSM或以太网协议的大部分时间。中央服务器可以消除重复接收到各种各样的集中器和管理节点的流量,以优化网络的容量和延长无线设备的自主权。
2.2。多次反射在罗拉通讯网络
在[22),作者提出了一个算法,解决三个主要标准网络中的负载平衡,减少之间的跳数根,和一个终端和连接问题,使用更快的吞吐量(更高的科幻小说)连接插入的每个节点离根与由上而下的广度优先搜索算法(TBFS)。本协议使用远程通讯子树的形成,需要更高的扩频因子,因此额外的能源消耗。
在[24),作者提出了新多次反射LoRaWAN网络聚类算法。这种方法分为两个步骤。第一个允许形成层和第二个允许选择根通信的网关。层形成的协议修改添加元素的初始结构层识别的网关。的过程是由根发送一个广播的跳跃数0为第一层的识别。这一层的元素的答案让他让另一个扩散层通过由层的识别0。图层1发送一个答案,因此收益过程直到获得所有的层。选择是由每个网关的RSSI除了这一层低于一个节点。它比较的方法28]。它还提出了一种方法在罗拉,LoRaWAN多次反射的交流。这种方法因此允许远程终端之间的良好的沟通。然而,该层形成机制是非常乏味的层数时非常高,会消耗大量的时间和精力。
在[29日),一个协议,维护连接使用多次反射和覆盖网络通信。评估等参数是由扩散因子和数据包接收率。这个协议显示了如何在智能城市,罗拉的使用技术与多次反射通信可以节省能源、保证网络覆盖,和良好的连接。然而,扩频因子的使用仍然是非常高的。这就增加了节点的能量消耗。
在[30.),建议使用一个简单的继电器装置增加LoRaWAN覆盖区域的农村地区。通过了解作者建议部署中继节点不受网关的位置。作者提出了一个简单的消息货代和同步机制。他们表明,能源消耗减少的中继节点传递数据包。这种方法可以节省能源通过最小化重发和提高网络连接速度。然而,该协议只适用于最多2啤酒花。这对可伸缩性不允许。
在[31日),作者提出一个传输协议(并发传输),收益由洪水多次反射通信的网络设计。数据包的传输是通过发送相同的数据包以同步的方式,从而提高网络的效率,解决数据包碰撞的问题。尽管这个协议提高了多次反射网络的效率和健壮的碰撞,它导致一个巨大的能源消费由于众多相同的消息通过网络播放。
3所示。问题公式化
我们考虑 设置网络的网关,DV = 罗拉终端的设置需要分散的网络层,和 层形成的网络。我们寻求改善的操作大规模LPWANs通过考虑多目标问题(节能层的形成和智能选择最好的网关)。选择最好的网关是由 ou。(1) 是网关的设置决定如下: (2)f是每个终端的目标函数与网关。
这个问题是制定的约束如下:(1)让是一个二进制值,表明设备的承认到网关 。(2) 。(3) , 。
4所示。多次反射上行沟通的方法
在本节中,我们提出一个有效的方法在罗拉多目标路由网络基于层聚类。这种方法分为两个步骤。第一个是成层,第二个是选择最好的网关路由数据根。
4.1。假设
(1)节点随机部署在一个广场上表面(2)为每个设备传输广播都是一样的(3)网关部署在一个确定的方式,以确保部署的覆盖区域4.2。层的形成
每个网关层的形成有以下参数:(1)id代表了网关的标识符(2) 是网关所属的层数(3) 包含的id网关到达根网关
我们定义了三种类型的消息层的形成。迪勒(发现信息层)和印度(发现信息接受),包含的字段层数,是跳的数量从根网关,节点的标识符传输DIA或消息,最后,一个包含转发网关对根的标识符。DIN(直接信息通知)消息包含的字段的标识符传输网关,包含标识符的中继网关到根,和包含形成网络的层数。
根网关启动DIA的广播消息的盖子字段设置为0,表明分层过程的开始。一旦收到消息说,每个网关启动一个DIA消息表明消息已经收到,并再次启动一个消息说,这一次的盖子数量增加了1和跳数设置为1。然后设置一个计时器t等待,直到这一次的结束。如果它已经收到了另一个消息,它生成一个迪勒消息并将其传输到中继网关。
否则,它会生成一个迪勒消息,并将其转发给它的中继网关,从而认为自己是分层树的叶节点。这个过程不断重复,直到层n−1从层接收迪勒n迪勒传送层n−2,等等,直到迪勒分布到根。这将允许根网关知道网络中形成的层数。算法1执行所有的网关的网络层的形成。
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这种方法的一个例子是呈现在图5。根网关中心的图(紫色)说明了层的形成。其他网关在绿色、红色和蓝色的颜色是第一层,第二层,第三层网关,分别。
4.3。网关选择
这一步由明智地选择一个网关层能够根网关路由信息。层形成完成后,每个网关将发出一个广播消息告诉每个设备网关层,上部和/或者较低的层,它可以访问的地方。每个节点将计算其目标函数来确定哪个网关应该选择减少能源消耗成本。算法2执行的所有终端设备为选定的网关。 RSSI(接收信号强度指示)接收到的信号强度,科幻小说(扩散因子)和是网关的层数, 。
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对于每个网关接收到的消息,设备评估目标函数f。它会因此选择层网关,网关的最大价值f。
5。结果
仿真是进行一系列i5处理器使用LoRaSim与4 GB的RAM。LoRaSim是一个离散事件模拟基于SimPy罗拉网络和分析模拟碰撞的可伸缩性。他们的模拟器和描述的模型能量(32]。
仿真参数图中列出6。
图7显示了一个比较能源消耗的RPL, Farooq, LoRaWan协议。我们可以观察到,我们的协议优于他人的消费50%,70%,和80%低于Farooq协议(24,28)和LoRaWan。
图9显示发送的消息数量层形成过程的网络。我们看到,相比Farooq协议,发送的消息数量保持不变,不管网络中形成的层数。这证明根网关发送相同数量的消息层的形成网络的大小。所以,这也证明了这个协议适用于大规模的网络。
图10显示发送的消息数量层形成过程的网络。我们看到,相比Farooq协议,发送的消息数量保持不变,不管网络中形成的层数。这证明中间网关发送相同数量的信息形成的层网络的大小。因此,网络的可伸缩性不影响中间网关发送的消息。
文献综述的协议发送太多的消息的根网关以及中间的网关,这表明毫无疑问,这个协议非常高的能源消耗在网络层的形成。
6。结论
在本文中,我们提出了一个低功率与罗拉技术系统。这个系统可以用来监测病人的生理参数来确定他的医学情况,为了预测疾病的加重病人和减少住院的时间和成本,尤其是Covid流行病的传播。我们的结果显示很好的效率的系统,与自治收益乘以2。改善研究工作正在进行中。
数据可用性
没有基础数据收集或产生了在这个研究。
伦理批准
这篇文章不包含任何与人类参与者或动物研究由作者。
同意
知情同意是获得所有个体参与者包括在这项研究中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。