隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展,接入互聯(lián)網(wǎng)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每年都迎來(lái)井噴式的增長(zhǎng),為了滿足物聯(lián)網(wǎng)終端的及時(shí)響應(yīng)以及節(jié)省帶寬的消耗,業(yè)界對(duì)此提出霧計(jì)算（Fog Computing）的概念,并成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。而LoRaWAN作為當(dāng)今最流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一,如何對(duì)它進(jìn)行霧計(jì)算的改造具有很大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。將霧計(jì)算與LoRaWAN進(jìn)行結(jié)合,根據(jù)其三層式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),主要思路是把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器從云端下移到網(wǎng)關(guān),使更靠近終端的網(wǎng)關(guān)成為霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)。然而實(shí)際情況下網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)網(wǎng)關(guān),多網(wǎng)關(guān)的改造面臨著穩(wěn)定性和協(xié)同性的挑戰(zhàn)。針對(duì)這些問(wèn)題,本文開(kāi)展了理論分析、方法研究和仿真驗(yàn)證等工作,主要內(nèi)容如下:（1）針對(duì)網(wǎng)關(guān)計(jì)算能力不足和霧端數(shù)據(jù)難以共享的問(wèn)題,引入FogFlow霧計(jì)算框架,通過(guò)對(duì)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)在軟件和硬件方面的升級(jí),將普通網(wǎng)關(guān)改造為胖網(wǎng)關(guān)（Fat Gateway）,設(shè)計(jì)了面向霧計(jì)算的LoRaWAN（Fog-Based LoRaWAN,FB-LoRaWAN）系統(tǒng),增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)的計(jì)算能力的同時(shí)保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的可用性。（2）針對(duì)多網(wǎng)關(guān)改造過(guò)程中面臨的網(wǎng)關(guān)選擇問(wèn)題,基于混合整數(shù)線性規(guī)劃的理論,提... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

邊緣網(wǎng)關(guān)與LoRaWAN結(jié)合的架構(gòu)[12]

第一章緒論3霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)；第二種，把網(wǎng)關(guān)當(dāng)作霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)。LoRa終端到網(wǎng)關(guān)的傳輸距離遠(yuǎn)，LoRa網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的連接是基于IP鏈路，為了保留這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)融入霧計(jì)算的設(shè)計(jì)，又不想改變LoRaWAN的原有架構(gòu)，第一種方案提出邊緣網(wǎng)關(guān)（EdgeGateway）。如圖1-1所示，與傳統(tǒng)物理網(wǎng)架構(gòu)不同的是，Sarker等人[12]增加了一層輔助的邊緣網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以收集不同的信息，并通過(guò)低功耗藍(lán)牙（BluetoothLowEnergy，BLE），nRF或IPv6把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壘W(wǎng)關(guān)。邊緣網(wǎng)關(guān)通常配備有高計(jì)算能力的硬件，固定在某個(gè)地方并使用插座電源或大電池，因此邊緣網(wǎng)關(guān)能夠執(zhí)行復(fù)雜的算法，同時(shí)保持長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。前端的傳感數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行處理，再將處理結(jié)果進(jìn)行壓縮，最后通過(guò)LoRa鏈路將壓縮和匯總的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)。圖1-2網(wǎng)關(guān)改造成霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)的LoRaWAN架構(gòu)[13]在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)位于終端和云端之間，目前只具備消息中繼的能力。要讓LoRaWAN具有霧計(jì)算的能力，第二種方案就是對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行改造。如圖1-2所示，Kuaban等人[13]保持LoRaWAN的整體架構(gòu)不變，在LoRa網(wǎng)關(guān)處添加樹(shù)莓派這樣的微型計(jì)算機(jī)，一邊作為霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)提前處理網(wǎng)關(guān)側(cè)的數(shù)據(jù)，一邊開(kāi)放WiFi接口讓第三方連接，直接在霧端獲取服務(wù)。在這種設(shè)計(jì)下，即使云端連接不可用，仍然可以保證LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。第一種方案放棄了對(duì)LoRa終端的大量使用，相當(dāng)于舍棄了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低的優(yōu)勢(shì)，不適合用于現(xiàn)有LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)向霧計(jì)算模式的轉(zhuǎn)變。

第二章相關(guān)技術(shù)概述9寬提供較高的靈敏度，但數(shù)據(jù)速率較低，較低的BW也需要更精確的晶體。數(shù)據(jù)以與帶寬相等的芯片速率發(fā)送，125KHz的帶寬對(duì)應(yīng)于125kcps的碼片速率。雖然帶寬可以在7.8kHz到500kHz的范圍內(nèi)選擇，但典型的LoRa網(wǎng)絡(luò)在500kHz、250kHz或125kHz的帶寬下工作（BW500、BW250和BW125）。（5）編碼率。LoRa采用循環(huán)糾錯(cuò)編碼進(jìn)行前向錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)（FEC）。編碼率是由LoRa調(diào)制解調(diào)器使用的FEC速率，它提供對(duì)突發(fā)干擾的保護(hù)，可以設(shè)置為4/5、4/6、4/7或4/8。一個(gè)更高的編碼率提供更多的保護(hù)，但增加了在空中的時(shí)間。具有不同編碼率的無(wú)線電如果使用顯式報(bào)頭，則仍然可以彼此通信，因?yàn)橛行лd荷的編碼率存儲(chǔ)在分組的報(bào)頭中，而分組的報(bào)頭總是以CR4/8編碼的。綜合上述參數(shù)，LoRa通信的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍芈士捎上率剑?-1）計(jì)算：2bSFBWRSFCR(2-1)通信參數(shù)的選擇會(huì)影響通信性能。最值得注意的是，不同的參數(shù)選擇會(huì)影響傳輸范圍和抗干擾能力。另外，參數(shù)選擇對(duì)設(shè)備的能量消耗有很大的影響。在大多數(shù)情況下，由于節(jié)點(diǎn)由電池供電，因此希望在通信性能和能耗之間取得平衡，這是最大化使用壽命的目標(biāo)。2.1.3LoRa中國(guó)區(qū)域的信道劃分每個(gè)地區(qū)的LoRa調(diào)制特性定義在LoRaWAN區(qū)域參數(shù)文檔中，可以從LoRaAlliance獲得[16]。如圖2-1所示，在中國(guó)470MHz頻段（CN470），定義了96個(gè)帶寬為125kHz的LoRa上行通道，編號(hào)從0到95，數(shù)據(jù)速率從250bps到5470bps不等，使用編碼速率4/5，從470.3MHz開(kāi)始，以200KHz的步進(jìn)大小線性增加到489.3MHz。還有48個(gè)帶寬為125kHz的LoRa上行通道，編號(hào)從0到47，數(shù)據(jù)速率從250bps到5470bps不等，使用編碼速率4/5，從500.3MHz開(kāi)始，以200KHz的步進(jìn)大小線性增加到509.7MHz。圖2-1CN470-510信道頻率[16]


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