低功耗廣域LoRa技術(shù)研究及在高原藏區(qū)的相關(guān)應(yīng)用探索

白宇嘉 尼瑪扎西

摘要：隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)不斷得到改進(jìn)和更新。但是，仍然存在許多問題。因此，基于擴(kuò)頻的無線通信技術(shù)LoRa已經(jīng)出現(xiàn)，其低功耗和廣泛覆蓋非常適合于大規(guī)模部署網(wǎng)絡(luò)。高原藏區(qū)地廣人稀，氣候環(huán)境相對(duì)復(fù)雜多變，在物聯(lián)網(wǎng)部署方面，對(duì)硬件和技術(shù)的要求更嚴(yán)格，鑒于 LoRa技術(shù)的特點(diǎn)，該文旨在探討該技術(shù)在青藏高原的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);高原藏區(qū);應(yīng)用探索

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）34-0021-02

1 LoRa技術(shù)

LoRa（Long Rang）技術(shù)是Semtech于2013年8月發(fā)布的基于1 GHz以下的新型非授權(quán)頻譜。超遠(yuǎn)程，低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有低功耗，長距離，低成本和大覆蓋范圍。該技術(shù)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，與業(yè)界其他先進(jìn)的Sub-GHz芯片相比，接收靈敏度為-148 dBm。最高接收靈敏度提高了20 dB以上，確保了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。它不僅可部署在私有網(wǎng)絡(luò)，還可部署在公開網(wǎng)絡(luò)。LoRa采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率策略，最大網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)速率，輸出功率，帶寬和擴(kuò)頻因子[1]。它具有低至10 mA的接收電流和低于200 nA的休眠電流，從而縮短電池壽命并延長電池壽命。理論上，終端設(shè)備可以使用5號(hào)電池超過10年。低功耗從而延長了電池壽命、增加了網(wǎng)絡(luò)容量。

LoRa采用線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，鏈路預(yù)算高達(dá)157dB，通信距離可達(dá)15km。LoRa網(wǎng)絡(luò)工作在未經(jīng)許可的頻段。LoRa信號(hào)對(duì)于建筑物來說也非常具有穿透力，這些技術(shù)更適合低成本，大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由終端節(jié)點(diǎn)（內(nèi)置LoRa模塊），網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器組成[2]。LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是典型的星形拓?fù)洌?dāng)實(shí)現(xiàn)長距離連接時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間信息的交互可直接進(jìn)行，更好地減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和能量損耗。

為了促進(jìn)LoRa技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化使用，LoRa聯(lián)盟于2015年3月宣布成立，是一個(gè)開放的非營利組織。我們高度重視生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，與產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)合作，積極推動(dòng)LoRa技術(shù)的商業(yè)化[3]。到目前為止，該聯(lián)盟擁有超過330個(gè)成員，包括IBM，思科，中興和其他世界級(jí)制造商。經(jīng)過三年物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的深入研究，LoRa取得了豐碩成果。根據(jù)目前的公開數(shù)據(jù)，全球有16個(gè)國家正在部署LoRa網(wǎng)絡(luò)，56個(gè)國家正在開始試點(diǎn)。其中，荷蘭的運(yùn)營商KPN Telecom和韓國的SK Telecom建立了覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡(luò)。2016年年初，在 LoRa聯(lián)盟的支持下，中國 LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（ CLAA， China Lora Application Alliance）由中興通訊發(fā)起成立，其成員由低功耗，覆蓋國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)，機(jī)構(gòu)和組織組成。CLAA積極推動(dòng)LoRa技術(shù)在中國的開發(fā)和應(yīng)用，并建立符合國內(nèi)環(huán)境的多服務(wù)共享，低成本，廣泛覆蓋和運(yùn)營的LoRa物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[4]。在東方測(cè)控，中國電力港，中國之星測(cè)控等眾多公司的參與下，CLAA將進(jìn)一步加大力度推動(dòng)LoRa技術(shù)在中國的應(yīng)用。LoRa聯(lián)盟的許多成員都加入了公司。預(yù)計(jì)它將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域形成巨大優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造更多奇跡。目前可以看到的公共應(yīng)用是由國內(nèi)AUGTEK公司在京杭大運(yùn)河上建設(shè)的LoRa網(wǎng)絡(luò)（智能通道）[5]。

2 LoRa技術(shù)在高原藏區(qū)的應(yīng)用探索

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，如 Wifi，藍(lán)牙， ZigBee等相對(duì)成熟的無線技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)非常適合需要具有低功耗，長距離，大容量和可定位跟蹤的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[6]。西藏自治區(qū)主要產(chǎn)業(yè)之一是畜牧業(yè)，牧區(qū)面積廣闊，牧區(qū)草場植被茂盛，牧民家庭牦牛等牲畜數(shù)量相對(duì)較多。高原藏區(qū)地廣人稀，氣候環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)相關(guān)硬件及技術(shù)要求較其他地區(qū)而言有所不同，結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)， LoRa技術(shù)能很好地適應(yīng)高原地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，尤其是在更高海拔、環(huán)境更惡劣的地區(qū)使用。

西藏高原牧區(qū)作為地球的第三極，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是自治區(qū)首要任務(wù)之一，所以對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)需求甚至超越了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境是一個(gè)必須考慮的關(guān)鍵問題。

目前智慧牧業(yè)的發(fā)展過程中如何高效精確地識(shí)別自然環(huán)境的變化都是智能制造、智慧牧業(yè)良好的體現(xiàn)點(diǎn)。通過 LoRa網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)牧區(qū)植被生長情況的監(jiān)測(cè)和植被覆蓋情況的預(yù)估以及對(duì)牦牛的定位跟蹤，將監(jiān)控區(qū)域自然環(huán)境的定期水文、水質(zhì)等相關(guān)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過終端進(jìn)行回傳。以便管理者做出判斷將牦牛等牲畜放牧到草場茂盛的區(qū)域，讓相對(duì)稀疏的草場得到很好的生長。最大化地利用草場資源，以保護(hù)高原草場資源。讓牦?？梢蚤L期處于優(yōu)質(zhì)的草場，以便達(dá)到草場環(huán)境的保護(hù)和植被的利用以及牦牛生長的互利互贏的效果。并對(duì)牧區(qū)牲畜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，時(shí)刻了解其動(dòng)態(tài)位置信息，以便牧民對(duì)其數(shù)量進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

針對(duì)藏區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，可通過低成本 LoRa技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過每7公里左右直徑范圍內(nèi)部署一臺(tái) LoRa基站，可以完美得解決牧區(qū)場景下低頻數(shù)據(jù)回傳的弊端點(diǎn)，最終達(dá)到人員投入少，精確飼養(yǎng)的目的，生態(tài)環(huán)境得到很好的保護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)了畜牧業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。生態(tài)系統(tǒng)競爭是低功耗物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵，而LoRa技術(shù)擁有完整的生態(tài)系統(tǒng)。所以可以說LoRa技術(shù)與生態(tài)系統(tǒng)競爭的完美契合[7]。

3 結(jié)束語

高原藏區(qū)作為全國生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，在當(dāng)前智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧牧業(yè)建設(shè)社會(huì)大背景下，在西藏的未來建設(shè)規(guī)劃中，智慧也將尤為重要，但西藏在建設(shè)智慧方面必須將生態(tài)環(huán)境的保護(hù)作為首要考慮的因素之一。并且結(jié)合西藏地區(qū)的自然環(huán)境的特征，在建設(shè)智慧城市、智慧牧區(qū)當(dāng)中，不是每一項(xiàng)技術(shù)都適用于本地區(qū)的特點(diǎn)。在無線通信技術(shù)的選取上，LoRa技術(shù)的特點(diǎn)無疑非常好的契合了西藏地區(qū)的自然環(huán)境特點(diǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求。因此，LoRa技術(shù)是西藏智慧城市和智能牧區(qū)發(fā)展中無線通信技術(shù)選擇的不錯(cuò)選擇。

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