輕量級(jí)LoRa物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)

俞嘯東

摘? 要：針對(duì)中小型場(chǎng)景下傳感數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，本文提出一種輕量級(jí)LoRa物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)模型。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型基于LoRa廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)基站的通訊芯片方案、無線通訊方式以及關(guān)鍵器件和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議改進(jìn)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)模型具有低成本特點(diǎn)，適用于企業(yè)或個(gè)人快速在確保信號(hào)覆蓋范圍和并發(fā)量的特性基礎(chǔ)上，快速構(gòu)建一張廣域物聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò)用于傳感數(shù)據(jù)采集的傳輸。

關(guān)鍵詞：SX1278混合芯片方案? 低噪聲放大器? Confirmed/unconfirmed機(jī)制? 隨機(jī)碰撞模型

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（a）-0143-04

Abstract： Aiming at the IoT network of sensing data acquisition in small and medium-sized scenarios， this paper proposes a lightweight communications system of the LoRa IoT.Based on LoRa wide-area internet of things technology， the network system model improves and optimizes the communication chip scheme，wireless communication mode， key devices and standard protocols. Experiments show that the system model has the characteristics of low cost and is suitable for enterprises or individuals to construct a wide-area object-connected communication network for sensing data acquisition.

Key Words： The scheme of SX1278 hybrid chip; Low-noise amplifier; The confirmed/unconfirmed mechanism; The model of the random collision

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）是近幾年才普及的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，其具有超長覆蓋距離、低功耗、大容量的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，被廣泛用于表計(jì)、智慧城市、生產(chǎn)工業(yè)等的環(huán)境數(shù)據(jù)采集。LoRa（Long Range）是LPWAN的主流技術(shù)之一，是由Semtech公司提供的超長距離、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，由于其靈活的組網(wǎng)方式成為很多企業(yè)用戶的首選物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)方案。目前由Semtech公司和多家業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)共同組建的LoRa Alliance發(fā)布的LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)成為國內(nèi)LoRa的主流標(biāo)準(zhǔn)[1]。但是LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)適用于覆蓋范圍大、終端數(shù)多、通訊并發(fā)量較大的場(chǎng)景，如果在中小型傳感數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景中LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)則過于笨重。中小型物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境如漁牧養(yǎng)殖、中小型生產(chǎn)廠房、園區(qū)公共設(shè)施的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集等，要求網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋半徑2km，范圍內(nèi)的傳感器數(shù)量不超過200個(gè);在該場(chǎng)景因傳感終端少導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本主要在基站，而LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的基站成本較高，使得企業(yè)或個(gè)人難以負(fù)擔(dān)建設(shè)費(fèi)用。本文在標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN的基礎(chǔ)上，對(duì)基站方案及通用標(biāo)準(zhǔn)加以改進(jìn)和優(yōu)化，提出一套新的基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明其具有低成本、覆蓋距離遠(yuǎn)、高并發(fā)的特性，適用于中小型廣域物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中的傳感終端數(shù)據(jù)傳輸。

輕量級(jí)LoRa物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)模型采用星形組網(wǎng)架構(gòu)：LoRa終端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為LoRa無線通訊方式傳輸?shù)絃oRa基站，由LoRa基站接收并回傳到網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)（Server），由網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)集中處理并轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務(wù)軟件平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。

1? 低成本特性

基站方案改進(jìn)。中小型物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本的核心在基站，其成本主要來源于兩個(gè)部分：通訊芯片方案和無線通訊模塊。

（1）通訊芯片方案。LoRaWAN采用Semtech公司提出SX1301+SX1255的組合[2];該芯片方案組合占據(jù)基站成本的最大部分，使得整體項(xiàng)目成本提高。所以本文從這一點(diǎn)痛點(diǎn)出發(fā)，采用了Semtech公司的SX1278終端級(jí)芯片[3]。此芯片原為Semteck定義為在終端LoRa通訊芯片，在本方案中將兩顆SX1278進(jìn)行合并處理以替代原有的SX1301+SX1255組合，制作出混合芯片方案的超低成本基站。

（2）無線通訊方式。通用標(biāo)準(zhǔn)的LoRa基站對(duì)于終端的應(yīng)答有時(shí)延要求，在沒有有線鏈路的環(huán)境中基站必須搭載4G模塊作為上行通道以確保時(shí)延，而4G模塊的成本較高。因此在本網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化，采用GPRS通訊模塊作為上行通訊模塊，同時(shí)還需要對(duì)LoRa的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)。

經(jīng)過優(yōu)化后的輕量級(jí)模型的LoRa基站，較標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN基站綜合成本大幅下降80%以上（LoRaWAN基站的通訊芯片方案加4G模組約合人民幣650元，輕量級(jí)LoRa物聯(lián)網(wǎng)基站通訊芯片方案加無線通訊模組約合人民幣100元）。

2? 覆蓋距離

2.1 覆蓋優(yōu)化模型

基站采用了終端級(jí)SX1278芯片混合方案，將導(dǎo)致基站的覆蓋距離影響。原因分析和解決方案如下。

2.1.1 基站側(cè)輸出信號(hào)強(qiáng)度不足

考慮在基站端增加低噪聲放大器。

采用了低噪聲放大器（LNA）會(huì)導(dǎo)致基站側(cè)和終端側(cè)的RSSI不一致，需要對(duì)基站端的RSSI進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)需要達(dá)到輸入相同功率，基站和終端讀出相同的RSSI值，因?yàn)橹挥挟?dāng)基站和終端的RSSI校準(zhǔn)到同一起始點(diǎn)，才能做后期上下行性能的分析。

給基站和終端用信號(hào)發(fā)生器加上相同的輸入，分別記錄校準(zhǔn)完的打印數(shù)據(jù)如下。

（1）基站端。

--Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -138 snr -10

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -138 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

（2）終端。

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -139 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

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-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -139 snr -13

校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)可以看出，基站和終端同樣采用的是SX1278，加上LNA后有3dB±1dB的接收靈敏度提升。

2.1.2 基站側(cè)下行靈敏度較差，導(dǎo)致上下行數(shù)據(jù)接收不對(duì)稱

由于下行的靈敏度比上行差了4個(gè)dB，所以需要下行的發(fā)送功率比上行高至少4個(gè)dB才能保證覆蓋性能不會(huì)被下行性能受限。而基站的輸出功率為27dBm，終端為17dBm，所以只要盡可能保證天線的上下行對(duì)稱就行。

終端和基站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)外場(chǎng)ping包測(cè)試數(shù)據(jù)求均值后可以得到如表1所示。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，下行鏈路預(yù)算比上行高106.89-100=6.89dB，達(dá)標(biāo)。

再評(píng)估TCXO（晶體振蕩器）對(duì)接收靈敏度的提升效果，評(píng)估結(jié)果如下：

（1）LNA提升了3dBm左右的接收靈敏度。

（2）TCXO提升了1dBm的接收靈敏度。

對(duì)比LNA，TCXO的效果不明顯。從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，最終只采用LNA提升基站接收靈敏度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)覆蓋距離優(yōu)化的有效性，采用系統(tǒng)模型在外場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖2所示）。

基站和終端工作調(diào)制成工作在非授權(quán)的470～510M頻段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基站和終端的輸出功率為17dBm，符合國內(nèi)工信部要求[4]?；咎炀€高度為2.5m，天線增益2dBi;終端高度1.5m，天線無增益;基站與終端之間視距為2.2km，分別采集上行和下行信號(hào)強(qiáng)度和底噪數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)反映RSSI信號(hào)強(qiáng)度在-100～-108dBm左右，并且上下行的信號(hào)強(qiáng)度差距不大。

通用標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN模型在戶外場(chǎng)景中的覆蓋距離達(dá)到2～3km[5];而本文所設(shè)計(jì)的輕量級(jí)LoRa物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所述，基本達(dá)到LoRaWAN覆蓋水平，完全可以滿足中小型物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中2km半徑的的信號(hào)覆蓋要求。

3? 容量評(píng)估

3.1 協(xié)議優(yōu)化

Confirmed和unconfirmed：容量評(píng)估需要先解決終端與基站通訊過程中的Confirmed和unconfirmed機(jī)制[6]。LoRa的基站接收終端數(shù)據(jù)包的工作過程如圖3所示。

是否需要回TX2的內(nèi)容，由Server決定，簡(jiǎn)略計(jì)算只有TX1的模型：

RX=420ms（終端發(fā)送Payload=12字節(jié)）

RX間隔=1s

TX1=298ms（Payload=0）

T1=420ms+1s+298ms=1718ms

經(jīng)過多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)反饋的結(jié)果表明，由于該系統(tǒng)的基站采用GPRS作為上行通訊，帶來了很大的延遲，終端無法使用標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN里默認(rèn)的1s延遲返回ACK。因此需要對(duì)延遲進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)ping包測(cè)試，將原有的終端接收延遲改成3s。

T2=420ms+3s+298ms=3718ms

修改為unconfirmed報(bào)文，不要ack后，那么一個(gè)SF=10的包占用基站的空口長度為：

T3=420ms

需要注意的是，基站需要進(jìn)行發(fā)送的Radio無法在等待的delay時(shí)間里進(jìn)行別的操作。而LoRa基站用單天線+射頻開關(guān)做時(shí)分操作，所以限制了兩個(gè)Radio都無法進(jìn)行別的接收操作。

3.2 丟包率評(píng)估

丟包率是由LoRa的空口碰撞產(chǎn)生的。LoRa的空口碰撞模型采用Pure-Aloha模型如圖4，即隨機(jī)碰撞模型，符合泊松分布：

S=G*e-2G ，P=S/G

S—信道利用率

P—幀成功發(fā)送的概率

由于終端采用LBT（Listen Before Talk），所以容量會(huì)介于時(shí)隙aloha與純aloha之間。

Pure-Aloha的模型仿真如下：

橫坐標(biāo)為信道利用率，縱坐標(biāo)為碰撞概率。

時(shí)隙-Aloha的模型仿真如圖5。

3.3 容量評(píng)估結(jié)果

為滿足容量指標(biāo)，系統(tǒng)模型采用較高的SF10（擴(kuò)頻因子）進(jìn)行傳輸，ADR調(diào)速關(guān)閉，報(bào)文格式采用非ack，總共在15min內(nèi)終端向LoRa基站發(fā)送200個(gè)包，每個(gè)包重傳一次。如表3所示。

實(shí)驗(yàn)表明200個(gè)終端的平均丟包率2.3%，能夠滿足中小型物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的傳感數(shù)據(jù)采集的容量要求。

4? 結(jié)語

本文通過對(duì)通用LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的基站架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，提出一套輕量級(jí)LoRa物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)模型。該網(wǎng)絡(luò)模型在確保中小型物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中覆蓋范圍和容量的基礎(chǔ)上，大幅降低了組網(wǎng)建設(shè)成本。這套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)適用于企業(yè)或個(gè)人在中小型場(chǎng)景中建設(shè)一套低成本的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，用于前端傳感器數(shù)據(jù)采集后的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

參考文獻(xiàn)

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