基于LoRa的低能耗物聯網技術研究

郭柯灑

一、引言

LoRa技術是近些年出現的一種劃時代的物聯網技術，具有低成本、低能耗、長通信距離的優點，可應用到生活中的各個領域。目前，LoRa技術主要通過擴頻技術來降低數據的傳輸速度，以達到遠距離傳輸的目的，但是這種情況只適用數據采集較少的情況，在實際問題中，數據采集往往是頻繁的，發送大量的數據給LoRa技術的終端節點能耗帶來了挑戰。因此，如何從工作模式上降低LoRa技術終端節點的能耗，是目前急需解決的問題，對于LoRa技術的應用和推廣具有重大的意義。

二、LoRa技術基礎

（一） LoRa概述

LoRa是Semtech公司推出的LPWAN通信技術，是一種基于擴頻技術的長距離無線傳輸方法，該技術具有長距離通信且低功耗的技術優勢。LoRa與4G和其他付費網絡不同的是它在全球免費ISM頻段上運行，如470等。

LoRa技術適用于各種行業，主要包括電網、城市燃氣管道、城市供水等物聯網系統，同時也適用于各種“智慧”行業，主要包括智慧農業、智慧城市、智慧停車等。LoRa技術基于LoRaWan通訊協議和系統框架，實現長距離、低能耗通信。

（二） LoRa工作模式

LoRa技術有三種工作模式：

（1）Class A：這是LoRa技術最基本的工作模式。當接收由服務器發送的數據時，首先打開用于接收由服務器發送的數據的接收窗口，并在第一接收窗口中沒有接收到數據的情況下，打開第二個接收窗口，以此類推實現LoRa終端和服務器間的雙向通信。

（2）Class B：其與Class A 唯一不同的是可以通過ping 間隙接收從服務器發送的數據，即：LoRa終端可以在特定時間從服務器接收數據，這需要由接收網關的信標實現時間同步。

（3）Class C：此工作模式中，LoRa終端接收數據的窗口總是打開的，會造成多余接收窗口的浪費，終端能耗也相對較高。

（三） LoRa網絡結構

LoRa 網絡結構包括四個部分：終端節點、網關節點、網絡服務器和應用服務器。

終端節點和網關節點之間采用拓撲形式連接，數據通過網關發送到網絡服務器，網絡服務器進行數據的分析，并向LoRa終端發送接收數據的命令。網關節點與網絡服務器采用無線連接，網絡服務器與應用服務器采用有線連接。

三、基于LoRa技術的節能算法研究

LoRa工作系統中，LoRa終端使用壽命決定整個網絡系統生命周期，LoRa終端能耗與LoRa終端的數據傳輸速率成反比。因此，提高終端數據傳輸速率，實現低功耗設計，尤為重要。

通過動態關閉終端不必要的接收窗口來節省能量消耗。通常情況下，Class A模式下，LoRa終端能耗低，但是不常用，Class B模式在現實生活中更加普遍被使用，但是與Class A模式相比，LoRa終端消耗更多能量，所以有必要對終端節能方法進行研究。本文重點研究Class B模式的終端能耗，分析兩種終端接收數據窗口的打開方式，即DTOP機制和DSAB機制，前者終端采用動態關閉多余Ping時隙，來節約能耗；后者終端采用動態暫停接收信號幀的方式，來節約能耗。采用計算的方式，來分析兩種機制，節約能耗的情況。

在實際應用中，Class B模式下，LoRa終端接收服務器發送的數據常受時間限制，接收數據的時間有限。因此，LoRa終端需知道服務器何時傳輸數據，并分析數據大小，關閉多余的接收數據窗口，有效降低LoRa終端能耗。

（一） DTOP機制

DTOP機制是在終端接受數據時，關閉多余ping時隙。Class B模式下，LoRa終端會根據服務器發送數據的大小和信號幀的強度打開合適的ping時隙，接收服務器發送的數據。

Class B模式下，終端接收到信標幀信息后，在Ping偏移處打開ping時隙。如果電池電量充足且信標幀強度值相對較大，則即使終端處于先前的ping周期，終端仍會在服務器接收到數據后打開ping時隙，終端打開額外ping時隙并增加終端功耗。根據LoRa協議，ClassB模式下，當服務器發送的數據較少和信號幀強度較低時，終端也會打開ping時隙，并會造成過多ping時隙的浪費，增加電池能耗。DTOP機制有效解決了過多開放ping時隙而增加功耗的問題。

如圖1所示，接收到信標幀信息后，終端ping偏移時打開ping時隙，以便接收由服務器發送的數據。每次接收服務器發送的數據時，DTOP機制下的終端會判斷服務器發送的數據大小，來判斷終端ping時隙打開個數，同時判斷數據是否接收完成，接收完成，終端將關閉ping時隙。DTOP機制操作流程如下：

（1）LoRa終端根據電池的容量和信號幀的強度打開ping時隙接收接口；

（2）終端對服務器發送的數據進行分析，根據MAC中命令，判斷數據是否接收完成；

（3）數據接收完成后，關閉多余的ping接受窗口；否則，繼續下一個ping時隙接收數據。

（二） DSAB機制

DSAB機制就是可以動態接收數據，有數據打開ping時隙接收數據，沒有數據時，則關閉ping時隙，暫停接收數據。Class B模式中，DSAB機制下的LoRa終端，在接收數據時，通過打開2個信號幀間的ping時隙來接收服務器發送的數據。

接收信標幀信息以在ping時隙內同步接收服務器的傳送的數據。如果服務器暫時不傳輸數據，這種模式將會產生多余的能耗，無疑增加終端的能耗。因此有必要在沒有數據傳送時，關閉多余的信號幀的接收窗口，降低終端的一部分能耗。信號幀的周期是128s，受時間限制，接收數據時，終端與網關間的時間可能發生偏移，這種情形下，終端需設置偏移保護帶，通過擴大ping時隙的接收窗口來接收數據。周期性地接收信標幀信息的終端是終端的能量消耗的一部分，LoRa終端通過擴展信標幀的接收窗口來調整時間偏移。

實際應用中，服務器可能并不總是有數據要發送給終端，因此終端可有效減少打開的窗口以減少能耗。DSAB機制操作流程如下：

四、 結論

通過以上研究與分析，得到以下幾點結論：

（1）在研究LoRa技術基礎上，分析了LoRa的工作模式和網絡結構，明確LoRa具有長距離通信、低成本、功耗低等優點。

（2）通過對LoRa的節約的能耗進行計算，表明想要有效降低功耗，就必須找出終端最大功率，對常用幾種算法比較分析，表明BP神經網絡算法比較適用。

（3）分析了DTOP和DSAB兩種機制的能耗。DTOP機制節約的能耗與關閉的 Ping 時隙的個數成正相關關系，著重增加ping時隙的關閉個數來減少終端能耗；DSAB機制節約的能耗與ping時隙的個數相關，與信號幀周期個數成正比，信號幀周期數越大，終端能耗越低。