LoRa低成本全雙工網關的設計與實現

陳孝松

(浙江理工大學 信息學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

近年來，物聯網開始受到廣泛重視，傳統的無線網絡不適合應用于物聯網業務，因為物聯網的對象只有在需要信息傳輸時，才會去連網嘗試傳輸，其他時間大多是在等待和休眠。當物聯網設備的狀態為休眠時，選擇下線釋放所占用的頻譜資源[1]。

LoRa是一種低功耗廣域物聯網(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)的長距離通信技術，可以解決傳統無線網絡傳輸距離遠和低功耗不可兼得的矛盾[2]。與WiFi[3]，Zigbee，BLE，2G/3G/4G等網絡相比，LoRa技術的最大優點是傳輸距離遠[4]，受其他信號的干擾小[5]。與NB-IoT技術相比，LoRa在功耗和響應時間實時性方面的性能更優[6]。

現在大多數公司采用的LoRa節點是基于Semtech公司提供的SX1278模塊[7]，LoRa網關是基于美國Semtech公司提供的SX1301模塊[8]。由SX1301模塊組成的LoRa網關由于硬件的限制，只能工作在半雙工模式下，即接收和發送不能同時工作。

為了解決這個不足，本文設計了一種全雙工LoRa網關[9]。把低成本的SX1278模塊添加到原始的LoRa網關上，實現了同時接收與發送數據[10-12]。

1 系統架構

1.1 原始LoRaWAN系統

原始LoRaWAN系統架構如圖1所示[13]，LoRa節點由MCU(STM32)和SX1278模塊構成，LoRa網關由樹莓派和模塊SX1301構成，LoRa服務器由LoRa Gateway Bridge，LoRa App Server,LoRa Server構成。

圖1 原始LoRa系統架構

LoRa節點的MCU(STM32)控制SX1278調制解調模塊，只能在一個信道上接收或發送，處于半雙工工作模式[14]。

LoRa服務器LoRa Gateway Bridge負責把LoRa網關的UDP數據包轉換為MQTT數據包發送給LoRa App Server，或者把LoRa App Server的MQTT數據包轉換為UDP數據包發送給網關。LoRa Server負責處理LoRa網絡數據。LoRa App Server負責處理LoRa的應用數據。

LoRa網關的樹莓派(MCU)控制SX1301調制解調模塊，只能在一個信道上接收或發送，也處于半雙工工作模式[15]。

LoRa信號的傳輸時間為前導碼時間加上有效負載時間：

Tpacket=Tpreamble+Tpayload。

(1)

前導碼的傳輸時間為：

Tpreamble=(npreamble+4.25)Tsym，

(2)

有效負載的傳輸時間為：

Tpayload=npayload×Tsym。

(3)

npayload為有效負載符號數，定義如下：

npayload=8+max(ceil(tmp)(CR+4),0),

(4)

(5)

式中，PL為有效負載的字節數，SF表示擴頻因子，H取0或1，DE取0或1，CR為編碼率。

1.2 改進LoRaWAN系統

原始LoRa網關是半雙工網關，在同一時刻，只能接收或發送數據。原始LoRa網關在接收數據時，可以同時接收8個信道的數據；在發送數據時，在同一時間只能在一個信道上發送一個數據包。如圖2所示，在原始LoRa網關加上SX1278模塊后，就成為一個全雙工的網關，上行數據和下行數據在LoRa網關上互不影響，極大的提高了信道利用率。

圖2 改進的LoRa系統架構

2 全雙工LoRa網關的優勢

從成本角度考慮，SX1278模塊是SX1301模塊的幾十分之一，這是提出全雙工網關設計的最大優勢[16]。

從性能角度考慮，原始LoRa網關的SX1301模塊在進行發送數據時，只能在一個信道上發送。SX1301模塊在發送工作模式時，所起到的作用和SX1278模塊一樣。

從可實現角度考慮，針對SX1278模塊和SX1301模塊，芯片廠商已經放出免費和開源的代碼，只需在開源代碼上進行修改，就可以實現功能。

3 設計與實現

網關的硬件連接圖如圖3所示，樹莓派負責控制數據的發送與接收，同一時刻只能有一個模塊和樹莓派進行SPI通信。當LoRa網關接收數據時，SX1301模塊使能，SX1278模塊不使能，樹莓派只和SX1301模塊通信。當LoRa網關發送數據時，SX1278模塊使能，SX1301模塊不使能，樹莓派只和SX1278模塊通信。

圖3 網關硬件連接圖

由此可知，對每一個模塊而言，數據包的傳輸方向是固定的，如圖4所示。對SX1301模塊，只工作在接收模式，接收來自LoRa節點的數據。對SX1278模塊，只工作在發送模式，把數據發送給LoRa節點。圖5為LoRa網關程序流程圖。

圖4 數據包傳輸方向

圖5 LoRa網關程序流程圖

如圖5所示，除了原始LoRa網關程序里具有的上行和下行線程外，改進后的LoRa網關程序另外創建了一個線程用于控制SX1278模塊的數據發送。上行線程從SX1301緩存中讀取數據，上傳至LoRa服務器。下行線程收到LoRa服務器的數據后，不是送至原先的SX1301緩存中，而是存入SX1278緩存中。SX1278處理線程從緩存中讀取到數據后，先對數據包中的時間戳進行合法性判斷，然后定時通過SX1278調制解調模塊發送至LoRa節點。

4 實驗結果與局限性

4.1 實驗結果與性能比較

實驗中，服務器使用內核版本為4.10.0-28-generic的Ubuntu 16.04.2的操作系統。在服務器上部署GO，Redis，PostgreSQL與Node.js開發環境，處理LoRa網絡數據和應用數據。

為了使實驗現象更明顯，所有的LoRa節點在同一個信道上發送，上行信號有效負載字節數PL=50，根據式(1)計算可知，當擴頻因子SF=12，編碼率CR=1，前導碼長度為8時，上行信號傳輸時間為2.794 s。下行信號有效負載字節數PL=20，傳輸時間為1.811 s。上行信號每個節點發送周期20 s，下行信號一個節點接收周期為10 s，上下行信號都不需要確認幀。

圖6為LoRa節點日志記錄，對每種情況，數據包發送總數為1 000個。

圖 6 LoRa節點日志

節點個數與上行信號發送成功率的關系如表1所示，可以看出，在數據量不大的情況(4個節點)和數據量較大的情況(14個節點)，改進的LoRa網關都能起到全雙工的作用。當下行信號發送時，原始的半雙工網關上行信號的發送成功率下降了很多，而改進后的全雙工網關上行信號的發送成功率不受任何影響。

表1 節點個數與上行信號發送成功率的關系

4.2 局限性

原始LoRa網關的SX1301模塊的發送時間同步是芯片完成的，而改進LoRa網關的SX1278模塊的發送時間同步是靠軟件完成的。本實驗的時間同步是在樹莓派Linux系統的用戶態下完成的，Linux系統用戶態和內核態之間的通信有一定的延遲。本實驗網關上的Linux系統因為所運行的程序比較單一，所以Linux系統用戶態和內核態通信的延遲對實驗結果沒影響。但是如果Linux系統運行的程序過多時，就會出現延遲非常大的情況，就會導致發送時間的同步有很大的誤差。如果能把SX1278的發送時間同步在樹莓派Linux系統的內核態中完成，就能把延遲降到最小，時間同步也會更加精確，這是需要進一步做的工作。

5 結束語

本文從實際應用出發，研究和實現了把原始的半雙工LoRa網關改進成全雙工LoRa網關的設計方案。SX1301模塊的成本非常高，而SX1278模塊相對而言成本非常低，把二者結合做成全雙工網關的成本和原始LoRa網關的成本幾乎一樣，而性能卻大幅提升。網關可以發送和接收LoRa上行信號和下行信號。硬件和軟件實現也并不復雜，都是在原來開源代碼的基礎上進行修改。由實驗結果可知，改進后的全雙工LoRa網關可以正常工作，相對原始的半雙工LoRa網關性能提升了，LoRa網絡信道利用率也得到提高。