輕量級LoRa物聯網通訊系統

俞嘯東

摘? 要：針對中小型場景下傳感數據采集的物聯網網絡，本文提出一種輕量級LoRa物聯網通訊系統模型。該網絡系統模型基于LoRa廣域物聯網技術，對基站的通訊芯片方案、無線通訊方式以及關鍵器件和標準協議改進優化。實驗表明該系統模型具有低成本特點，適用于企業或個人快速在確保信號覆蓋范圍和并發量的特性基礎上，快速構建一張廣域物聯通訊網絡用于傳感數據采集的傳輸。

關鍵詞：SX1278混合芯片方案? 低噪聲放大器? Confirmed/unconfirmed機制? 隨機碰撞模型

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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（LPWAN）是近幾年才普及的物聯網通訊技術，其具有超長覆蓋距離、低功耗、大容量的網絡特點，被廣泛用于表計、智慧城市、生產工業等的環境數據采集。LoRa（Long Range）是LPWAN的主流技術之一，是由Semtech公司提供的超長距離、低功耗的物聯網通訊技術，由于其靈活的組網方式成為很多企業用戶的首選物聯網通訊技術方案。目前由Semtech公司和多家業界領先的企業共同組建的LoRa Alliance發布的LoRaWAN標準成為國內LoRa的主流標準[1]。但是LoRaWAN標準適用于覆蓋范圍大、終端數多、通訊并發量較大的場景，如果在中小型傳感數據采集場景中LoRaWAN標準網絡則過于笨重。中小型物聯網環境如漁牧養殖、中小型生產廠房、園區公共設施的監控數據采集等，要求網絡信號覆蓋半徑2km，范圍內的傳感器數量不超過200個;在該場景因傳感終端少導致網絡建設成本主要在基站，而LoRaWAN標準網絡的基站成本較高，使得企業或個人難以負擔建設費用。本文在標準LoRaWAN的基礎上，對基站方案及通用標準加以改進和優化，提出一套新的基于LoRa技術的物聯網通訊系統。實驗表明其具有低成本、覆蓋距離遠、高并發的特性，適用于中小型廣域物聯網場景中的傳感終端數據傳輸。

輕量級LoRa物聯網通訊系統模型采用星形組網架構：LoRa終端將傳感器采集到的數據轉化為LoRa無線通訊方式傳輸到LoRa基站，由LoRa基站接收并回傳到網絡管理平臺（Server），由網絡管理平臺集中處理并轉發到業務軟件平臺。網絡拓撲如圖1。

1? 低成本特性

基站方案改進。中小型物聯網建設成本的核心在基站，其成本主要來源于兩個部分：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基站成本的最大部分，使得整體項目成本提高。所以本文從這一點痛點出發，采用了Semtech公司的SX1278終端級芯片[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。通用標準的LoRa基站對于終端的應答有時延要求，在沒有有線鏈路的環境中基站必須搭載4G模塊作為上行通道以確保時延，而4G模塊的成本較高。因此在本網絡通訊系統中進行優化，采用GPRS通訊模塊作為上行通訊模塊，同時還需要對LoRa的標準進行改進。

經過優化后的輕量級模型的LoRa基站，較標準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LoRa物聯網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 覆蓋優化模型

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

2.1.1 基站側輸出信號強度不足

考慮在基站端增加低噪聲放大器。

采用了低噪聲放大器（LNA）會導致基站側和終端側的RSSI不一致，需要對基站端的RSSI進行校準。校準需要達到輸入相同功率，基站和終端讀出相同的RSSI值，因為只有當基站和終端的RSSI校準到同一起始點，才能做后期上下行性能的分析。

給基站和終端用信號發生器加上相同的輸入，分別記錄校準完的打印數據如下。

（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

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

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

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

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

校準后的數據可以看出，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 基站側下行靈敏度較差，導致上下行數據接收不對稱

由于下行的靈敏度比上行差了4個dB，所以需要下行的發送功率比上行高至少4個dB才能保證覆蓋性能不會被下行性能受限。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稱就行。

終端和基站點對點外場ping包測試數據求均值后可以得到如表1所示。

從統計數據可以看出，下行鏈路預算比上行高106.89-100=6.89dB，達標。

再評估TCXO（晶體振蕩器）對接收靈敏度的提升效果，評估結果如下：

（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。

對比LNA，TCXO的效果不明顯。從經濟效益方面考慮，最終只采用LNA提升基站接收靈敏度。

2.2 實驗結果

為了檢驗覆蓋距離優化的有效性，采用系統模型在外場進行實驗（如圖2所示）。

基站和終端工作調制成工作在非授權的470～510M頻段進行實驗，基站和終端的輸出功率為17dBm，符合國內工信部要求[4]。基站天線高度為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強度和底噪數據，根據采集到的數據反映RSSI信號強度在-100～-108dBm左右，并且上下行的信號強度差距不大。

通用標準的LoRaWAN模型在戶外場景中的覆蓋距離達到2～3km[5];而本文所設計的輕量級LoRa物聯網通訊系統的實驗結果如表2所述，基本達到LoRaWAN覆蓋水平，完全可以滿足中小型物聯網場景中2km半徑的的信號覆蓋要求。

3? 容量評估

3.1 協議優化

Confirmed和unconfirmed：容量評估需要先解決終端與基站通訊過程中的Confirmed和unconfirmed機制[6]。LoRa的基站接收終端數據包的工作過程如圖3所示。

是否需要回TX2的內容，由Server決定，簡略計算只有TX1的模型：

RX=420ms（終端發送Payload=12字節）

RX間隔=1s

TX1=298ms（Payload=0）

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

經過多次測試實驗反饋的結果表明，由于該系統的基站采用GPRS作為上行通訊，帶來了很大的延遲，終端無法使用標準LoRaWAN里默認的1s延遲返回ACK。因此需要對延遲進行改進，經過多次實驗ping包測試，將原有的終端接收延遲改成3s。

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

修改為unconfirmed報文，不要ack后，那么一個SF=10的包占用基站的空口長度為：

T3=420ms

需要注意的是，基站需要進行發送的Radio無法在等待的delay時間里進行別的操作。而LoRa基站用單天線+射頻開關做時分操作，所以限制了兩個Radio都無法進行別的接收操作。

3.2 丟包率評估

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

S=G*e-2G ，P=S/G

S—信道利用率

P—幀成功發送的概率

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

Pure-Aloha的模型仿真如下：

橫坐標為信道利用率，縱坐標為碰撞概率。

時隙-Aloha的模型仿真如圖5。

3.3 容量評估結果

為滿足容量指標，系統模型采用較高的SF10（擴頻因子）進行傳輸，ADR調速關閉，報文格式采用非ack，總共在15min內終端向LoRa基站發送200個包，每個包重傳一次。如表3所示。

實驗表明200個終端的平均丟包率2.3%，能夠滿足中小型物聯網場景的傳感數據采集的容量要求。

4? 結語

本文通過對通用LoRaWAN標準的基站架構和標準協議進行改進，提出一套輕量級LoRa物聯網通訊系統模型。該網絡模型在確保中小型物聯網環境中覆蓋范圍和容量的基礎上，大幅降低了組網建設成本。這套網絡系統適用于企業或個人在中小型場景中建設一套低成本的物聯網網絡，用于前端傳感器數據采集后的網絡傳輸。

參考文獻

[1] 劉琛，邵震，夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術分析與應用建議[J].電信技術，2016（5）：43.

[2] 羅義釗，程樹英，涂靈，等.LoRa技術在低功耗廣域網絡中的實現和應用[J].計算機產品與流通，2018（6）：129-130.

[3] 徐楚橋，孫文磊.基于物聯網的數控車間集成通訊系統的設計[J].制造技術與機床，2016（4）：111-115.

[4] 武志偉，趙振忠，韓文杰，等.物聯網通訊技術在污水處理自動化系統中的應用[J].工業水處理，2019，39（1）：108-109，112.

[5] 荊永震，朱楚楚，蔡高琰，等.LoRa通信在智能用電系統中的應用[J].自動化與儀器儀表，2019（1）：187-190.

[6] 楊揚.基于LoRa物聯網技術的火龍果大棚監控系統的設計與應用[J].計算機測量與控制，2019，27（11）：82-85，129.