基于LoRa 多跳的超遠距離數據傳輸方法

余游旺

（銳捷網絡股份有限公司，福建 福州 350002）

1 場景背景

山體滑坡是山區常見的自然災害，威脅人民的生命財產安全，破壞工程實施，給國家和人民帶來嚴重的損失。西南地區某些大型水電站上游庫區兩岸山體存在多個滑坡體，一旦發生滑坡，可能會導致堰塞湖和10 m 以上的涌浪，威脅下游地區。

所以需要通過在滑坡體重點區域鋪設高精度定位傳感器，同時再把山體上分散的傳感器的數據傳送到營地進行分析。監控滑坡區域內多個滑坡點的蠕變狀態建立蠕變加速度與時間的曲線圖，從而預測滑坡區域的災害風險。山體滑坡監測的區域地理條件復雜，手機幾乎無信號，高山峽谷森林茂密，接收衛星信號不暢，道路條件差，線路架設困難，電源供給困難[9]。

傳統Wi-Fi 網橋方案是每個高精度定位傳感器通過LAN 口與Wi-Fi 模塊相連，然后通過Wi-Fi 傳輸到對面的匯聚點，最終通過兩跳中繼器，傳輸到3.0公里外鄉村的一個道路可達的孤立數據匯聚點。

1.1 方案存在的問題

（1） 數據傳輸不及時，工作人員每隔一周時間，到數據中心，通過U 盤拷貝傳感器數據回營地，導入到監測系統進行分析，從而對災害的預測有較長的滯后性。

（2） 工作員工的安全，從營地到數據匯聚點車程1.5 h 左右，主要是山路，滑坡高發，稍有不測，就可以有生命危險。

1.2 期望

（1） 盡量減少人員上山次數，同時需要及時的回收傳感數據。

（2） 傳感器通過無線的方式，把山體上分散的傳感器數據及時傳回營地。

1.3 面臨的挑戰

（1） 野外現場無電源，設備及產品只能太陽能供電，目前的主流無線傳輸方案如WIFI 傳輸功耗高，無法支撐常態運行。

（2） 野外現場無運營商信號。

（3） 重巒疊嶂，檢測基地距離營地20 km 以上，無線電波的遮擋、反射、衍射嚴重、環境非常復雜。

（4） 進山作業困難，每逢雨季工作人員禁止入山，山路蜿蜒，隨時可能有生命安全。

2 LoRa 窄帶物聯網技術簡介

LoRa 是低功耗廣域網通信技術中的一種，是Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術，是Semtech 射頻部分產生的一種獨特的調制格式。LoRa 這個名字來源于Long Range這個單詞，它的優點之一就是長距離傳輸。

2.1 LoRa 技術優勢之一：長距離覆蓋

LoRa 將信號擴展到噪聲中，接收方只需要知道正交的擴頻序列即可從噪聲中恢復信號。即使信號功率密度低于噪聲25 dB，仍然能夠恢復信號。一臺通訊基站，城區2～3 km 覆蓋半徑、郊區5 km 覆蓋半徑、視距15 km 覆蓋半徑[3]。

2.2 LoRa 技術優勢之二：抗干擾

對于突發/間歇式的干擾，不管干擾多強，只要符合以下條件，LoRa 的靈敏度下降小于3 dB。

a.干擾的時間長度＜LoRa 半個符號長度。

b.干擾的占空比＜50%。

c.對多普勒頻移不敏感，更好的抵抗多徑衰落；對終端位移或者終端周邊位移所產生的通訊干擾不敏感。

但是LoRa 的傳輸速率只有幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長。前面提到LoRa 有著傳輸距離遠的優點。其實，LoRa 是犧牲了空口數據傳輸速率，來達到超遠傳輸距離[1-2]。

3 基于LoRa 多跳的遠距離數據傳輸方法

從第一節可知，我們需要將高精度定位傳感器的數據回傳到營地，距離超過20 km，且所處的環境極其復雜，對于無線電的傳輸會有很大的多徑干擾。而從第二節可知，LoRa 具有很好的長距離覆蓋及抗干擾的特性。故而我們選擇LoRa 技術來實現該場景的遠距離數據傳輸[10]。

另外，高精度定位傳感器數據量較大，災害區域部署的傳感器密度也高，以致要求較高的數據回傳速率。這與LoRa 技術適用于低速率場景是相悖了。為了解決這個問題，需要采用多路LoRa 同時傳輸，以提高回傳速率。

如圖1 所示，整個系統包含采集終端、采集器、中繼器和基站。數據上行通路從采集終端開始，采集終端將定位數據通過有線接口（RS485/RS232/以太網口，取決于采集終端的接口類型）傳輸給采集器，采集器將數據通過LoRa 發送，經過N 個LoRa 中繼器的中繼，數據傳遞給LoRa 基站，LoRa 基站負責將數據轉化為以太網報文發送到機房設備。反之則是數據的下行通路[7]。

圖1 LoRa 遠距離傳輸系統示意

3.1 采集點區域

采集終端是高精度定位終端，負責對采集區域的滑坡數據進行采集[5]，某個采集區域會布置多個采集終端，采集終端數不超過20 個（見圖2）。

圖2 采集點示意

采集終端每小時上報數據總量不超過1.5Mbytes，采集器在收到采集終端上報的數據后，可以選擇直接轉發，如果線路擁擠也可以選擇緩存一小段時間后把多次采集數據打包一起轉發。

3.2 數據傳輸區域

LoRa 基站對采集點進行網絡覆蓋，確保采集點內的采集器能夠將采集數據通過LoRa 網絡回傳到LoRa 基站。

如圖3 所示，每臺LoRa 基站對應一個采集點，對接采集點內的多個采集器，形成點對多點的通訊鏈路。由于每個采集器回傳的最大帶寬需求為1.5Mbyte/h，最大連接20 個采集器，因此每臺LoRa 基站的有效回傳數據負載需求為68.3 Kbps。通過如下公式計算LoRa 的傳輸速率為0.3 kbps～37.5 kbps[4]，舉例見表1。本方案支持1-4 路LoRa 同時回傳，故可以滿足場景需求。

圖3 數據傳輸區域示意

表1 LoRa 傳輸速率

第一臺接收到采集器數據的LoRa 基站認為是該條通訊鏈路上的中繼節點1，通過點對點中繼的方式將數據回傳到上一級中繼節點，并依此類推直至回傳到機房。末端中繼節點部署在機房或者具備公網接入能力的設備附近，直接通過以太網口實現數據回傳，至此完成采集數據的回傳過程。

3.3 機房區域

機房區域需要部署物聯網管理平臺，其承擔如下主要任務：

（1） 網絡管理。南向對整個LoRa 通訊系統進行網絡管理，包含系統內網絡設備的統一配置、射頻優化、接入認證、數據過濾、可視化監控等[6，8]。

（2） 第三方對接。北向輸出統一接口對接第三方業務平臺。

4 實際部署效果

4.1 實際部署方案說明

按照第三節的方案，在實際部署中使用了12 個采集器、3 個中繼器、1 個基站。各級間的距離見圖4。本方案在現場實際部署照片見圖5。

圖4 部署方案示圖

圖5 實際部署照片

4.2 實際效果

12 個高精度定位終端，每個終端每小時生成一個1.5Mbyte 的文件。

回傳性能需求：1.5*1024*8*12/3600=40.96kbps。

云平臺設備管理見圖6。云平臺監控連續不間斷工作一個月，設備無掉線，回傳數據完整無丟包。

圖6 云平臺設備管理

5 結論

本方案適用于地質災害及水情等監測與應急、智慧城市、智慧園區、智慧水務、智慧工區、智慧林業及農牧業等。如今各行業中物聯網技術應用普遍，若遇到了無法依賴運營商及衛星網絡情況下的遠距離數據傳輸的難題就可以考慮使用本研究闡述的數據傳輸方法。