LoRa無(wú)線網(wǎng)的好處_用處

LoRa無(wú)線通信協(xié)議的優(yōu)勢(shì)是距離遠(yuǎn)卻能做到低功耗、但最大的不足就是傳輸速率慢、鑒于LoRa的長(zhǎng)距離和低速率，數(shù)據(jù)采集器和iNode無(wú)線節(jié)點(diǎn)，它們可以組織成星型組網(wǎng)，如果保留的slot過(guò)少，需要重新分配slot。

LoRa（Long Rang）無(wú)線通信協(xié)議是一種長(zhǎng)距離的無(wú)線通信技術(shù)，它最大的優(yōu)點(diǎn)是距離遠(yuǎn)（空曠距離可達(dá)15kM），同時(shí)低功耗；當(dāng)然，它也有不足的地方，那就是傳輸速率慢、它最適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，比如在戶外或跨樓宇（多樓層）采集：用水、用電、溫濕度、一氧化碳、煙霧報(bào)警等。

鑒于LoRa的長(zhǎng)距離和低速率，銳米通信設(shè)計(jì)：iDC10（DataConcentrator）數(shù)據(jù)采集器和iNode無(wú)線節(jié)點(diǎn)，它們可以組織成星型組網(wǎng)，一種典型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓樸如上圖所示。

iDC10和iNode基于“單跳”通信，這樣可以節(jié)省iNode寶貴的電能，特別適合于電池供電的場(chǎng)合；iDC10能根據(jù)iNode的數(shù)目、通信速率和負(fù)載將時(shí)間劃分成slot（時(shí)隙），這種時(shí)分復(fù)用的方法可以最大化利用帶寬，避免沖突；iDC10自組織和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)須用戶的配置，簡(jiǎn)單易用。

我們先看一個(gè)“競(jìng)爭(zhēng)與沖突”的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，如下圖所示，有3個(gè)節(jié)點(diǎn)：#i、#j和#k，它們使用LBT（Listen Before Talk）偵聽(tīng)信道空閑的方式“競(jìng)爭(zhēng)”接入網(wǎng)絡(luò)、從通信時(shí)序圖可以直觀地得到2點(diǎn)：

① 沖突帶來(lái)能量的損失，更多的延時(shí)和后續(xù)沖突，如#k本來(lái)想在TI時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)幀，因?yàn)闄z測(cè)到?jīng)_突，它延時(shí)到Tk時(shí)刻才能通信。

②沖突會(huì)浪費(fèi)通信帶寬，當(dāng)LBT檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，它將使用“隨機(jī)延時(shí)退避”算法，這樣一來(lái)通信時(shí)間將被“碎片化”，有一些通信帶寬將無(wú)法得到利用。

時(shí)分復(fù)用的原理如下圖，它是一個(gè)嚴(yán)格的“按部就班”的機(jī)制：通信節(jié)點(diǎn)在分配給自己的slot（時(shí)隙）里發(fā)起通信，通信帶寬得到最好地利用。

時(shí)分復(fù)用技術(shù)也有自己的“軟肋”：

① 擴(kuò)展性不強(qiáng)、隨著加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多，slot將會(huì)更少，因此需要設(shè)計(jì)算法來(lái)保留一部分slot作為“下發(fā)通信和信標(biāo)”使用；如果保留的slot過(guò)少，需要重新分配slot。

② 時(shí)鐘漂移帶來(lái)沖突、盡管晶振在人們的眼中已經(jīng)很“精確”了，但是生產(chǎn)工藝，溫度和老化，還是會(huì)讓個(gè)體產(chǎn)生精度差異、這種漂移會(huì)讓節(jié)點(diǎn)通信發(fā)生沖突，導(dǎo)致時(shí)分復(fù)用算法失敗。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，銳米通信巧妙地使用了“安全距離”算法，它根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和時(shí)鐘最大漂移系數(shù)來(lái)計(jì)算slot的合理值、在校時(shí)方面，設(shè)計(jì)了“節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上傳”的秒級(jí)校時(shí)，“采集器喚醒”和“信標(biāo)幀”的毫秒級(jí)校時(shí)。

iDC10在喚醒iNode通信中使用了LoRa的CAD（Channel AcTIvity DetecTIon）功能，它是實(shí)現(xiàn)LBT技術(shù)的節(jié)能利器、如下圖所示，CAD分成2個(gè)階段：IDDR：從空中捕獲一個(gè)symbol時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)，功耗與RX模式相等，即12mA；IDDC：分析這個(gè)symbol信號(hào)，檢查信道是否空閑，功耗是RX模式的一半（關(guān)閉了RF，僅數(shù)字計(jì)算）。

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，很多情況下節(jié)點(diǎn)都在“白白偵聽(tīng)”（隨時(shí)準(zhǔn)備喚醒進(jìn)入RX狀態(tài)，而實(shí)際上信道空閑）而消耗能量，誰(shuí)能“盡可能快”地偵聽(tīng)，誰(shuí)就更節(jié)能。

根據(jù)我們的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，使用CAD快速偵聽(tīng)，比單純?nèi)ソ邮找粋€(gè)地址是否是自己的數(shù)據(jù)幀，要節(jié)省3～4倍的電能。

iDC10和iNode的網(wǎng)絡(luò)組織僅需要一次，且自動(dòng)完成、只有一個(gè)條件，先將iDC10上電，配置好參數(shù)（如：iNode數(shù)目，上報(bào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，上報(bào)時(shí)間間隔等）、將各iNode上電后，它們會(huì)主動(dòng)與iDC10申請(qǐng)入網(wǎng)，這時(shí)是“競(jìng)爭(zhēng)”模式，原理如下圖所示。

一旦組織好網(wǎng)絡(luò)后，iDC10和iNode將保存網(wǎng)絡(luò)信息，不受重新上電的影響、同時(shí)，有些iNode會(huì)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，iDC10將維護(hù)分配和回收網(wǎng)絡(luò)地址。

當(dāng)iNode將采集的傳感器數(shù)據(jù)按“自身slot”時(shí)刻傳送到iDC10后，iDC10將“透明轉(zhuǎn)交”給用戶系統(tǒng)，再由用戶系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和加工。