基于LoRa的低能耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

郭柯灑

一、引言

LoRa技術(shù)是近些年出現(xiàn)的一種劃時(shí)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低成本、低能耗、長(zhǎng)通信距離的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域。目前，LoRa技術(shù)主要通過擴(kuò)頻技術(shù)來降低數(shù)據(jù)的傳輸速度，以達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康?，但是這種情況只適用數(shù)據(jù)采集較少的情況，在實(shí)際問題中，數(shù)據(jù)采集往往是頻繁的，發(fā)送大量的數(shù)據(jù)給LoRa技術(shù)的終端節(jié)點(diǎn)能耗帶來了挑戰(zhàn)。因此，如何從工作模式上降低LoRa技術(shù)終端節(jié)點(diǎn)的能耗，是目前急需解決的問題，對(duì)于LoRa技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有重大的意義。

二、LoRa技術(shù)基礎(chǔ)

（一） LoRa概述

LoRa是Semtech公司推出的LPWAN通信技術(shù)，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的長(zhǎng)距離無線傳輸方法，該技術(shù)具有長(zhǎng)距離通信且低功耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。LoRa與4G和其他付費(fèi)網(wǎng)絡(luò)不同的是它在全球免費(fèi)ISM頻段上運(yùn)行，如470等。

LoRa技術(shù)適用于各種行業(yè)，主要包括電網(wǎng)、城市燃?xì)夤艿馈⒊鞘泄┧任锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)也適用于各種“智慧”行業(yè)，主要包括智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧停車等。LoRa技術(shù)基于LoRaWan通訊協(xié)議和系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、低能耗通信。

（二） LoRa工作模式

LoRa技術(shù)有三種工作模式：

（1）Class A：這是LoRa技術(shù)最基本的工作模式。當(dāng)接收由服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，首先打開用于接收由服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)的接收窗口，并在第一接收窗口中沒有接收到數(shù)據(jù)的情況下，打開第二個(gè)接收窗口，以此類推實(shí)現(xiàn)LoRa終端和服務(wù)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(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，即：LoRa終端可以在特定時(shí)間從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，這需要由接收網(wǎng)關(guān)的信標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

（3）Class C：此工作模式中，LoRa終端接收數(shù)據(jù)的窗口總是打開的，會(huì)造成多余接收窗口的浪費(fèi)，終端能耗也相對(duì)較高。

（三） LoRa網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LoRa 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分：終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。

終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間采用拓?fù)湫问竭B接，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，并向LoRa終端發(fā)送接收數(shù)據(jù)的命令。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用無線連接，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器采用有線連接。

三、基于LoRa技術(shù)的節(jié)能算法研究

LoRa工作系統(tǒng)中，LoRa終端使用壽命決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生命周期，LoRa終端能耗與LoRa終端的數(shù)據(jù)傳輸速率成反比。因此，提高終端數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，尤為重要。

通過動(dòng)態(tài)關(guān)閉終端不必要的接收窗口來節(jié)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(xiàn)實(shí)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(duì)終端節(jié)能方法進(jìn)行研究。本文重點(diǎn)研究Class B模式的終端能耗，分析兩種終端接收數(shù)據(jù)窗口的打開方式，即DTOP機(jī)制和DSAB機(jī)制，前者終端采用動(dòng)態(tài)關(guān)閉多余Ping時(shí)隙，來節(jié)約能耗；后者終端采用動(dòng)態(tài)暫停接收信號(hào)幀的方式，來節(jié)約能耗。采用計(jì)算的方式，來分析兩種機(jī)制，節(jié)約能耗的情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，Class B模式下，LoRa終端接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)常受時(shí)間限制，接收數(shù)據(jù)的時(shí)間有限。因此，LoRa終端需知道服務(wù)器何時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)大小，關(guān)閉多余的接收數(shù)據(jù)窗口，有效降低LoRa終端能耗。

（一） DTOP機(jī)制

DTOP機(jī)制是在終端接受數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉多余ping時(shí)隙。Class B模式下，LoRa終端會(huì)根據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的大小和信號(hào)幀的強(qiáng)度打開合適的ping時(shí)隙，接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

Class B模式下，終端接收到信標(biāo)幀信息后，在Ping偏移處打開ping時(shí)隙。如果電池電量充足且信標(biāo)幀強(qiáng)度值相對(duì)較大，則即使終端處于先前的ping周期，終端仍會(huì)在服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后打開ping時(shí)隙，終端打開額外ping時(shí)隙并增加終端功耗。根據(jù)LoRa協(xié)議，ClassB模式下，當(dāng)服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)較少和信號(hào)幀強(qiáng)度較低時(shí)，終端也會(huì)打開ping時(shí)隙，并會(huì)造成過多ping時(shí)隙的浪費(fèi)，增加電池能耗。DTOP機(jī)制有效解決了過多開放ping時(shí)隙而增加功耗的問題。

如圖1所示，接收到信標(biāo)幀信息后，終端ping偏移時(shí)打開ping時(shí)隙，以便接收由服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。每次接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，DTOP機(jī)制下的終端會(huì)判斷服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)大小，來判斷終端ping時(shí)隙打開個(gè)數(shù)，同時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否接收完成，接收完成，終端將關(guān)閉ping時(shí)隙。DTOP機(jī)制操作流程如下：

（1）LoRa終端根據(jù)電池的容量和信號(hào)幀的強(qiáng)度打開ping時(shí)隙接收接口；

（2）終端對(duì)服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)MAC中命令，判斷數(shù)據(jù)是否接收完成；

（3）數(shù)據(jù)接收完成后，關(guān)閉多余的ping接受窗口；否則，繼續(xù)下一個(gè)ping時(shí)隙接收數(shù)據(jù)。

（二） DSAB機(jī)制

DSAB機(jī)制就是可以動(dòng)態(tài)接收數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)打開ping時(shí)隙接收數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)時(shí)，則關(guān)閉ping時(shí)隙，暫停接收數(shù)據(jù)。Class B模式中，DSAB機(jī)制下的LoRa終端，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過打開2個(gè)信號(hào)幀間的ping時(shí)隙來接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

接收信標(biāo)幀信息以在ping時(shí)隙內(nèi)同步接收服務(wù)器的傳送的數(shù)據(jù)。如果服務(wù)器暫時(shí)不傳輸數(shù)據(jù)，這種模式將會(huì)產(chǎn)生多余的能耗，無疑增加終端的能耗。因此有必要在沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，關(guān)閉多余的信號(hào)幀的接收窗口，降低終端的一部分能耗。信號(hào)幀的周期是128s，受時(shí)間限制，接收數(shù)據(jù)時(shí)，終端與網(wǎng)關(guān)間的時(shí)間可能發(fā)生偏移，這種情形下，終端需設(shè)置偏移保護(hù)帶，通過擴(kuò)大ping時(shí)隙的接收窗口來接收數(shù)據(jù)。周期性地接收信標(biāo)幀信息的終端是終端的能量消耗的一部分，LoRa終端通過擴(kuò)展信標(biāo)幀的接收窗口來調(diào)整時(shí)間偏移。

實(shí)際應(yīng)用中，服務(wù)器可能并不總是有數(shù)據(jù)要發(fā)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(jī)制操作流程如下：

四、 結(jié)論

通過以上研究與分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在研究LoRa技術(shù)基礎(chǔ)上，分析了LoRa的工作模式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，明確LoRa具有長(zhǎng)距離通信、低成本、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）通過對(duì)LoRa的節(jié)約的能耗進(jìn)行計(jì)算，表明想要有效降低功耗，就必須找出終端最大功率，對(duì)常用幾種算法比較分析，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法比較適用。

（3）分析了DTOP和DSAB兩種機(jī)制的能耗。DTOP機(jī)制節(jié)約的能耗與關(guān)閉的 Ping 時(shí)隙的個(gè)數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，著重增加ping時(shí)隙的關(guān)閉個(gè)數(shù)來減少終端能耗；DSAB機(jī)制節(jié)約的能耗與ping時(shí)隙的個(gè)數(shù)相關(guān)，與信號(hào)幀周期個(gè)數(shù)成正比，信號(hào)幀周期數(shù)越大，終端能耗越低。