基于LoRa 多跳的超遠距離數(shù)據(jù)傳輸方法

余游旺

（銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，福建 福州 350002）

1 場景背景

山體滑坡是山區(qū)常見的自然災(zāi)害，威脅人民的生命財產(chǎn)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(qū)某些大型水電站上游庫區(qū)兩岸山體存在多個滑坡體，一旦發(fā)生滑坡，可能會導(dǎo)致堰塞湖和10 m 以上的涌浪，威脅下游地區(qū)。

所以需要通過在滑坡體重點區(qū)域鋪設(shè)高精度定位傳感器，同時再把山體上分散的傳感器的數(shù)據(jù)傳送到營地進行分析。監(jiān)控滑坡區(qū)域內(nèi)多個滑坡點的蠕變狀態(tài)建立蠕變加速度與時間的曲線圖，從而預(yù)測滑坡區(qū)域的災(zāi)害風(fēng)險。山體滑坡監(jiān)測的區(qū)域地理條件復(fù)雜，手機幾乎無信號，高山峽谷森林茂密，接收衛(wèi)星信號不暢，道路條件差，線路架設(shè)困難，電源供給困難[9]。

傳統(tǒng)Wi-Fi 網(wǎng)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?shù)綄γ娴膮R聚點，最終通過兩跳中繼器，傳輸?shù)?.0公里外鄉(xiāng)村的一個道路可達的孤立數(shù)據(jù)匯聚點。

1.1 方案存在的問題

（1） 數(shù)據(jù)傳輸不及時，工作人員每隔一周時間，到數(shù)據(jù)中心，通過U 盤拷貝傳感器數(shù)據(jù)回營地，導(dǎo)入到監(jiān)測系統(tǒng)進行分析，從而對災(zāi)害的預(yù)測有較長的滯后性。

（2） 工作員工的安全，從營地到數(shù)據(jù)匯聚點車程1.5 h 左右，主要是山路，滑坡高發(fā)，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(shù)，同時需要及時的回收傳感數(shù)據(jù)。

（2） 傳感器通過無線的方式，把山體上分散的傳感器數(shù)據(jù)及時傳回營地。

1.3 面臨的挑戰(zhàn)

（1） 野外現(xiàn)場無電源，設(shè)備及產(chǎn)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(tài)運行。

（2） 野外現(xiàn)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(huán)境非常復(fù)雜。

（4） 進山作業(yè)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(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

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

2.1 LoRa 技術(shù)優(yōu)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(fù)信號。即使信號功率密度低于噪聲25 dB，仍然能夠恢復(fù)信號。一臺通訊基站，城區(qū)2～3 km 覆蓋半徑、郊區(qū)5 km 覆蓋半徑、視距15 km 覆蓋半徑[3]。

2.2 LoRa 技術(shù)優(yōu)勢之二：抗干擾

對于突發(fā)/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(chǎn)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(yōu)點。其實，LoRa 是犧牲了空口數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸方法

從第一節(jié)可知，我們需要將高精度定位傳感器的數(shù)據(jù)回傳到營地，距離超過20 km，且所處的環(huán)境極其復(fù)雜，對于無線電的傳輸會有很大的多徑干擾。而從第二節(jié)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(shù)來實現(xiàn)該場景的遠距離數(shù)據(jù)傳輸[10]。

另外，高精度定位傳感器數(shù)據(jù)量較大，災(zāi)害區(qū)域部署的傳感器密度也高，以致要求較高的數(shù)據(jù)回傳速率。這與LoRa 技術(shù)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(tǒng)包含采集終端、采集器、中繼器和基站。數(shù)據(jù)上行通路從采集終端開始，采集終端將定位數(shù)據(jù)通過有線接口（RS485/RS232/以太網(wǎng)口，取決于采集終端的接口類型）傳輸給采集器，采集器將數(shù)據(jù)通過LoRa 發(fā)送，經(jīng)過N 個LoRa 中繼器的中繼，數(shù)據(jù)傳遞給LoRa 基站，LoRa 基站負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)報文發(fā)送到機房設(shè)備。反之則是數(shù)據(jù)的下行通路[7]。

圖1 LoRa 遠距離傳輸系統(tǒng)示意

3.1 采集點區(qū)域

采集終端是高精度定位終端，負責對采集區(qū)域的滑坡數(shù)據(jù)進行采集[5]，某個采集區(qū)域會布置多個采集終端，采集終端數(shù)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(shù)據(jù)總量不超過1.5Mbytes，采集器在收到采集終端上報的數(shù)據(jù)后，可以選擇直接轉(zhuǎn)發(fā)，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(shù)據(jù)打包一起轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域

LoRa 基站對采集點進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，確保采集點內(nèi)的采集器能夠?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)通過LoRa 網(wǎng)絡(luò)回傳到LoRa 基站。

如圖3 所示，每臺LoRa 基站對應(yīng)一個采集點，對接采集點內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸區(qū)域示意

表1 LoRa 傳輸速率

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

3.3 機房區(qū)域

機房區(qū)域需要部署物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，其承擔如下主要任務(wù)：

（1） 網(wǎng)絡(luò)管理。南向?qū)φ麄€LoRa 通訊系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)管理，包含系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一配置、射頻優(yōu)化、接入認證、數(shù)據(jù)過濾、可視化監(jiān)控等[6，8]。

（2） 第三方對接。北向輸出統(tǒng)一接口對接第三方業(yè)務(wù)平臺。

4 實際部署效果

4.1 實際部署方案說明

按照第三節(jié)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(xiàn)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(shè)備管理見圖6。云平臺監(jiān)控連續(xù)不間斷工作一個月，設(shè)備無掉線，回傳數(shù)據(jù)完整無丟包。

圖6 云平臺設(shè)備管理

5 結(jié)論

本方案適用于地質(zhì)災(zāi)害及水情等監(jiān)測與應(yīng)急、智慧城市、智慧園區(qū)、智慧水務(wù)、智慧工區(qū)、智慧林業(yè)及農(nóng)牧業(yè)等。如今各行業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用普遍，若遇到了無法依賴運營商及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)情況下的遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題就可以考慮使用本研究闡述的數(shù)據(jù)傳輸方法。