方案 | 经典的LoRa无线节能组网

LoRa无线通信协议的优势是距离远却能做到低功耗、但最大的不足就是传输速率慢、鉴于LoRa的长距离和低速率,数据采集器和iNode无线节点,它们可以组织成星型组网,如果保留的slot过少,需要重新分配slot。

一、 典型的LoRa无线网络

LoRa(Long Rang)无线通信协议是一种长距离的无线通信技术,它最大的优点是距离远(空旷距离可达15kM),同时低功耗;当然,它也有不足的地方,那就是传输速率慢、它最适合无线传感器网络,比如在户外或跨楼宇(多楼层)采集:用水、用电、温湿度、一氧化碳、烟雾报警等。

鉴于LoRa的长距离和低速率,锐米通信设计:iDC10(DataConcentrator)数据采集器和iNode无线节点,它们可以组织成星型组网,一种典型的无线网络拓朴如上图所示。

iDC10和iNode基于“单跳”通信,这样可以节省iNode宝贵的电能,特别适合于电池供电的场合;iDC10能根据iNode的数目、通信速率和负载将时间划分成slot(时隙),这种时分复用的方法可以最大化利用带宽,避免冲突;iDC10自组织和维护网络,无须用户的配置,简单易用。

二、 带宽的最大化利用

我们先看一个“竞争与冲突”的网络通信协议,如下图所示,有3个节点:#i、#j和#k,它们使用LBT(Listen Before Talk)侦听信道空闲的方式“竞争”接入网络、从通信时序图可以直观地得到2点:

① 冲突带来能量的损失,更多的延时和后续冲突,如#k本来想在TI时刻发送数据帧,因为检测到冲突,它延时到Tk时刻才能通信。

②冲突会浪费通信带宽,当LBT检测到冲突时,它将使用“随机延时退避”算法,这样一来通信时间将被“碎片化”,有一些通信带宽将无法得到利用。

时分复用的原理如下图,它是一个严格的“按部就班”的机制:通信节点在分配给自己的slot(时隙)里发起通信,通信带宽得到最好地利用。

时分复用技术也有自己的“软肋”:

① 扩展性不强、随着加入网络的节点越来越多,slot将会更少,因此需要设计算法来保留一部分slot作为“下发通信和信标”使用;如果保留的slot过少,需要重新分配slot。

② 时钟漂移带来冲突、尽管晶振在人们的眼中已经很“精确”了,但是生产工艺,温度和老化,还是会让个体产生精度差异、这种漂移会让节点通信发生冲突,导致时分复用算法失败。

为应对上述挑战,锐米通信巧妙地使用了“安全距离”算法,它根据节点数目和时钟最大漂移系数来计算slot的合理值、在校时方面,设计了“节点主动上传”的秒级校时,“采集器唤醒”和“信标帧”的毫秒级校时。

三、 最佳的节能设计

iDC10在唤醒iNode通信中使用了LoRa的CAD(Channel AcTIvity DetecTIon)功能,它是实现LBT技术的节能利器、如下图所示,CAD分成2个阶段:IDDR:从空中捕获一个symbol时长的信号,功耗与RX模式相等,即12mA;IDDC:分析这个symbol信号,检查信道是否空闲,功耗是RX模式的一半(关闭了RF,仅数字计算)。

在无线通信网络中,很多情况下节点都在“白白侦听”(随时准备唤醒进入RX状态,而实际上信道空闲)而消耗能量,谁能“尽可能快”地侦听,谁就更节能。

根据我们的测试经验,使用CAD快速侦听,比单纯去接收一个地址是否是自己的数据帧,要节省3~4倍的电能。

四、 简单易用与低成本

iDC10和iNode的网络组织仅需要一次,且自动完成、只有一个条件,先将iDC10上电,配置好参数(如:iNode数目,上报数据长度,上报时间间隔等)、将各iNode上电后,它们会主动与iDC10申请入网,这时是“竞争”模式,原理如下图所示。

一旦组织好网络后,iDC10和iNode将保存网络信息,不受重新上电的影响、同时,有些iNode会加入或退出网络,iDC10将维护分配和回收网络地址。

当iNode将采集的传感器数据按“自身slot”时刻传送到iDC10后,iDC10将“透明转交”给用户系统,再由用户系统进行存储和加工。

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