轻量级LoRa物联网通讯系统

俞啸东

摘  要：针对中小型场景下传感数据采集的物联网网络，本文提出一种轻量级LoRa物联网通讯系统模型。该网络系统模型基于LoRa广域物联网技术，对基站的通讯芯片方案、无线通讯方式以及关键器件和标准协议改进优化。实验表明该系统模型具有低成本特点，适用于企业或个人快速在确保信号覆盖范围和并发量的特性基础上，快速构建一张广域物联通讯网络用于传感数据采集的传输。

关键词：SX1278混合芯片方案  低噪声放大器  Confirmed/unconfirmed机制  随机碰撞模型

中图分类号：TP391                           文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）08（a）-0143-04

Abstract： Aiming at the IoT network of sensing data acquisition in small and medium-sized scenarios， this paper proposes a lightweight communications system of the LoRa IoT.Based on LoRa wide-area internet of things technology， the network system model improves and optimizes the communication chip scheme，wireless communication mode， key devices and standard protocols. Experiments show that the system model has the characteristics of low cost and is suitable for enterprises or individuals to construct a wide-area object-connected communication network for sensing data acquisition.

Key Words： The scheme of SX1278 hybrid chip; Low-noise amplifier; The confirmed/unconfirmed mechanism; The model of the random collision

低功耗廣域网（LPWAN）是近几年才普及的物联网通讯技术，其具有超长覆盖距离、低功耗、大容量的网络特点，被广泛用于表计、智慧城市、生产工业等的环境数据采集。LoRa（Long Range）是LPWAN的主流技术之一，是由Semtech公司提供的超长距离、低功耗的物联网通讯技术，由于其灵活的组网方式成为很多企业用户的首选物联网通讯技术方案。目前由Semtech公司和多家业界领先的企业共同组建的LoRa Alliance发布的LoRaWAN标准成为国内LoRa的主流标准[1]。但是LoRaWAN标准适用于覆盖范围大、终端数多、通讯并发量较大的场景，如果在中小型传感数据采集场景中LoRaWAN标准网络则过于笨重。中小型物联网环境如渔牧养殖、中小型生产厂房、园区公共设施的监控数据采集等，要求网络信号覆盖半径2km，范围内的传感器数量不超过200个;在该场景因传感终端少导致网络建设成本主要在基站，而LoRaWAN标准网络的基站成本较高，使得企业或个人难以负担建设费用。本文在标准LoRaWAN的基础上，对基站方案及通用标准加以改进和优化，提出一套新的基于LoRa技术的物联网通讯系统。实验表明其具有低成本、覆盖距离远、高并发的特性，适用于中小型广域物联网场景中的传感终端数据传输。

轻量级LoRa物联网通讯系统模型采用星形组网架构：LoRa终端将传感器采集到的数据转化为LoRa无线通讯方式传输到LoRa基站，由LoRa基站接收并回传到网络管理平台（Server），由网络管理平台集中处理并转发到业务软件平台。网络拓扑如图1。

1  低成本特性

基站方案改进。中小型物联网建设成本的核心在基站，其成本主要来源于两个部分：通讯芯片方案和无线通讯模块。

（1）通讯芯片方案。LoRaWAN采用Semtech公司提出SX1301+SX1255的组合[2];该芯片方案组合占据基站成本的最大部分，使得整体项目成本提高。所以本文从这一点痛点出发，采用了Semtech公司的SX1278终端级芯片[3]。此芯片原为Semteck定义为在终端LoRa通讯芯片，在本方案中将两颗SX1278进行合并处理以替代原有的SX1301+SX1255组合，制作出混合芯片方案的超低成本基站。

（2）无线通讯方式。通用标准的LoRa基站对于终端的应答有时延要求，在没有有线链路的环境中基站必须搭载4G模块作为上行通道以确保时延，而4G模块的成本较高。因此在本网络通讯系统中进行优化，采用GPRS通讯模块作为上行通讯模块，同时还需要对LoRa的标准进行改进。

经过优化后的轻量级模型的LoRa基站，较标准LoRaWAN基站综合成本大幅下降80%以上（LoRaWAN基站的通讯芯片方案加4G模组约合人民币650元，轻量级LoRa物联网基站通讯芯片方案加无线通讯模组约合人民币100元）。

2  覆盖距离

2.1 覆盖优化模型

基站采用了终端级SX1278芯片混合方案，将导致基站的覆盖距离影响。原因分析和解决方案如下。

2.1.1 基站侧输出信号强度不足

考虑在基站端增加低噪声放大器。

采用了低噪声放大器（LNA）会导致基站侧和终端侧的RSSI不一致，需要对基站端的RSSI进行校准。校准需要达到输入相同功率，基站和终端读出相同的RSSI值，因为只有当基站和终端的RSSI校准到同一起始点，才能做后期上下行性能的分析。

给基站和终端用信号发生器加上相同的输入，分别记录校准完的打印数据如下。

（1）基站端。

--Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -138 snr -10

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -138 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

MCU1 --Rx ok-- rssi -137 snr -9

（2）终端。

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -139 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -138 snr -13

-info OnRxDone_ft，161] --Rx ok-- rssi -139 snr -13

校准后的数据可以看出，基站和终端同样采用的是SX1278，加上LNA后有3dB±1dB的接收灵敏度提升。

2.1.2 基站侧下行灵敏度较差，导致上下行数据接收不对称

由于下行的灵敏度比上行差了4个dB，所以需要下行的发送功率比上行高至少4个dB才能保证覆盖性能不会被下行性能受限。而基站的输出功率为27dBm，终端为17dBm，所以只要尽可能保证天线的上下行对称就行。

终端和基站点对点外场ping包测试数据求均值后可以得到如表1所示。

从统计数据可以看出，下行链路预算比上行高106.89-100=6.89dB，达标。

再评估TCXO（晶体振荡器）对接收灵敏度的提升效果，评估结果如下：

（1）LNA提升了3dBm左右的接收灵敏度。

（2）TCXO提升了1dBm的接收灵敏度。

对比LNA，TCXO的效果不明显。从经济效益方面考虑，最终只采用LNA提升基站接收灵敏度。

2.2 实验结果

为了检验覆盖距离优化的有效性，采用系统模型在外场进行实验（如图2所示）。

基站和终端工作调制成工作在非授权的470～510M频段进行实验，基站和终端的输出功率为17dBm，符合国内工信部要求[4]。基站天线高度为2.5m，天线增益2dBi;终端高度1.5m，天线无增益;基站与终端之间视距为2.2km，分别采集上行和下行信号强度和底噪数据，根据采集到的数据反映RSSI信号强度在-100～-108dBm左右，并且上下行的信号强度差距不大。

通用标准的LoRaWAN模型在户外场景中的覆盖距离达到2～3km[5];而本文所设计的轻量级LoRa物联网通讯系统的实验结果如表2所述，基本达到LoRaWAN覆盖水平，完全可以满足中小型物联网场景中2km半径的的信号覆盖要求。

3  容量评估

3.1 协议优化

Confirmed和unconfirmed：容量評估需要先解决终端与基站通讯过程中的Confirmed和unconfirmed机制[6]。LoRa的基站接收终端数据包的工作过程如图3所示。

是否需要回TX2的内容，由Server决定，简略计算只有TX1的模型：

RX=420ms（终端发送Payload=12字节）

RX间隔=1s

TX1=298ms（Payload=0）

T1=420ms+1s+298ms=1718ms

经过多次测试实验反馈的结果表明，由于该系统的基站采用GPRS作为上行通讯，带来了很大的延迟，终端无法使用标准LoRaWAN里默认的1s延迟返回ACK。因此需要对延迟进行改进，经过多次实验ping包测试，将原有的终端接收延迟改成3s。

T2=420ms+3s+298ms=3718ms

修改为unconfirmed报文，不要ack后，那么一个SF=10的包占用基站的空口长度为：

T3=420ms

需要注意的是，基站需要进行发送的Radio无法在等待的delay时间里进行别的操作。而LoRa基站用单天线+射频开关做时分操作，所以限制了两个Radio都无法进行别的接收操作。

3.2 丢包率评估

丢包率是由LoRa的空口碰撞产生的。LoRa的空口碰撞模型采用Pure-Aloha模型如图4，即随机碰撞模型，符合泊松分布：

S=G*e-2G ，P=S/G

S—信道利用率

P—帧成功发送的概率

由于终端采用LBT（Listen Before Talk），所以容量会介于时隙aloha与纯aloha之间。

Pure-Aloha的模型仿真如下：

横坐标为信道利用率，纵坐标为碰撞概率。

时隙-Aloha的模型仿真如图5。

3.3 容量评估结果

为满足容量指标，系统模型采用较高的SF10（扩频因子）进行传输，ADR调速关闭，报文格式采用非ack，总共在15min内终端向LoRa基站发送200个包，每个包重传一次。如表3所示。

实验表明200个终端的平均丢包率2.3%，能够满足中小型物联网场景的传感数据采集的容量要求。

4  结语

本文通过对通用LoRaWAN标准的基站架构和标准协议进行改进，提出一套轻量级LoRa物联网通讯系统模型。该网络模型在确保中小型物联网环境中覆盖范围和容量的基础上，大幅降低了组网建设成本。这套网络系统适用于企业或个人在中小型场景中建设一套低成本的物联网网络，用于前端传感器数据采集后的网络传输。

参考文献

[1] 刘琛，邵震，夏莹莹.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术，2016（5）：43.

[2] 罗义钊，程树英，涂灵，等.LoRa技术在低功耗廣域网络中的实现和应用[J].计算机产品与流通，2018（6）：129-130.

[3] 徐楚桥，孙文磊.基于物联网的数控车间集成通讯系统的设计[J].制造技术与机床，2016（4）：111-115.

[4] 武志伟，赵振忠，韩文杰，等.物联网通讯技术在污水处理自动化系统中的应用[J].工业水处理，2019，39（1）：108-109，112.

[5] 荆永震，朱楚楚，蔡高琰，等.LoRa通信在智能用电系统中的应用[J].自动化与仪器仪表，2019（1）：187-190.

[6] 杨扬.基于LoRa物联网技术的火龙果大棚监控系统的设计与应用[J].计算机测量与控制，2019，27（11）：82-85，129.