基于LoRaWAN 的物聯(lián)網(wǎng)通信關鍵技術研究

王先鋒 劉 奔 徐勤官

（卡特彼勒（徐州）有限公司，徐州 221300）

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和智慧工廠的需求，對無線通信技術提出了更高的要求，使得專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設計的低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）快速興起。LoRa 技術作為其中的典型代表，其聯(lián)盟推出了一項基于開源MAC 層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)標準LoRaWAN。它規(guī)定了LoRa 網(wǎng)絡的拓撲架構、設備角色和傳輸方案，是當前相對可靠和完整的MAC 層解決方案[1-2]。它具有大容量、全球統(tǒng)一的標準、免費頻段、低成本以及靈活性高等明顯優(yōu)勢，和WiFi 一樣，成為工程機械行業(yè)車間內(nèi)“私有物聯(lián)網(wǎng)”的首選。

根據(jù)不同的應用需求，LoRaWAN 將終端設備劃分為A、B、C 共3 種等級模式[3-4]。其中，Class A 為LoRa 終端默認支持的模式，終端為通信發(fā)起方，消息發(fā)送完畢立即進入休眠模式，功耗最低。Class B 通過信標使網(wǎng)關與終端同步，終端在調(diào)度時間內(nèi)打開額外接收窗口，提高下行鏈路傳輸效率。Class C 原理相對簡單，終端連續(xù)打開接收窗口，降低下行傳輸時延。本文主要研究Class C 模式下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術。

1 Class C 通信原理

圖1 和圖2 分別為Class A 和Class C 的通信原理圖，其中Transmit 表示一幀上行包的發(fā)送時間；RX1 表示下行窗口1；RX2 表示下行窗口2；RECEIVE_DELAY1 表示定時器1 的定時時長；RECEIVE_DELAY2 表示定時器1 的定時時長。Class A 當上行數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后會打開兩個定時器，其中一個被設定為定時RECEIVE_DELAY1。當定時器超時后，打開下行數(shù)據(jù)接收窗口RX1。RX1 的接收頻率和上行頻率相關，對應關系表述在地區(qū)規(guī)范的文檔中。定時器2 被設定為延時RECEIVE_DELAY2，和定時器1 同時打開，在地區(qū)規(guī)范中被定義為RECEIVE_DELAY1+1s。RX1 和RX2 打開的窗口時間在規(guī)范中被要求至少能接收到前導碼。該時長在每次打開窗口時都會根據(jù)帶寬速率計算一次，大概為百多毫秒。當RX1 接收到正確數(shù)據(jù)后，RX2將不會被打開。Class C 執(zhí)行設備具有和Class A 一樣的兩個接收窗口，但它沒有關閉RX2，除非需要再次發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，它幾乎可以在任意時間用RX2 來接收下行消息，包括MAC 命令和ACK 傳輸?shù)南滦邢ⅰＡ硗猓l(fā)送結束時在RX1 開啟之間還打開了一個短暫的RX2 窗口。

圖1 Class A

圖2 Class C

2 最佳頻段的選擇

最佳頻段的選擇是數(shù)據(jù)傳輸面臨的第一個技術難點。按《LoRaWAN Regional Parameters V1.0》標準，中國地區(qū)有CN779-787 和CN470-510 兩個ISM（免費）頻段。CN779-787 的最大發(fā)射功率僅10dBm（10mW），實用價值較小。CN470-510 的最大發(fā)射功率可達17dBm（50mW），發(fā)射時長小于5000ms 即可，是部署LoRaWAN 的最佳頻段范圍[5]。

中國無線電委員會分配CN470-510 用于居民抄表應用。在上行通信的96 個通道中（下標從0 開始），6 ～38 和45 ～77 由國家電網(wǎng)保留使用。LoRaWAN 協(xié)議的通道頻率分配如表1 所示。由表1 可知，在我國部署LoRaWAN 理想的頻段為CN470-510 80-87。

表1 LoRaWAN 協(xié)議的通道頻率分配

3 基本參數(shù)設置

第一，收發(fā)端的頻點、擴頻因子（Spreading Factor，SF）以及帶寬（Band Width，BW）應保持一致。第二，設置SYNC_WORD 同步字。芯片在收到RF 包時，會比較包中的同步字是否相同。LoRaWAN 的同步字為0×34，在LoRaMAC_init()中有設置。第三，iqInverted 表示是否將IQ 信號反轉，若接收和放射端的配置不一樣，會造成接收端無法產(chǎn)生RXDOEN 而不能收到數(shù)據(jù)。第四，基于LoRaWAN service 應用，基本參數(shù)在應用層不需要體現(xiàn)，相關人員僅需要設置頻道（如圖3 所示）和Otaa 模式下的參數(shù)即可（如圖4 所示）。

圖3 頻道設置

圖4 Otaa 模式下的參數(shù)

4 通信異常分析

任何通信異常現(xiàn)象都可以根據(jù)如圖5 所示的排查方法進行逐一檢查，通過LoRaWAN service 監(jiān)控上下行數(shù)據(jù)。

圖5 通信異常排查方法

通信異常主要包括以下5 個方面的問題。第一，LoRaWAN 網(wǎng)關未收到LoRa 節(jié)點發(fā)的上行數(shù)據(jù)包，自然不會有下行ACK 行為發(fā)生。無線干擾、信號不良或頻點不匹配等，都會導致這種丟包情況的發(fā)生。第二，LoRaWAN 網(wǎng)關收到上行數(shù)據(jù)包并轉發(fā)給NS（網(wǎng)關的內(nèi)置service），但NS 處理該數(shù)據(jù)包時發(fā)現(xiàn)有問題或者NS 本身存在問題，導致其并未生成ACK 并下發(fā)，LoRa 節(jié)點將無法收到ACK。第三，LoRaWAN 網(wǎng)關收到上行數(shù)據(jù)包并轉發(fā)給NS，NS 順利生成ACK 并下發(fā)給網(wǎng)關，但網(wǎng)關因業(yè)務擁堵或自身原因并未成功將ACK 從LoRa 射頻空口發(fā)出。第四，LoRaWAN網(wǎng)關收到上行數(shù)據(jù)包并轉發(fā)給NS，NS 順利生成ACK 并下發(fā)給網(wǎng)關，網(wǎng)關成功將ACK 通過LoRa 射頻發(fā)到空口，但LoRa 節(jié)點未收到ACK。無線干擾、信號不良、頻點不匹配等，都會導致這種丟包情況的發(fā)生。第五，LoRaWAN 網(wǎng)關收到上行數(shù)據(jù)包并轉發(fā)給NS，NS 順利生成ACK 并下發(fā)給網(wǎng)關，網(wǎng)關成功將ACK 通過LoRa 射頻發(fā)到空口，同時LoRa 節(jié)點的射頻端成功收到無線信號，但是LoRa 節(jié)點的底層在處理收到的這個報文時解析校驗發(fā)現(xiàn)該報文有誤（例如，信號變形導致數(shù)據(jù)失真或ACK 報文本身組裝有誤）丟棄了該報文，上層程序會視作未收到ACK。上、下行數(shù)據(jù)監(jiān)測結果分別如圖6 所示。

圖6 上、下行數(shù)據(jù)監(jiān)測結果

5 結語

通過以上的設置，在LoRaWAN 的協(xié)議下，人們可以獲得穩(wěn)定的通信數(shù)據(jù)，為智能工廠建設、設備聯(lián)網(wǎng)、能耗監(jiān)控以及離散數(shù)據(jù)收集提供了一種低成本的通信方式。