LoRaWAN通信系统在社区能源采集中的应用

LoRaWAN通信系统在社区能源采集中的应用摘要：本文提出了一种通过LoRaWan技术实现社区能源采集的系统应用。由于LoRaWan技术具有通信距离远、功耗低、容易实现、成本低等诸多优点，很适合于部署社区能源采集系统。因此，将LoRaWan技术与社区能源采集系统有效连接并部署实施到社区能源采集系统中，是本文主要说明的问题。关键词：LoRaWan技术；通信；社区；能源采集1技术特点1.1LoRa(LongRange)2013年8月，美国升特公司(Semtech)向业界发布了一种新型的Sub-1GHz频段的扩频通信芯片，最高接收灵敏度可达一148dBm，主攻远距离低功耗的物联网无线通信市场。该技术主要工作在全球各地的ISM免费频段(即非授权频段)，包括主要的433、470、868、915MHz等。与其他传统的Sub一1GHz芯片相比，LoRa芯片最高接收灵敏度提高20～25dB，体现在应用上就是拥有5-8倍传输距离的提升。LoRa技术本质上是扩频调制技术，同时结合了数字信号处理和前向纠错编码技术。此前，扩频调制技术具有长通信距离和高鲁棒特性，在军事和空间通信领域已经应用了几十年，而LoRa的意义在于首先利用扩频技术为工业产品和民用产品提供低成本的无线通信解决方案。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加一些冗余信息，数据在传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。前向纠错编码技术可以减少数据包需要重发的需求，而且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来，并注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包就将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特时间划分为众多码片，而LoRa调制码片的可配置范围为64～4096码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。当用户通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性。基于这点，数据可以从噪音中提取出来。扩频因子越高，越多的数据可从噪音中提取出来，接收灵敏度就可以达到更高。因此LoRa芯片的接收灵敏度最高可达一148dBm，在20dBm的发射功率下，LoRa调制的链路预算可达168dB。1.2LoRaWAN在传统的广域连接应用中，主要借助电信运营商提供的蜂窝网络进行连接，工业、能源、交通、物流等各行业广泛采用蜂窝网络实现互联。但仍有大量的设备应用是现有蜂窝网络技术无法满足的，比如水、电、气、热等计量表，市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施，大面积畜牧养殖和农业灌溉，广泛布局且环境恶劣的气象、水文、矿井、山体数据采集，以及偏僻的户外作业等。这些类型终端若采用现有运营商蜂窝网络进行联网，可能遇到如下问题。1)信号覆盖不足：很多设备布局在人1：3稀少或环境复杂的区域，运营商网络覆盖盲区或信号强度不足，难以保障数据的稳定传输。2)功耗高：大量设备需要电池供电，若采用蜂窝网络则需频繁更换电池，这在很多恶劣环境下很难实现。3)费效比低：设备单次传输数据量极小，而且传输频次很低。目前蜂窝网络为高带宽设计，采用蜂窝网络要占用网络和码号资源，还会产生包月流量费用。基于以上原因，低功耗广域网技术(LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN)成为弥补物联网网络层短板的最佳选择。2015年3月，由Semtech牵头成立了LoRaAlliance(以下简称LoRa联盟)，联盟是一个开放的非盈利性组织，目的在于加速LoRa技术全球商用化，主要发起成员还包括美国IBM、Cisco、法国Actility、荷兰皇家电信、瑞士电信等知名企业。联盟发布的LoRaWAN协议将LPWAN分成了三部分，包括节点应用、通信服务(模组和基站供应商)、云服务，数据传输过程中的通信层包括两级加密，数据通信更为安全。截止2016年1O月，联盟成员数量高达400多家，其中国家级的运营商有27家，新增运营商有法国Proximus、英国Orange、美国Comcast、日本软银、韩国SK电信、印度TATA电信等。同时，LoRa的产业链中还包括大量终端硬件厂商、模块网关厂商、软件厂商、系统集成商等，构成了完整的LoRa生态系统，大大促进LoRa技术的快速发展与生态繁盛。2系统架构2.1网络架构目前，基于LoRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN协议，但是通信系统网络都是星状网架构，以及在此基础上的简化和改进。主要包括以下3种。1)点对点通信。一点对一点通信，多见于早期的LoRa技术，A点发起，B点接收，可以回复也可以不回复确认，多组之间的频点建议分开，如图1所示。单纯利用LoRa调制灵敏度高的特性，目前主要针对特定应用和试验性质的项目。优点在于最简单，缺点在于不存在组网。图1：点对点通信2)星状网轮询。一点对多点通信，N个从节点轮流与中心点通信，从节点上传，等待中心点收到后返回确认，然后下一个节点再开始上传，直到所有N个节点全部完成，一个循环周期结束，如图2所示，该结构本质上还属于点对点通信，但是加入了分时处理，N个从节点之间的频点可以分开，也可重复使用。优势在于单项目成本低，不足之处是仅适合从节点数量不大和网络实时性要求不高的应用。图2：形状网轮询3)星状网并发。如图3所示，一点对多点通信，多个从节点可同时与中心点通信，从节点可随机上报数据，节点可以根据外界环境和信道阻塞自动采取跳频和速率自适应技术，逻辑上网关可以接收不同速率和不同频点的信号组合，物理上网关可以同时接收8路、16路、32路甚至更多路数据，减少了大量节点上行时；中突的概率。该系统具有极大的延拓性，可单独建网，可交叉组网，LoRa领域内目前主要指的是LoRaWAN技术。图3：形状网并发2.2系统组成点对点通信和星状网轮询的系统组成比较简单，两端都是节点，分为主从。在主节点收到从节点上行数据后会发下行确认帧给从节点，然后从节点进入休眠，工作模式比较简单。这里主要对LoRaWAN星状网并发结构进行展开说明，LoRaWAN系统主要分为三部分：节点/终端、网关/基站，以及服务器，如图4所示。图4：LoRaWAN系统架构示意图节点，终端(Node)：LoRa节点，代表了海量的各类传感应用，在LoRaWAN协议里被分为ClassA、ClassB和ClassC三类不同的工作模式。ClassA工作模式下节点主动上报，平时休眠，只有在固定的窗13期才能接收网关下行数据。ClassA的优势是功耗极低，比非LoRaWAN的LoRa节点功耗更低，比如针对水表应用的1O年以上工作寿命通常就是基于ClassA实现的。ClassB模式是固定周期时间同步，在固定周期内可以随机确定窗13期接收网关下行数据，兼顾实时性和低功耗，特点是对时间同步要求很高。ClassC模式是常发常收模式，节点不考虑功耗，随时可以接收网关下行数据，实时性最好，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能电表或智能路灯控制。网关/基站(Gateway)：网关是建设LoRaWAN网络的关键设备，目的是缓解海量节点数据上报所引发的并发冲突。主要特点如下：1)兼容性强，所有符合LoRaWAN协议的应用都可以接入；2)接入灵活，单网关可接入几十到几万个节点，节点随机入网，数目可延拓；3)并发性强，网关最少可支持8频点，同时随机8路数据并发，频点可扩展1；4)可实现全双工通信，上下行并发不冲突，实效性强；5)灵敏度高，同速率下比非LoRaWAN设备的灵敏度更高；6)网络拓扑简单，星状网络可靠性更高,功耗更低；7)网络建设成本和运营成本很低。服务器(Server)：负责LoRaWAN系统的管理和数据解析，主要的控制指令都由服务器端下达。根据不同的功能,分为：网络服务器(NetworkServer)与网关通信实现LoRaWAN数据包的解析及下行数据打包，与应用服务器通信生成网络地址和ID等密钥；应用服务器(ApplicationServer)负责负载数据的加密和解密，以及部分密钥的生成；客户服务器(ClientServer)是用户开发的基于B/S或C/S架构的服务器，主要处理具体的应用业务和数据呈现。LoRaWAN系统的优势包括：覆盖范围广，节省网络优化和施工成本，减少现场施工复杂度；服务器端鉴权可实现交叉覆盖，减少覆盖盲点；服务器端统筹管理，提高信道利用率，增加系统容量；网关多路并发减少冲突，支持节点跳频，增加系统容量；节点速率自适应(AdaptiveDataRate)降低功耗和并发冲突，增加容量；安全性高，两级AES一128(AdvancedEncryptionStandard-128)数据加密；星状网络结构提高鲁棒性；LoRaWAN协议标准化。3LoRaWAN通信系统在社区能源采集中的应用可以看到一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用，有个细节，你会发现终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。LoRaWAN提供基于网络和GPS的多种地理定位服务。较之前的技术相比，两者均实现了重大进步。基于网络的地理定位成本最低，适用于任何配置LoRa收发器的设备，可将物料成本（含电池）降至5美元以下。它也是业内能效最高的一项技术，可使用标准LTC2Ah电池进行长达数年的追踪定位。该技术依靠到达时间差（TDoA）三角定位算法，可在乡村环境实现30米，城市社区环境150米精度的定位服务（得益于信号到达时间反射回来的结果）。此定位服务要求运营商部署“支持宏分集接收”的网络，即多个基站均可从追踪设备接收信号。以上列举的大多数LoRaWAN网络均可实现该部署，且在大多数城市，运营商可提供设有五个，甚至通常五个以上基站的宏分集。由于LoRaWAN基站信号覆盖面积高达15公里以上，使得覆盖如大型社区能源采集的费用低廉，因此该技术最适用于社区能源采集以及重点工程项目数字化。其具体应用包括能源采集、灌溉控制、消防、濒危物种保护、露天矿场资产追踪及大型建设项目等。基于GPS的地理定位并非新技术，但LoRaWAN能够优化其成本及用途。基于GPS的追踪器应用以往受限于较短的电池寿命（或极高的电池成本）及高昂的通信费用，但这个难题即将成为历史。通过使用LoRaWAN，甚至更新的3GPP通信技术如NB－IoT，而非GPRS，其能源成本将实现一个数量级以上的锐减。而对于其它实时追踪应用来说，GPS提供的精准定位至关重要。为满足这些高精准用例的需求，Actility公司在其ThingPark定位服务中集成了LoRa辅助GPS功能。这样一来，专用追踪装置可通过选择相关GPS信号进行定位，并使用高能效的LoRaWAN通信服务将位置信息传递给追踪应用。使用LoRaWAN的优势不止于此。GPS通常需要花费很长时间才可获得某一位置定位信息，且耗电量大。同时，传统的A－GPS技术虽然可将定位时间缩短至几秒钟，但其对CPU或通信流量需求较高。这两种技术既不节能，也无法支持数年不间断追踪的用例。而在最先进的LoRaWAN追踪方案中使用的新型AGPS既可缩短定位时间，也可降低CPU及通信流量需求。此技术还可显著降低追踪器GPS子系统的复杂性。总而言之，使用LoRaWAN作为通信网络并结合利用优化型AGPS是两项重大创新，可让GPS追踪的TCO成本降低一个数量级。这不仅仅能够对于类似于社区能源采集上有所帮助，更有利于推动我们进入大规模追踪应用的新时代。未来，追踪功能将使用多模追踪器。届时，最佳的商用追踪器将可同时使用基于网络和优化型GPS的地理定位功能。不仅如此，在室内使用时，追踪系统还将使用WiFiSSID探测，并将所获信息与基于网络的TDoA三角定位相结合，从而为室内定位提供持续的全方位服务。而一些最先进的追踪器还可使用内部传感器（如加速计、磁力仪等）进行推