基于LoRa的低能耗物联网技术研究

郭柯洒

一、引言

LoRa技术是近些年出现的一种划时代的物联网技术，具有低成本、低能耗、长通信距离的优点，可应用到生活中的各个领域。目前，LoRa技术主要通过扩频技术来降低数据的传输速度，以达到远距离传输的目的，但是这种情况只适用数据采集较少的情况，在实际问题中，数据采集往往是频繁的，发送大量的数据给LoRa技术的终端节点能耗带来了挑战。因此，如何从工作模式上降低LoRa技术终端节点的能耗，是目前急需解决的问题，对于LoRa技术的应用和推广具有重大的意义。

二、LoRa技术基础

（一） LoRa概述

LoRa是Semtech公司推出的LPWAN通信技术，是一种基于扩频技术的长距离无线传输方法，该技术具有长距离通信且低功耗的技术优势。LoRa与4G和其他付费网络不同的是它在全球免费ISM频段上运行，如470等。

LoRa技术适用于各种行业，主要包括电网、城市燃气管道、城市供水等物联网系统，同时也适用于各种“智慧”行业，主要包括智慧农业、智慧城市、智慧停车等。LoRa技术基于LoRaWan通讯协议和系统框架，实现长距离、低能耗通信。

（二） LoRa工作模式

LoRa技术有三种工作模式：

（1）Class A：这是LoRa技术最基本的工作模式。当接收由服务器发送的数据时，首先打开用于接收由服务器发送的数据的接收窗口，并在第一接收窗口中没有接收到数据的情况下，打开第二个接收窗口，以此类推实现LoRa终端和服务器间的双向通信。

（2）Class B：其与Class A 唯一不同的是可以通过ping 间隙接收从服务器发送的数据，即：LoRa终端可以在特定时间从服务器接收数据，这需要由接收网关的信标实现时间同步。

（3）Class C：此工作模式中，LoRa终端接收数据的窗口总是打开的，会造成多余接收窗口的浪费，终端能耗也相对较高。

（三） LoRa网络结构

LoRa 网络结构包括四个部分：终端节点、网关节点、网络服务器和应用服务器。

终端节点和网关节点之间采用拓扑形式连接，数据通过网关发送到网络服务器，网络服务器进行数据的分析，并向LoRa终端发送接收数据的命令。网关节点与网络服务器采用无线连接，网络服务器与应用服务器采用有线连接。

三、基于LoRa技术的节能算法研究

LoRa工作系统中，LoRa终端使用寿命决定整个网络系统生命周期，LoRa终端能耗与LoRa终端的数据传输速率成反比。因此，提高终端数据传输速率，实现低功耗设计，尤为重要。

通过动态关闭终端不必要的接收窗口来节省能量消耗。通常情况下，Class A模式下，LoRa终端能耗低，但是不常用，Class B模式在现实生活中更加普遍被使用，但是与Class A模式相比，LoRa终端消耗更多能量，所以有必要对终端节能方法进行研究。本文重点研究Class B模式的终端能耗，分析两种终端接收数据窗口的打开方式，即DTOP机制和DSAB机制，前者终端采用动态关闭多余Ping时隙，来节约能耗；后者终端采用动态暂停接收信号帧的方式，来节约能耗。采用计算的方式，来分析两种机制，节约能耗的情况。

在实际应用中，Class B模式下，LoRa终端接收服务器发送的数据常受时间限制，接收数据的时间有限。因此，LoRa终端需知道服务器何时传输数据，并分析数据大小，关闭多余的接收数据窗口，有效降低LoRa终端能耗。

（一） DTOP机制

DTOP机制是在终端接受数据时，关闭多余ping时隙。Class B模式下，LoRa终端会根据服务器发送数据的大小和信号帧的强度打开合适的ping时隙，接收服务器发送的数据。

Class B模式下，终端接收到信标帧信息后，在Ping偏移处打开ping时隙。如果电池电量充足且信标帧强度值相对较大，则即使终端处于先前的ping周期，终端仍会在服务器接收到数据后打开ping时隙，终端打开额外ping时隙并增加终端功耗。根据LoRa协议，ClassB模式下，当服务器发送的数据较少和信号帧强度较低时，终端也会打开ping时隙，并会造成过多ping时隙的浪费，增加电池能耗。DTOP机制有效解决了过多开放ping时隙而增加功耗的问题。

如图1所示，接收到信标帧信息后，终端ping偏移时打开ping时隙，以便接收由服务器发送的数据。每次接收服务器发送的数据时，DTOP机制下的终端会判断服务器发送的数据大小，来判断终端ping时隙打开个数，同時判断数据是否接收完成，接收完成，终端将关闭ping时隙。DTOP机制操作流程如下：

（1）LoRa终端根据电池的容量和信号帧的强度打开ping时隙接收接口；

（2）终端对服务器发送的数据进行分析，根据MAC中命令，判断数据是否接收完成；

（3）数据接收完成后，关闭多余的ping接受窗口；否则，继续下一个ping时隙接收数据。

（二） DSAB机制

DSAB机制就是可以动态接收数据，有数据打开ping时隙接收数据，没有数据时，则关闭ping时隙，暂停接收数据。Class B模式中，DSAB机制下的LoRa终端，在接收数据时，通过打开2个信号帧间的ping时隙来接收服务器发送的数据。

接收信标帧信息以在ping时隙内同步接收服务器的传送的数据。如果服务器暂时不传输数据，这种模式将会产生多余的能耗，无疑增加终端的能耗。因此有必要在没有数据传送时，关闭多余的信号帧的接收窗口，降低终端的一部分能耗。信号帧的周期是128s，受时间限制，接收数据时，终端与网关间的时间可能发生偏移，这种情形下，终端需设置偏移保护带，通过扩大ping时隙的接收窗口来接收数据。周期性地接收信标帧信息的终端是终端的能量消耗的一部分，LoRa终端通过扩展信标帧的接收窗口来调整时间偏移。

实际应用中，服务器可能并不总是有数据要发送给终端，因此终端可有效减少打开的窗口以减少能耗。DSAB机制操作流程如下：

四、 结论

通过以上研究与分析，得到以下几点结论：

（1）在研究LoRa技术基础上，分析了LoRa的工作模式和网络结构，明确LoRa具有长距离通信、低成本、功耗低等优点。

（2）通过对LoRa的节约的能耗进行计算，表明想要有效降低功耗，就必须找出终端最大功率，对常用几种算法比较分析，表明BP神经网络算法比较适用。

（3）分析了DTOP和DSAB两种机制的能耗。DTOP机制节约的能耗与关闭的 Ping 时隙的个数成正相关关系，着重增加ping时隙的关闭个数来减少终端能耗；DSAB机制节约的能耗与ping时隙的个数相关，与信号帧周期个数成正比，信号帧周期数越大，终端能耗越低。