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。