基于LoRa的低能耗物联网技术研究

文｜郭柯洒
基于LoRa的低能耗物联网技术研究
一、引言
L o R a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。

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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，同时判
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。

图 1 DTOP 机制下 ping 时隙打开和关闭情况
下面对DTOP 机制下终端能耗进行理论计算分析。

一个信号帧的时间为128s ，每个时隙长度为30ms ，设信号帧的时间为T ，ping 时隙打开的个数为m 1，ping 时隙关闭的个数为m 2，接收信号帧的功率为P 1，终端休眠功率为
P 2，其中P 1大于P 2。

则终端的能耗情况计算如下：
未使用节能机制的功耗为：
（1）
使用 DTOP 机制终端能耗为：
（2）DTOP 机制节约的能耗为：
（3）
可发现，由于 P 1 >P 2 ，于是 w > 0，说明DTOP 机制可有效降低终端的能耗，同时可以增加ping 时隙的关闭个数来减少终端能耗。

（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
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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：
图 2 Class B 模式下终端在一段时间暂时停止接收 Beacon
（1）Class B模式中，终端会根据信号帧强度和接
收的数据大小来打开有必要打开的ping时隙接收窗口；
（2）分析ping时隙接收的服务器发送的数据，判断
MAC命令是否需要下一个信号帧接收数据，当不接收数
据时，就需分析出暂停接收信号帧的时长，然后进行下一
个ping时隙数据的接收。

下面对DSAB机制下的终端能耗进行理论计算分析。

在个周期（128s）内，暂停接收信号帧的周期数为n
1
，
信号帧接收窗口的大小为D
1
、D
2
、D
3
…D，每个信号帧
打开ping时隙的个数为N
1
、N
2
、N
3
…N，终端接收信号作者单位：湖南省通信建设有限公司
帧的功率为P
1
，终端休眠功率为P
2
，其中P
1 >
P2 。

DSAB
机制下的终端能耗计算如下。

未使用节能机制的终端功耗为：
（4）
使用 DSAB 机制的终端功耗为：
（5）
使用 DSAB 机制节约的功耗：
（6）
DSAB机制节约的能耗与ping时隙的个数相关，与信
号帧的周期个数成正比。

由于P
1 >
P2 ，则w > 0，因此，
DSAB机制可有效降低终端能耗，同时可增加信号帧的周
期个数来降低终端能耗。

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p i n g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。

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信息化研究。