無線通信設計應用 如何節(jié)能組網

LoRa無線通信協(xié)議的優(yōu)勢是距離遠卻能做到低功耗、但最大的不足就是傳輸速率慢、鑒于LoRa的長距離和低速率，數據采集器和iNode無線節(jié)點，它們可以組織成星型組網，如果保留的slot過少，需要重新分配slot。

一、 典型的LoRa無線網絡

LoRa（Long Rang）無線通信協(xié)議是一種長距離的無線通信技術，它最大的優(yōu)點是距離遠（空曠距離可達15kM），同時低功耗；當然，它也有不足的地方，那就是傳輸速率慢、它最適合無線傳感器網絡，比如在戶外或跨樓宇（多樓層）采集：用水、用電、溫濕度、一氧化碳、煙霧報警等。

鑒于LoRa的長距離和低速率，銳米通信設計：iDC10（DataConcentrator）數據采集器和iNode無線節(jié)點，它們可以組織成星型組網，一種典型的無線網絡拓樸如上圖所示。

iDC10和iNode基于“單跳”通信，這樣可以節(jié)省iNode寶貴的電能，特別適合于電池供電的場合；iDC10能根據iNode的數目、通信速率和負載將時間劃分成slot（時隙），這種時分復用的方法可以最大化利用帶寬，避免沖突；iDC10自組織和維護網絡，無須用戶的配置，簡單易用。

二、 帶寬的最大化利用

我們先看一個“競爭與沖突”的網絡通信協(xié)議，如下圖所示，有3個節(jié)點：#i、#j和#k，它們使用LBT（Listen Before Talk）偵聽信道空閑的方式“競爭”接入網絡、從通信時序圖可以直觀地得到2點：

① 沖突帶來能量的損失，更多的延時和后續(xù)沖突，如#k本來想在Ti時刻發(fā)送數據幀，因為檢測到沖突，它延時到Tk時刻才能通信。

②沖突會浪費通信帶寬，當LBT檢測到沖突時，它將使用“隨機延時退避”算法，這樣一來通信時間將被“碎片化”，有一些通信帶寬將無法得到利用。

時分復用的原理如下圖，它是一個嚴格的“按部就班”的機制：通信節(jié)點在分配給自己的slot（時隙）里發(fā)起通信，通信帶寬得到最好地利用。

時分復用技術也有自己的“軟肋”：

① 擴展性不強、隨著加入網絡的節(jié)點越來越多，slot將會更少，因此需要設計算法來保留一部分slot作為“下發(fā)通信和信標”使用；如果保留的slot過少，需要重新分配slot。

② 時鐘漂移帶來沖突、盡管晶振在人們的眼中已經很“精確”了，但是生產工藝，溫度和老化，還是會讓個體產生精度差異、這種漂移會讓節(jié)點通信發(fā)生沖突，導致時分復用算法失敗。

為應對上述挑戰(zhàn)，銳米通信巧妙地使用了“安全距離”算法，它根據節(jié)點數目和時鐘最大漂移系數來計算slot的合理值、在校時方面，設計了“節(jié)點主動上傳”的秒級校時，“采集器喚醒”和“信標幀”的毫秒級校時。

三、 最佳的節(jié)能設計

iDC10在喚醒iNode通信中使用了LoRa的CAD（Channel Activity Detection）功能，它是實現LBT技術的節(jié)能利器、如下圖所示，CAD分成2個階段：IDDR：從空中捕獲一個symbol時長的信號，功耗與RX模式相等，即12mA；IDDC：分析這個symbol信號，檢查信道是否空閑，功耗是RX模式的一半（關閉了RF，僅數字計算）。

在無線通信網絡中，很多情況下節(jié)點都在“白白偵聽”（隨時準備喚醒進入RX狀態(tài)，而實際上信道空閑）而消耗能量，誰能“盡可能快”地偵聽，誰就更節(jié)能。

根據我們的測試經驗，使用CAD快速偵聽，比單純去接收一個地址是否是自己的數據幀，要節(jié)省3～4倍的電能。

四、 簡單易用與低成本

iDC10和iNode的網絡組織僅需要一次，且自動完成、只有一個條件，先將iDC10上電，配置好參數（如：iNode數目，上報數據長度，上報時間間隔等）、將各iNode上電后，它們會主動與iDC10申請入網，這時是“競爭”模式，原理如下圖所示。

一旦組織好網絡后，iDC10和iNode將保存網絡信息，不受重新上電的影響、同時，有些iNode會加入或退出網絡，iDC10將維護分配和回收網絡地址。

當iNode將采集的傳感器數據按“自身slot”時刻傳送到iDC10后，iDC10將“透明轉交”給用戶系統(tǒng)，再由用戶系統(tǒng)進行存儲和加工。