信道容量问题

       在LoRa应用中,信道容量的问题一直被反复讨论。关于一个应用中应该使用LoRaWAN网络还是私有网络,如何分配信道和扩频因子,到底这个网络中可以支持多少节点,如何规划协议和信道可以有更好的信道容量和稳定性,这些问题在许多读者眼中一直是一笔糊涂账。下面的内容会从理论出发,根据LoRa的具体特点分析原理并给出计算方法和信道网络规划策略。

一、多址协议

       LoRa网络主要应用形式为星状网络结构,其中心为网关,每个终端设备与网关通信。如果多个终端设备同时发送数据,就会产生多个终端设备的数据帧在物理信道上相互重叠,使得接收端无法正确接收。为了有效地进行通信,就需要有某种机制来决定资源的使用权,这就是网络的多址接入控制问题。

      多址接入控制协议(MultipleAccessControlProtocol)就是在一个网络中,解决多个用户如何高效共享一个物理链路资源的技术。
      如图8-20所示,从分层的角度来看,多址技术是数据链路层的一个功能,由媒体访问控制MAC层负责。
多址链路层示意图
图8-20多址链路层示意图
 
       MAC层将有限的资源分配给多个用户,从而使得在众多用户之间实现公平、有效地共享有限的带宽资源;实现各用户之间良好的连通性,获得尽可能高的系统吞吐量,以及尽可能低的系统时延。
       逻辑链路控制(LLC)子层为本节点提供了到其邻节点的“链路”;MAC子层协调本节点和其他节点有效地共享带宽资源。
      本书第2章介绍的Chirp调制为LoRa的物理层;第3章介绍的空口协议部分也是LoRa的MAC层。

1.多址协议的分类

        多址协议主要分为固定多址接入协议、随机多址接入协议和基于预约方式的多址接入协议,如图8-21所示。
        固定多址接入是指在用户接入信道时,专门为其分配一定的信道资源(如频率、时隙、码字或空间),用户独享该资源,直到通信结束。固定多址接入的优点在于可以保证每个用户之间的“公平性”(每个用户都分配了固定的资源)以及数据的平均时延。典型的固定多址接入协议有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。
        随机多址接入是指用户可以随时接入信道,并且可能不会顾及其他用户是否在传输。当信道中同时有多个用户接入时,在信道资源的使用上就会发生冲突(碰撞)。对于有竞争的多址接入协议,如何解决冲突,使所有碰撞用户都可以成功进行传输是一个非常重要的问题。典型的随机多址接入协议有ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA。
多址接入协议分类
图8-21多址接入协议分类
 
        基于预约的多址接入协议,是指在数据分组传输之前,先进行资源预约。一旦预约到资源(如频率、时隙),则在该资源内可进行无冲突的传输。

2.固定多址接入协议

1)FDMA
       FDMA技术按照频率来分割信道,即给不同的用户分配不同的载波频率以共享同一信道。
       FDMA技术是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移动通信的基本技术。
在FDMA系统中,信道总频带被分割成若干间隔相等且互不相交的子频带(地址),每个子频带分配给一个用户,每个子频带在同一时间只能供一个用户使用,相邻子频带之间无明显的干扰,如图8-22所示。
FDMA信道示意图
图8-22FDMA信道示意图
2)TDMA
       TDMA技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。
       在TDMA系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙(地址)。无论帧或时隙都是互不重叠的。然后,根据一定的时隙分配原则,使各个设备在每帧内只能按指定的时隙向网关发送信号,如图8-23所示。
TDMA信道示意图
图8-23TDMA信道示意图
 
3)CDMA
      CDMA技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道。
      在CDMA系统中,每个用户被分配给一个唯一的伪随机码序列(扩频序列),各个用户的码序列相互正交,因而相关性很小,由此可以区分出不同的用户,如图8-24所示。
CDMA信道示意图
图8-24CDMA信道示意图

3.随机多址接入协议

       随机多址接入协议又叫作有竞争的多址接入协议。各节点在网络中的地位是等同的,通过竞争获得信道的使用权。
 
(1)随机多址接入协议可分为:
  • 完全随机多址接入协议(ALOHA协议);
  • 载波侦听型多址接入协议(CSMA)。
(2)随机多址接入协议主要关心两个方面的问题:
  • 稳态情况下系统的通过率和时延性能;
  • 系统的稳定性。
1)纯ALOHA协议        
       ALOHA于1970年由美国夏威夷大学提出,用于地面分组无线电系统。
       纯ALOHA协议是最基本的ALOHA协议。其基本思想:每个站可随时发送数据帧,然后监听信道看是否产生冲突,若产生冲突,则等待一段随机的时间重发,直到重传成功为止,如图8-25所示。
纯ALOHA协议
图8-25 纯ALOHA协议示意图
 
       设发送一帧所需时间为T(帧时),且帧长固定。一个帧发送成功的条件为必须在该帧发送前后各一段时间T内(一共有2T的时间间隔)没有其他帧发送,如图8-26所示。
纯ALOHA协议冲突
图8-26 纯ALOHA协议冲突示意图
 
纯ALOHA协议的信道效率:
  • 吞吐率S:在帧时T内成功发送的平均帧数。合理的S为0≤S≤1。
       ■若S=0,意味着信道上无成功数据帧传送;
       ■若S=1,意味着数据帧一个接一个传送,帧间无空隙。
  • 网络负载G:在帧时T内总共发送的平均帧数(包含发送成功和未成功)。显然G≥S。若G=S,意味着信道上数据帧不产生冲突。
  • 在稳定状态下:G=S+R,其中R为帧时T内重发的平均帧数。
        假设:帧长固定,无限个用户,按泊松分布产生新帧,平均每帧时产生S帧(0<S<1);发生冲突重传。
        在2T内产生冲突的概率为1-e-2G,因此,在2T内重发的平均帧数为R=G(1-e-2G)。
        G=S+R=S+G(1-e-2G)所以S=Ge-2G。
        当G=0.5时,Smax=0.184。如图8-27所示,同样吞吐率情况下选择延时较小的效率会更高。一般应用中实际选取S<10%。
纯ALOHA协议信道
图8-27   纯ALOHA协议信道效率图
 
2)时隙ALOHA协议
       时隙ALOHA协议在1972年由Robert提出。针对纯ALOHA协议,若缩小易受破坏区间,就可以减少分组碰撞的概率,提高系统的利用率。如图8-28所示,其基本思想是把信道时间划分成离散的时间隙,隙长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时才允许发。当一个分组在某时隙到达后,它将在下一时隙开始传输,并期望不会与其他节点发生碰撞。常见的RFID技术都是采用时隙ALOHA协议。
时隙ALOHA协议冲突
图8-28时隙ALOHA协议冲突示意图
       时隙ALOHA协议冲突危险区是纯ALOHA的一半,所以S=Ge-G。当G=1.0时,Smax=0.368。
       与纯ALOHA协议相比,降低了产生冲突的概率,信道利用率最高为36.8%。
       图8-29为纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议的通过率曲线。很明显,时隙ALOHA协议的最大通过率是纯ALOHA协议最大通过率的2倍。但是网络负载G也增加了一倍。G越大重发帧数量越多,可以近似的理解系统的延迟越大。
【例8-9】若干LoRa终端用纯ALOHA随机接入协议与单信道LoRa网关通信,信道速率为5.5kb/s。每个终端平均每3min发送1帧,帧长为50B。问:系统中最多可容纳多少个终端?若采用时隙ALOHA协议,其结果又如何?
         解:设可容纳的终端数为N,每个终端发送数据的速率是
则归一化G=1/2.2=454.5ms。
纯ALOHA与时隙ALOHA协议信道
图8-29纯ALOHA与时隙ALOHA协议信道效率图
 
      由于纯ALOHA系统的最大系统通过率为1/2e,则有LoRa终端数量为
       若采用时隙ALOHA协议,最大通过率为1/e,则有LoRa终端数量为
3)载波侦听型多址协议
        载波侦听多址接入协议CSMA是从ALOHA协议演变出的一种改进型协议,它采用了附加的硬件装置,每个节点都能够检测(侦听)到信道上有无分组在传输。
       基本思想:如果一个节点有数据要传输,它首先检测信道是否空闲,如果信道有其他数据在传输,则该节点可以等到信道空闲后再传输。
       这样可以减少要发送的数据与正在传输的数据之间的碰撞,提高系统的利用率。
       CSMA协议分为三类:
     (1)非坚持型(Non-persistent)CSMA(如图8-30所示):①先监听信道,若信道忙,则退避一段时间后再监听;②退避时间内放弃监测信道。优点是减少了冲突的概率;缺点是增加了信道空闲时间,数据发送延迟增大。
     (2)1-坚持型CSMA(如图8-31所示):①先监听信道,若信道忙,则退避一段时间;②退避时间内一直坚持检测信道状态,直到信道空闲再发送。优点是减少了信道空闲时间;缺点是增加了发生冲突的概率。
     (3)p坚持型CSMA:①先监听信道,若信道忙,则退避一段时间;②退避时间内一直监测信道;③信道空闲之后,以概率p发送,以概率q=1-p延迟至下一个时隙发送。若下一个时隙仍空闲,重复此过程,直至数据发出或时隙被其他站点所占用。
        图8-32中有多种随机信道多址方案特性对比,其吞吐量S和网络负载G的关系曲线图展示出不同随机多址的理论信道效率关系。
非坚持型CSMA示意图
图8-30非坚持型CSMA示意图
坚持型CSMA示意图
图8-311-坚持型CSMA示意图
多种随机接入多址标准对比图
图8-32   多种随机接入多址标准对比图
        实际应用中选择信道效率等参数时,要选择S高点的左侧,且如果信道中的节点所发送的数据达到最高峰时,不可以再增加网络中的节点设备,否则会带来更多的冲突和吞吐量的下降。吞吐量S决定最大信道容量,而负载G决定了系统的平均延迟,在实际计算中可以近似理解G为系统的平均延迟。在实际应用中一般选择其理论吞吐量最大值的50%作为信道上限。对于非坚持型CSMA的应用中选择可以忍受的最大负载G(延时)对应的吞吐量S的50%作为信道容量上限。
     【例8-10】继续采用例8-9中的参数,在实际工程应用中,支持的LoRa终端设备数量为多少?此时的平均延时是多少?
       解:我们只需要将例8-9中计算的理论值乘以50%即可。
       结论是采用ALOHA协议实际工程应用中支持230个设备,此时最大系统通过率为1/4e;采用时隙ALOHA协议实际工程应用中支持460个设备,此时最大系统通过率为1/2e。
       将纯ALOHA中SP=1/4e=0.09和时隙ALOHA中SS=1/2e=0.18分别代入图8-32查询,得到GP=0.2,GS=0.3。此时两种多址方式的平均延时tP_average和tS_average分别降低为0.2个归一化延时长度和0.3个归一化延时长度。
       tP_average=454.5ms×0.2=90.9ms,tS_average=454.5ms×0.3=136
       从例题8-9中可以看出,在使用工程参数后,延时减小,信道稳定性提高,对于突发多数据情况有一定的容忍度。
     【例8-11】在一个LoRa应用中,其终端设备采用非坚持型CSMA,信道速率为5.5kb/s。每个终端平均每3min发送1帧,帧长为50B,系统平均反应延迟要求小于0.15s。问该系统最多支持多少此类终端设备。
       解:归一化延迟G=容许延迟/帧长度=0.15/[(50×8)/5500]=2.06。
       从图8-32查询,G=2时,非坚持型CSMA对应的S=0.64,在实际工程应用中取50%为信道上限,此时S=0.32。
        N=5500/2.2×0.32=800个终端设备。
        备注:上述讨论中的延迟信道容量都采用近似方式,与建模仿真数据有一些偏差,不过采用上述方式计算信道最大容量和平均延迟是最高效的工程方法。
        上述讨论都是针对随机信道多址的信道选择方案,而针对固定多址信道的结果会不同,且一般情况下固定多址的理论信道容量会更大,更容易接近100%。
        其中1-坚持型CSMA和p坚持型CSMA都需要持续监控信道,在LoRa应用中只能支持常带电设备,如LoRaWAN中的ClassC设备。纯ALOHA和非坚持型CSMA是最简单的低功耗模式标准,是LoRa应用中最常见的方式,如LoRaWAN中的A类设备。其中时隙ALOHA由于具有时隙的时间控制,需要与网关进行时钟校准,可以应用于私有协议的主动上报加对时方案或LoRaWAN的ClassB应用。

二、LoRa信道计算

       上一小节详细介绍了所有与LoRa通信技术相关的多址协议。本小节将结合LoRa应用和网络通过基础多址协议的理论分析LoRa的信道容量等问题,并提出解决方案。

1.LoRa在多址技术上的特点

1)载波监听(侦听)CAD
        根据载波侦听多址接入协议CSMA可发现,具有监听能力的设备其网络容量可以大幅增加。LoRa终端节点芯片SX126X和SX127X系列芯片都具有CAD功能,只需要监听非常短的时间(一般为2个码元长度),就可以判断是否为当前编码和信道的数据,从而判断是否信道被占用。其检测方法并非传统技术的信号强度RSSI检测,而是通过LoRa相干解调的信号来判断,所以误判率低。CAD的LoRa系统具有低功耗和碰撞概率低的特点。
        在一个系统中的,存在载波监听失效的情况,若一个LoRa系统中有一个网关和两个终端节点。终端节点分别布置在网关的两侧,三个设备连成一条直线。设置两个节点的发射功率为刚好实现与网关勉强通信。一侧的终端节点发送数据时,另外一侧的终端节点无法监听到其占用信道,此时如果也发送数据,则会发生信道冲突,如图8-33所示。
图8-33CAD失败示意图
 
       针对载波监听失效的情况,出现概率较低,对于智能家居等近距离应用失效率小于3%,对于表计等深度覆盖的单信道应用中,监听失效的概率一般不到10%;对于LoRaWAN的社区城市覆盖时,对于单个网关存在监听失效情况的概率为10%~30%,但是由于为多网关协作透传NS解调的策略,在实际应用中不会引起任何丢包和重传,只是对信道容量有很小影响。
        在实际应用中CAD的使用叫作先听后说(Listen Before Talk,LBT),中国的无线电管理规范中建议使用LBT功能以减少信道的相互干扰。
2)扩频因子正交CDMA
        LoRa的信号在不同的SF与BW组合下调制模式都是相互正交的,可以使用CDMA方式进行数据传输。
        在相同的一个信道内,BW不变的情况下,可以通过改变扩频因子SF实现多路正交数据互不干扰传输。扩频因子的选择从SF=5~SF=12共计8种多址;每个多址对应的通信速率也不相同。
        如果考虑一个带宽内使用不同的BW,则LoRa信道会更多。比如在一个500kHz的带宽内,可以采用BW=500kHz/250kHz/125kHz/62.5kHz等多种BW。即使只选择BW=500kHz/250kHz/125kHz这三种情况。500kHz信道可以作为1组BW=500kHz通道的SF=5~SF=12的8种多址,同时500kHz信道支持两组BW=250kHz通道和四组BW=125kHz通道,可以承载的LoRa通信多址共有8×(1+2+4)=56个。
3)冲突解调功能
       无论LoRa终端节点芯片还是网关芯片都具有冲突解调功能。芯片具有同信道抑制功能(Co-channelRejection),当一个信道内同时进入两条或多条同样带宽和扩频因子的不同终端节点数据时,存在正 确解调其中一组数据的能力;若其中一个数据的信号强度比其他数据信号强度大6dB以上,可以正确解调这组数据。当此情况发生时,被解调的信号可以收到网关下行ACK确认帧,未被解调的信号会被重发。
       在LoRa传输私有协议应用中两个终端节点传到网关的数据信号强度差距比较明显,从统计角度分析,可以在发生碰撞时解调出一个信号的概率大于60%。这个概率数字是一个经验值,根据不同的应用和实施环境会有所不同,这跟节点距离网关的距离分布概率相关。
   在LoRaWAN协议中,使用ADR后,会有归类效应,网关收到的信号强度也比较类似,此时发生碰撞(同BW、SF)解调出一个信号的概率约为40%。
       上述的经验参数对于评估信道容量提供基础数据,应用中计算需要根据实际情况进行调整,比如节点部署都非常接近时,这些节点进入网关的信号强度差距就不大,冲突解调率就会下降。

2.私有协议LoRa网络信道

       LoRa私有协议网关一般使用节点芯片实现,每个节点芯片在同一时刻只能接收或发送一组固定的BW/SF组合(收的组合可以与发的组合不同),上下行通信的中心频率可以不同,这些都是私有协议内部商定的。信道容量主要跟BW/SF设置影响的LoRa传输速率相关,上下行中心频率对于信道容量性影响不大。
       在常用的私有协议应用中,其BW常用125kHz或者250kHz,SF选择为SF=7~SF=11。其常见速率为0.5kb/s~10kb/s。LoRa私有协议中节点类型基本相同,设备具有同样的功能以及包长度,所以使用单信道网关管理非常方便,而针对大量随机应用的网络一般使用LoRaWAN网络。
       私有协议LoRa网络根据应用不同,分为主动问询模式、固定多址时分复用TDMA和随机多址非坚持型CSMA。
1)私有协议主动问询模式
       主动问询模式采用下行通道控制方式,终端节点需要有一定的实时响应特性,一般为常带电的电表或电气设备的控制管理,或者为智能锁之类的可唤醒设备的控制管理。主动问询模式针对后者需要考虑其功耗,不可以过频繁地下行问询。
       常带电设备主动问询模式下信道利用率最高,网关每次通信主动下行问询一个终端设备,收到应答后再下行问询第二个终端设备,当遇到丢包时重发数据包。不会出现竞争和冲突的现象。在理想情况下,该系统中只有一个网关会主动发送数据,不会出现冲突和信道干扰情况。当丢包率为0时,信道的容量使用率为100%,实际应用中需要考虑丢包率的情况,所以信道容量使用率不会达到100%。
      【例8-12】一个LoRa智能空调数据管理项目,网关每隔5s问询场区内所有智能空调的用电数据,已知网关问询命令包时长为20ms,智能空调上行数据包时长为100ms,网关和智能空调反应时间忽略不计,在丢包率为5%的环境中,最多可以容纳多少智能空调?
       解:一次双向通信时长为20ms+100ms=120ms,发生丢包时,网关会主动下行重发。
N=5/0.12×(1-0.05)=39.6
       所以本项目最大可以支持39个智能空调同时工作。
       对于智能门锁这类唤醒型低功耗应用网络,每个终端设备使用频次非常低,对信道容量使用率问题不做讨论,一般需要考虑的重点是如何保证低功耗和实时性。一些智能水表和智能气表也采用这种策略问询指定设备状态或控制状态,同样主要考虑功耗和实时性。具体讨论在5.1.2节中有详细分析和介绍。
2)私有协议固定多址分析
       在表计等私有协议应用中,常使用的是固定多址时分复用TDMA的方式。每个终端节点被编号,然后配置在指定的时隙内通信。可以采用终端节点主动上报,网关下行确认的方法,也可以采用在时隙内终端节点打开接收窗口,接收网关下行命令后再上行数据的方法。两种方法大同小异,多数采用前一种方法。由于存在一定的丢包率,一般需要预留至少10%的时隙作为丢包后重发的时隙,预留时隙百分比跟丢包率相关,丢包率越大需要预留的重发时隙越多。由于每个设备内部晶振存在偏移现象,每次通信过程中都必须进行对时,且每个时隙中要预留晶振偏移的偏差时间,一般预留最大偏差的2倍以上。终端设备发包频次越高,且时钟偏差越小,预留偏差时间越小,信道使用率越高。
       【例8-13】一个LoRa智能电表项目中,要求每1min上传一次数据,每次上下行通信需要占用100ms时间,丢包率为1%。LoRa网关 和终端使用频率偏移为30×10-6的晶振。请问:每个时隙的长度应该如何设定,最多可以容纳多少智能电表?
      解:频率偏移为60s×30×10-6×2=3.6ms(这里乘以2是因为存在网关和终端节点频率偏移方向相反的情况)。预留保护时间带为3.6ms×2=7.2ms(时隙时间偏差可能存在前偏和后偏两种情况)。
       总时隙长度为100ms+7.2ms×2=114.4ms。丢包率为1%比较低,选择10%的预留时隙即可。
       总信道可以容纳的电表为N=60s/114.4ms×(1-10%)=472个。
       此时的S=100ms/114.4ms×(1-10%)=78.7%。
       如果实际应用中的终端节点数量大于其信道最大容量,可以通过增加频率信道的方案,可以理解为时分复用加频分复用。当网关内增加一组节点模块后,可以在两个频段分别进行数据接收,原有的分组时隙数量可以直接翻倍,原有的终端设备可以一半规划到新的频率信道上。如例8-13中需要容纳1000个LoRa电表,则可以更换为三信道网关。采用三信道网关后,可以容纳472×3=1416个电表。
3)私有协议随机多址分析
      在私有协议智能家居应用中,一般采用非坚持型CSMA协议。如果还有人使用纯ALOHA协议,应尽快切换为非坚持型CSMA协议。在前文中我们对该方法进行了分析。实际应用中大家对智能家居的容量问题非常关心,主要关心的是复杂环境下的表现,比如同时有多个设备在上报数据或多个开关被打开这样的多并发环境下的稳定性和延迟特性。一般考虑在极短时间内有多个智能家居设备被触发并同时上行数据,此时相当于对CSMA协议中对G的延时要求更高。此处不讨论下行控制环 节,因为系统下行数据量远小于上行数据量,若单信道网关遇到下行数据过多影响上行接收时(半双工芯片,发送下行信号无法同时接收数据导致丢包和重发),可以通过使用两个终端节点芯片改为双信道全双工网关。
      【例8-14】在一个LoRa智能家居应用,其终端设备采用非坚持型CSMA,信道速率为5.5kb/s。上行帧长为50B,下行确认帧长度可以忽略,CAD失效率为3%;平均每个设备每分钟发射一个数据帧,系统平均反应延迟要求小于0.1s。问最多可以支持多少个智能家居设备。
       解:归一化G=0.1/[(50×8)/5500]=1.38
       通过图8-32查询,G=1.38时,非坚持型CSMA对应的S=0.52,在实际应用中取50%为信道上限,此时S=0.26。考虑CAD失效率百分比对信道上限影响因子为0.8,则修正后S=0.26×(1-3%×0.8)=0.25
       所以可以支持的智能家居终端设备为
       N=5500/6.67×0.25=206个
       采用LoRa作为智能家居应用中最常用的信道速率为5kb/s左右,LoRa参数为:SF=7,BW=125kHz;或SF=8,BW=250kHz;或SF=9,BW=500kHz。
       在固定多址应用中例8-13的信道最大容量S=78.7%,而例8-14中随机多址环境下只有S=25%。在LoRa网络系统中选择固定多址方案网络容量为随机多址方案的2~3倍。有些应用无法都选择固定多址的原因是物联网的碎片化,尤其是在LoRaWAN的大网络中,有各种不同的设备按照不同的频次规律发送不同长度的数据包,无法固定时隙。

3.LoRaWAN网络信道

       LoRaWAN的网络信道集成了LoRa所有通信和多址的优点,包括CAD技术的随机多址CSMA,扩频因子正交的码分复用CDMA,卓越 的冲突解调能力。LoRaWAN信道容量大,面对复杂应用鲁棒性强等优点明显。当进行信道模拟计算时,这些影响参数较多,再加上网关的芯片不同和构造不同(16信道、64信道网关),其信道复杂度较大。本节只能通过近似的手段来计算和评估。
1)LoRaWAN技术模式分析
       由于LoRaWAN一般有8条信道,且每个信道是相互独立的,因此只要从一个信道入手,计算其容量后,再乘以8就是整个LoRaWAN网关的容量了。如果是16信道或64信道网关直接乘以信道数即可。备
注:实际上网关芯片SX1301的8条物理信道和8个解调通路是相互独立的,对于解调通路来说,不关心LoRa信号从哪个信道进入的,只关心进入的信道频率和扩频因子组合个数。不同频率和不同扩频因子的信号组合两两正交,LoRaWAN可能存在的正交信号共计48种可能(8信道×6种SF)。SX1301的8条物理信道中进入的所有信号最后都会在8条解调通路进行解调,如果同一时刻进入的正交信号数量大于8种,则只能解调8种,丢弃其余的数据包。由于独立8信道网关模型和整体8信道网关模型对于网络容量的计算结果差距不大,为了方便模型分析,才会采用这种近似的理解方式。
       下面从SX1301的一个信道进行分析。首先需要统计LoRaWAN网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具可以查出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率,并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间,然后进行加权平均和数据处理。
       处理方法为:将一段时间内,比如1周内,所有的LoRaWAN终端节点上行数据包采集下来,记录总的数据包个数 ,所有数据飞行时长加权统计。我们可以通过统计学的方式进行平均分析,目的是把不同长度进行统一方便计算。把所有的终端节点看成一种相同的节点,其平均飞行时间taverage及频次faverage为
 
2)信道容量推导
        此时信道收到的信号可能是相同扩频因子,也可能是不同的扩频因子。如果是相同的扩频因子,则CAD功能的CSMA起主要效果,不太会出现信道中同扩频因子现象。所以当信道中同时有两个或多个信号出现时,大概率为不同的扩频因子,对于SX1301的接收机可以同时解调不同的扩频因子(同时不超过8个)。此时的信道容量与非坚持型CSMA标准非常相似。这里需要注意,如果不同的扩频因子数据碰撞时无法解调且互相影响,则信道容量接近纯ALOHA标准。我们按照非坚持型CSMA对SX1301的单信道进行分析,此时已有taverage和faverage;由于物联网应用对延迟要求不高,G可以选择3倍的taverage。通过图8-32查询G=3时,S=0.72。选择信道极限容量的一半S=0.36,则网关单信道可以容纳节点数量为
      那么8信道的SX1301网关可以支持的节点数量为
       经过一些应用统计,常用的智慧社区和智慧表计等LoRaWAN统计数据不同。
       智慧社区:taverage=250ms,faverage=3.0×10-4。
       智慧表计:taverage=400ms,faverage=2.7×10-5。
       针对于智慧社区:N=38400个终端设备。
       针对于智慧表计:N=267000个终端设备。
       很显然,LoRa网关的容量非常大,现在已经架设的LoRa网关依然有很大的余量来支持更多的应用。这是因为智慧社区和智慧表计中的设备每天的发包频率很低,比如智能烟感每天只发三次数据包,而表计每天只通信1~2次。
       网络容量也可以通过支持多少条数据作为评判标准,一般采用天为单位,
Nmessage=24×3600×S×8÷taverage
       对于表计应用,一个SX1301网关每天可以支持Nmessage=62.2万条上行数据。
       备注:上述计算均为只考虑上行信道的推导计算,SX1301芯片是上下行非对称结构(8路上行,1路下行)。未做下行信道扩容的标准SX1301网关,信道容量的最大值由下行信道决定,其下行信道模型等效为S=0.8的单信道多址。
        在智慧表计的讨论中,如果考虑下行通道影响,若下行通道的tdown_average=250ms(一般下行数据多为确认帧,包长较短),则
       Ndown_message=24×3600×S÷tdown_average=24×3600×0.8÷250m  万条下行数据。
       在考虑下行信道后,系统的容量有所降低,但是依然足够大。这也是SX1301芯片设计采用8路上行1路下行的原因。在一些下行较多的应用中,可以通过节点芯片扩充方式实现多路下行网关。
3)其他网关信道容量
        如果使用的是多信道的SX1301网关,如16或64信道,可以直接看使用了几个网关基带芯片SX1301,则直接将N0的计算结果上乘以 几。
        针对SX1302芯片,由于支持SF=5和SF=6高速率的扩频因子,其信道容量可以近似认为是SX1301的3倍:
SSX1302=SSX1301×3(支持SF=5或SF=6)
        在SX1302与SX1301都使用同样SF=7~SF=12的扩频因子时,可以近似地认为比SX1301信道容量增加了30%。
        SSX1302=SSX1301×1.3(不支持SF=5或SF=6)
        在LoRaWAN应用中,信道容量其实是非常充足的,关键点还是在于信号覆盖问题。LoRa的信道容量很大,一般只有在高频数据包的私有协议网络应用中,才需要仔细计算网络容量。

三、LoRa应用中的信道优化策略

       在多址协议的信道容量分析中,我们发现固定多址的频道容量明显优于随机多址的信道容量。而且我们已经知道,在LoRa网络系统中选择固定多址方案网络容量为随机多址方案的2~3倍。因此在提升
LoRaWAN的网络容量方法中,可以将一些有规律的终端设备转换为固定多址网络,从而减小延迟提高信道容量。

1.动态速率条件下的长包发送解决方案

      根据LoRaWAN协议,低速率条件下允许发送的包长度只有51B,如表8-5所示。许多LoRaWAN应用中的传感器会缓存当前状态(称为一个长数据包),一次发送。
表8-5LoRaWAN扩频因子与包长度表
       当数据包很长时会出现两个问题:一个是数据包长度超过1s不符合无线电管理规范;另一个是数据包太长了其丢包率会大幅上升。举例说明,一个飞行长度为t的数据包其丢包率为10%,那么飞行长度为5t的数据包丢包率为1-(1-10%)5=41%。根据上述的两个原因,必须采用分包传输的方法。但是分包传输也有缺点,每次发包都需要收到网关的下行确认帧,根据LoRaWAN协议,这个确认帧的接收至少需要1s的等待时间,如此操作大大降低了通信的效率。
图8-34所示为一种针对长包发送的解决方案:
  • 针对不需要及时发送的数据缓存当前待发长数据包;
  • 根据当前速率按照最大数据长度截取数据包长;
  • 截取数据包后分帧完成发送;
  • 服务器端校验数据完整性,下发请求重传命令。
分帧发送时序示意图
图8-34分帧发送时序示意图
 
       采用这种策略的优势是少了网关与终端节点的通信等待。实施操作也非常方便,只要终端设备中配置好此种程序,在每一帧的数据格式中标识出为被截取的第几个数据帧,最后需要在NS上进行配置,当读取到特定参数的数据帧后,不做下行控制,直到读取到指定数据帧后定时应答。为了防止由于最后一个数据包错误而丢失网关下行应答时间,可以在不同的帧内包含相应时间参数。一般每帧内都包含以下数据:本次发包一共几个数据帧,当前是第几帧,即使最后一帧数据丢包,依然可以准时下行应答并下发重传指定数据包的指令。
       LoRaWAN实际测试数据如下:
  • 采用SF=12、125kHz和SF=7、125kHz两种不同参数传输2KB数据,在丢包率为0的情况下传输时间分别为120s和15s。
  • 采用SF=12、125kHz和SF=7、125kHz两种不同参数传输2KB数据,在丢包率为10%的情况下传输时间分别为180s和25s。

2.电池供电设备的群组实时控制解决方案

       在LoRa的应用中,经常有多个低功耗设备下行控制的需求,比如智慧酒店的多个门锁需要同时打开,或如图8-35所示的智慧喷水,需要同时开启多个喷水器,尤其是在设备固件升级FUOTA时,升级时间过长和功耗的问题非常严重。我们知道组播通信是能应用于ClassC设备的,针对ClassB设备其实也可以利用这个功能。
     LoRa智慧喷水设备示意图
 图8-35LoRa智慧喷水设备示意图
 
       针对上述问题,提出了下行广播群组方案。在设备入网时就编入指定群组,且在群组内每个设备有自己的编号,这个编号是用于时分双工TDD应答时的时隙选择。如图8-36所示,当网关下行组播指令,终端设备收到组播命令后确认与自己相关,并执行相应操作,操作成功后计时器开起。当计时器时间到达自身编号所对应的应答时隙时,上行应答确认包。网关则持续打开接收通道,将时分的上行确认数据一个个地接收。当系统丢包时,网关可以针对丢包的终端设备单独发标准下行命令与之通信。
LoRaWANClassB设备组播通信组播图
图8-36LoRaWANClassB设备组播通信组播图
 
       在智能家居和智慧灯控等应用中,此类群组广播、TDD应答为最好的解决方案,尤其针对有下行事件较长或下行设备很多的情况。
       该方案基于LoRaWAN标准的扩展特性,具有如下特点:
  • 默认每个编组最多支持253个设备;
  • 确认广播包下行发送(协议层自动处理握手);
  • 节点侧基于TDMA算法的自动回复机制;
  • 基于IDMap的节点点名回复机制,提升多播组传输效率。该方案在LoRaWAN不同场景中使用的实际测试耗时如下:
  • ClassB组播指令:ClassB模式采用SF=12确认下行的传输时间为3~6min(253个设备,冗余传输保证100%的成功率)。
  • ClassC组播指令:ClassC模式采用SF=12确认下行的传输时间为2~4min(253个设备,冗余传输保证100%的成功率)。
  • ClassC广播文件:ClassC模式采用SF=10传输32KB文件耗时为15~30min;采用SF=12传输32KB文件耗时为50~90min(253个设备,冗余传输保证100%的成功率)。

3.短时隙内高并发通信的防冲突解决方案

       8.2.2小节介绍的LoRaWAN随机多址协议,在多数应用中其信道容量是足够的。但是在工业设备状态监控的应用中,多设备、多传感器并行上报情况很多,对系统信道容量有一定的要求。
       这时可以参考私有协议固定多址策略,将原有的无序随机多址协议转化为固定多址的协议即可。图8-37所示为进行固定多址的时分多址和频分多址。如果系统内有不同的SF数据,可以分成不同时隙类别占用不同信道。比如SF=7占用信道CH0~CH4;SF=8~SF=10占用信道CH5~CH7。
LoRaWAN数据帧规划示意图
图8-37LoRaWAN数据帧规划示意图
       该方案策略是当设备入网时与网关同步,并在此时分配时隙。之后设备会根据时隙进行数据上行,并定期与网关进行时钟同步。时隙的管理和分配都是由NS统一执行的。采用此策略后,完全解决了系统内信号阻塞和相互干扰问题。与私有协议固定多址策略同样需要注意预留10%左右的丢包重传时隙。一般保证预留时隙为丢包率5倍以上,如丢包率2%,则需要至少10%的预留时隙。采用此策略LoRaWAN网络信 道容量可以提升到原来的2~3倍。

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