LoRa实验室

LoRa整体框架图 射频信号的接收流程 射频—>中频—>基带，下面按照图中标的序号开始介绍： 1、天线接受射频信号后，（经过声表面滤波器转换，将电波转换成电信号），得到高频信号 2、高频信号需要经过低噪声放大器LNA（也叫高频头吧？）处理，将信号放大，同时，信号被转换成差分信号，差分信号经过混频器，和内部振荡源混频，得到正交的中频信号(I/Q)；（之后还要经过一系列滤波器和放大器，把信号转换成ADC可以识别的范围，具体我也讲不清楚） 3、模拟信号转数字信号：正交中频信号通过ADC进行模数转换，得到中频数字信号 4、再就是降频 5、接着整波；（当然也有自动频率校准（AFC）、自动增益控制（AGC）啥的处理） 6、降频后的信号经过LoRa解调器解调，得到基带信号，即原始信号，由原始信号得到数据包 7、将数据包放到LoRa的接收数据缓冲区（即FIFO的RX区） 8、MCU通过SPI接口访问寄存器，寄存器RegFifo(0x00)读取接收缓冲区的数据 Read more.

低功耗广域物联网络（LPWAN）是新型的无线通信技术，主要包括工作在授权频段的NB-IOT技术和非授权频段的LoRa技术。评估LoRa技术的网络覆盖性能，对网络中的终端节点开展定位研究。 通过数据碰撞、网络可扩展性、路径损耗模型，基于离散事件方法模拟单个基站覆盖，得出对应参数配置下的网络数据包获取率、数据包碰撞率及网络能量消耗情况。同时，使用TDOA算法对LPWAN中的终端节点定位分析，提高路由效率，确定网络覆盖质量，并实现负载均衡。 引言 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是通过无线通信方式组成的一个多跳自组织网络系统，由微型传感器控制节点组成。它能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被观察对象的信息，并发送给采集者[1]。物联网的快速发展对无线通信提出了更高要求，使得低功耗、远距离、广覆盖、多连接的LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗广域物联网）技术应运而生[2]。以GSM和GPRS为代表的广域无线通信技术，具有通信速率高的特点。但是，接入LPWAN的终端设备能耗仅为GPRS的1/10，且覆盖能力更强，比GPRS提升了20 dB增益。以ZigBee和Wi-Fi为主的局域无线通信技术，具有低延迟的特点，但信号覆盖范围小、功耗高[3]。 工作在授权频段的窄带物联网NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）技术和非授权频段LoRa（Long Range）技术，是LPWAN的典型代表。NB-IoT技术构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM网络[4]。LoRa技术得益于其免费频段的自组网优势，可以由用户自行架设到环境恶劣、偏远等信号盲区，实现区域内的无线专网覆盖。在低功耗物联网中，首先需要面对的是如何评估无线传感器网络对监控区域的覆盖性能，即如何评估或判定当前监控区域的覆盖情况。本文给出以LoRa为代表的LPWAN技术，提出基于该技术实现的网络覆盖性能评估。通过对相关模拟仿真软件比较和分析，得出LoRaSim所模拟的网络规划更符合实际场景中的无线传感器网络传输。LoRaSim通过数据包接收率、数据包碰撞率、网络能量消耗参数等，对网络覆盖性能进行评判。 LoRa技术遵循的远距离通信网络协议和系统架构为LoRaWAN协议。该协议是LoRa Alliance为LPWAN制定的全球标准。低功耗广域物联网中存在大量的终端节点设备，其中遵循LoRaWAN协议的设备为LoRaWAN终端。工作的LoRaWAN终端支持定位功能。对LoRaWAN终端进行定位时，不需要增加额外的成本和处理能力，这为终端的定位节约了成本。 本文共包括5部分：第1部分概述LPWA网络覆盖及定位技术背景介绍；第2部分给出LoRaWAN网络框架，说明各部分的作用与功能；第3部分聚焦LoRaWAN网络覆盖特性，给出主流仿真软件，同时以LoRaSim软件为模拟工具，开展LoRaWAN网络中单一基站覆盖性能的研究；第4部分总结LoRaWAN终端定位方法，重点探讨精度较高的TDOA架构及所涉算法，得出基于TDOA技术的定位方法更加适用于低功耗广域物联网；最后进行总结和展望。 LoRaWAN网络架构 LoRaWAN网络架构如图1所示，由终端节点、网关、网络服务器及应用服务器组成。终端节点采用单跳与一个或多个网关通信。设计时，需根据应用场景满足低功耗、广域连接要求。网关是传输的中介，起到中继器的作用，将终端节点与网络服务器互通。节点与网关基于LoRa调制传输信息，而与服务器则通过广域通信方式连接。所有节点与网关之间双向通信，支持云端升级。网络服务器是将采集到的信息进行存储与处理，提供给应用服务器，供客户使用。 LoRaWAN覆盖性能评估 2.1　网络模拟仿真 部署无线传感网络前，需要使用仿真软件模拟规划，减少部署成本，优化覆盖质量及性能。对于LPWAN覆盖性能的研究，按照模型分类有基于离散事件模型的NS-3、OMNet++、ToSSIM、LoRaSim（开源）代码及软件，有基于3D多路径传播预测模型的商用软件S_IOT。 NS-3能够按需编辑网络拓扑和网络环境，模拟网络数据的传输，并输出性能参数[5]。OMNet++可以根据不同目的改变用户接口，支持分布式并行仿真，利用多种机制进行并联的分布式模拟器之间的通信仿真[6]。ToSSIM把硬件中断换成离散仿真事件，由仿真器事件抛出的中断来驱动上层应用，支持大规模的网络仿真[7]。 LoRaSim是此类软件的扩展，基于LoRa网络特性仿真和模拟。因此，LoRaSim不仅能够体现出LoRa传输的特点，还可以对网络进行多种形式的规划，如单一基站覆盖研究、多基站覆盖研究等，并考虑数据包堵塞、碰撞、基站辐射效应等实际情况。 S_IOT是一款商业软件，能够将2D和3D数据进行融合，开展从郊区到密集城镇多种环境下的网络规划，包含了终端节点的具体地理位置信息，但是应用成本较高[8]。 LoRaSim是免费开源项目，遵循LoRaWANTM协议标准，能够对LoRa网络开展多种形式网络覆盖研究。所以，本文采用LoRaSim模拟评估LoRa网络覆盖性能。 2.2　基于LoRaSim网络覆盖性能评估 LoRaSim基于SimPy的离散事件模拟器，可以模拟LoRa网络的数据碰撞、分析网络的可扩展性。基本思路是按照事件发生的时间顺序处理，不断从优先队列里取出等待事件，逐个处理，直至整个模拟结束[9]。通过LoRaSim对LoRa网络的部署进行评估，得出一定配置参数条件下，LoRa网络的数据包获取率DER（Data Extraction Rate）、数据包碰撞率DCR（Data Collision Rate）和网络能量消NEC（Network Energy Consumption）指标。指标定义及特点如下[10]。 （1）数据包接收率：反映整个网络性能指标，可用来评估系统性能。 其中NRr 为网络接收到的数据包数目；Sent 是网络发送的数据包数目。 （2）数据包碰撞率：在其他相关条件不变，终端节点数越多，发送的数据包数目越多，数据包的碰撞率越高。它的数值与数据包的SF（扩频因子）、BW（带宽）、CR（编码率）、ATD（到达网关时间差）、AP（到达功率）等参数有关，定义为： 其中Nc 为网络中产生碰撞的数据包数目；Sent  是网络发送的数据包数目。 （3）网络能量消耗：即LoRa网络功耗总和，与Rt （数据包传输时间）、Px （发射功率）、V （节点工作电压）、Ns （数据包数目）有关，表示为： 本文是对单一基站覆盖的无线网络进行仿真，仿真模拟类型分6组：数据传输最慢、频率随机选择、数据传输最快、距离选择最优传输参数、LoRaWAN默认配置及距离选择最优传输参数及功率。具体配置参数如表1所示。 扩频信息的发送速度称为符号速率Rs ，码片速率与标称符号速率之间的比值为扩频因子SF ，表示每个信息位发送的符号数量。LoRa符号速率表达式为： 6组模拟中，E0中的SF最大，BW最小，数据传输最慢；E1是E0的对比实验，对比变量是载波频率；E2中，SF最小，BW最大，数据传输最快；E3是根据距离选择最优传输参数；E4是LoRaWAN的默认配置，是其他5组的参考实验；E5是E3的对比实验，在E3的基础上，使传输功率最低。图2、图3、图4分别描述了六组类型测试在单一基站覆盖下数据包获取率（DER）、数据包碰撞率（DCR）网络能量消耗（NEC）的模拟结果。 […] Read more.