基于LoRa,多跳的超远距离数据传输方法
时间：2022-12-07 09:30:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
余游旺
（锐捷网络股份有限公司，福建 福州 350002）
山体滑坡是山区常见的自然灾害，威胁人民的生命财产安全，破坏工程实施，给国家和人民带来严重的损失。西南地区某些大型水电站上游库区两岸山体存在多个滑坡体，一旦发生滑坡，可能会导致堰塞湖和10 m 以上的涌浪，威胁下游地区。
所以需要通过在滑坡体重点区域铺设高精度定位传感器，同时再把山体上分散的传感器的数据传送到营地进行分析。监控滑坡区域内多个滑坡点的蠕变状态建立蠕变加速度与时间的曲线图，从而预测滑坡区域的灾害风险。山体滑坡监测的区域地理条件复杂，手机几乎无信号，高山峡谷森林茂密，接收卫星信号不畅，道路条件差，线路架设困难，电源供给困难[9]。
传统Wi-Fi 网桥方案是每个高精度定位传感器通过LAN 口与Wi-Fi 模块相连，然后通过Wi-Fi 传输到对面的汇聚点，最终通过两跳中继器，传输到3.0公里外乡村的一个道路可达的孤立数据汇聚点。
1.1 方案存在的问题
（1） 数据传输不及时，工作人员每隔一周时间，到数据中心，通过U 盘拷贝传感器数据回营地，导入到监测系统进行分析，从而对灾害的预测有较长的滞后性。
（2） 工作员工的安全，从营地到数据汇聚点车程1.5 h 左右，主要是山路，滑坡高发，稍有不测，就可以有生命危险。
1.2 期望
（1） 尽量减少人员上山次数，同时需要及时的回收传感数据。
（2） 传感器通过无线的方式，把山体上分散的传感器数据及时传回营地。
1.3 面临的挑战
（1） 野外现场无电源，设备及产品只能太阳能供电，目前的主流无线传输方案如WIFI 传输功耗高，无法支撑常态运行。
（2） 野外现场无运营商信号。
（3） 重峦叠嶂，检测基地距离营地20 km 以上，无线电波的遮挡、反射、衍射严重、环境非常复杂。
（4） 进山作业困难，每逢雨季工作人员禁止入山，山路蜿蜒，随时可能有生命安全。
LoRa 是低功耗广域网通信技术中的一种，是Semtech 公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，是Semtech 射频部分产生的一种独特的调制格式。LoRa 这个名字来源于Long Range这个单词，它的优点之一就是长距离传输。
2.1 LoRa 技术优势之一：长距离覆盖
LoRa 将信号扩展到噪声中，接收方只需要知道正交的扩频序列即可从噪声中恢复信号。即使信号功率密度低于噪声25 dB，仍然能够恢复信号。一台通讯基站，城区2～3 km 覆盖半径、郊区5 km 覆盖半径、视距15 km 覆盖半径[3]。
2.2 LoRa 技术优势之二：抗干扰
对于突发/间歇式的干扰，不管干扰多强，只要符合以下条件，LoRa 的灵敏度下降小于3 dB。
a.干扰的时间长度＜LoRa 半个符号长度。
b.干扰的占空比＜50%。
c.对多普勒频移不敏感，更好的抵抗多径衰落；
对终端位移或者终端周边位移所产生的通讯干扰不敏感。
但是LoRa 的传输速率只有几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长。前面提到LoRa 有着传输距离远的优点。其实，LoRa 是牺牲了空口数据传输速率，来达到超远传输距离[1-2]。
从第一节可知，我们需要将高精度定位传感器的数据回传到营地，距离超过20 km，且所处的环境极其复杂，对于无线电的传输会有很大的多径干扰。而从第二节可知，LoRa 具有很好的长距离覆盖及抗干扰的特性。故而我们选择LoRa 技术来实现该场景的远距离数据传输[10]。
另外，高精度定位传感器数据量较大，灾害区域部署的传感器密度也高，以致要求较高的数据回传速率。这与LoRa 技术适用于低速率场景是相悖了。为了解决这个问题，需要采用多路LoRa 同时传输，以提高回传速率。
如图1 所示，整个系统包含采集终端、采集器、中继器和基站。数据上行通路从采集终端开始，采集终端将定位数据通过有线接口（RS485/RS232/以太网口，取决于采集终端的接口类型）传输给采集器，采集器将数据通过LoRa 发送，经过N 个LoRa 中继器的中继，数据传递给LoRa 基站，LoRa 基站负责将数据转化为以太网报文发送到机房设备。反之则是数据的下行通路[7]。
图1 LoRa 远距离传输系统示意
3.1 采集点区域
采集终端是高精度定位终端，负责对采集区域的滑坡数据进行采集[5]，某个采集区域会布置多个采集终端，采集终端数不超过20 个（见图2）。
图2 采集点示意
采集终端每小时上报数据总量不超过1.5Mbytes，采集器在收到采集终端上报的数据后，可以选择直接转发，如果线路拥挤也可以选择缓存一小段时间后把多次采集数据打包一起转发。
3.2 数据传输区域
LoRa 基站对采集点进行网络覆盖，确保采集点内的采集器能够将采集数据通过LoRa 网络回传到LoRa 基站。
如图3 所示，每台LoRa 基站对应一个采集点，对接采集点内的多个采集器，形成点对多点的通讯链路。由于每个采集器回传的最大带宽需求为1.5Mbyte/h，最大连接20 个采集器，因此每台LoRa 基站的有效回传数据负载需求为68.3 Kbps。通过如下公式计算LoRa 的传输速率为0.3 kbps～37.5 kbps[4]，举例见表1。本方案支持1-4 路LoRa 同时回传，故可以满足场景需求。
图3 数据传输区域示意
表1 LoRa 传输速率
第一台接收到采集器数据的LoRa 基站认为是该条通讯链路上的中继节点1，通过点对点中继的方式将数据回传到上一级中继节点，并依此类推直至回传到机房。末端中继节点部署在机房或者具备公网接入能力的设备附近，直接通过以太网口实现数据回传，至此完成采集数据的回传过程。
3.3 机房区域
机房区域需要部署物联网管理平台，其承担如下主要任务：
（1） 网络管理。南向对整个LoRa 通讯系统进行网络管理，包含系统内网络设备的统一配置、射频优化、接入认证、数据过滤、可视化监控等[6，8]。
（2） 第三方对接。北向输出统一接口对接第三方业务平台。
4.1 实际部署方案说明
按照第三节的方案，在实际部署中使用了12 个采集器、3 个中继器、1 个基站。各级间的距离见图4。本方案在现场实际部署照片见图5。
图4 部署方案示图
图5 实际部署照片
4.2 实际效果
12 个高精度定位终端，每个终端每小时生成一个1.5Mbyte 的文件。
回传性能需求：1.5*1024*8*12/3600=40.96kbps。
云平台设备管理见图6。云平台监控连续不间断工作一个月，设备无掉线，回传数据完整无丢包。
图6 云平台设备管理
本方案适用于地质灾害及水情等监测与应急、智慧城市、智慧园区、智慧水务、智慧工区、智慧林业及农牧业等。如今各行业中物联网技术应用普遍，若遇到了无法依赖运营商及卫星网络情况下的远距离数据传输的难题就可以考虑使用本研究阐述的数据传输方法。
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