摘要：本文提出了一种通过 LoRaWan 技术实现社区能源采集的系统应用。由于 LoRaWan 技术具有通信距离远、功耗低、容易实现、成本低等诸多优点，很适合于部署社区能源采集系统。因此，将 LoRaWan 技术与社区能源采集系统有效连接并部署实施到社区能源采集系统中，是本文主要说明的问题。
关键词：LoRaWan 技术；通信；社区；能源采集
1 技术特点
1.1LoRa(LongRange)
LoRa技术本质上是扩频调制技术，同时结合了数字信号处理和前向纠错编码技术。此 前，扩频调制技术具有长通信距离和高鲁棒特性，在军事和空间通信领域已经应用了几十年，而LoRa的意义在于首先利用扩频技术为工业产品和民用产品提供低成本的无线通信解决方案。
1.2 LoRaWAN
在传统的广域连接应用中，主要借助电信运营商提供的蜂窝网络进行连接，工业、能源、交通、物流等各行业广泛采用蜂窝网络实现互联。但仍有大量的设备应用是现有蜂窝网络技术无法满足的，比如水、电、气、热等计量表 ，市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施，大面积畜牧养殖和农业灌溉，广泛布局且环境恶劣的气象、水文、矿井、山体数据采集，以及偏僻的户外作业等。
2 系统架构
2.1 网络架构
目前，基于LoRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN协议，但是通信系统网络都是星状网架构，以及在此基础上的简化和改进。主要包括以下3种。
1)点对点通信。
一点对一点通信，多见于早期的LoRa技术，A点发起，B点接收，可以回复也可以不回复确认，多组之间的频点建议分开，如图1所示。单纯利用LoRa调制灵敏度高的特性， 目前主要针对特定应用和试验性质的项目。优点在于最简单，缺点在于不存在组网。
2)星状网轮询。
一 点对多点通信，N个从节点轮流与 中心点通信，从节点上传，等待中心点收到后返回确认，然后下一个节点再开始上传，直到所有N个节点全部完成，一个循环周期结束，如图2所示，该结构本质上还属于点对点通信，但是加入了分时处理，N个从节点之间的频点可以分开，也可重复使用。优势在于单项目成本低，不足之处是仅适合从节点数量不大和网络实时性要求不高的应用。
一点对多点通信，多个从节点可同时与中心点通信，从节点可随机上报数据，节点可以根据外界环境和信道阻塞自动采取跳频和速率自适应技术，逻辑上网关可以接收不同速率和不同频点的信号组合，物理上网关可以同时接收8路、 16路、32路甚至更多路数据，减少了大量节点上行时；中突的概率。该系统具有极大的延拓性，可单独建网，可交叉组网，LoRa领域内目前主要指的是LoRaWAN技术。
点对点通信和星状网轮询的系统组成比较简单，两端都是节点，分为主从。在主节点收到从节点上行数据后会发下行确认帧给从节点，然后从节点进入休眠，工作模式 比较简单。这里主要对LoRaWAN星状网并发结构进行展开说明，LoRaWAN系统主要分为三部分：节点/终端 、网关/基站，以及服务器，如图4所示。
节点，终端(Node)：LoRa节点，代表了海量的各类传感应用，在LoRaWAN协议里被分为ClassA、ClassB和ClassC三类不同的工作模式。ClassA工作模式下节点主动上报，平时休眠，只有在固定的窗13期才能接收网关下行数据。ClassA的优势是功耗极低，比非LoRaWAN的LoRa节点功耗更低，比如针对水表应用的1O年以上工作寿命通常就是基于ClassA实现 的。ClassB模式是固定周期时间同步，在固定周期内可以随机确定窗13期接收网关下行数据，兼顾实时性和低功耗，特点是对时间同步要求很高。ClassC模式是常发常收模式，节点 不考虑功耗，随时可以接收网关下行数据，实时性最好，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能电表或智能路灯控制 。
网关/基站 (Gateway)：网关是建设LoRaWAN网络的关键设备，目的是缓解海量节点数据上报所引发的并发冲突。主要特点如下：
兼容性强，所有符合LoRaWAN协议的应用都可以接入 ；
接入灵活，单网关可接入几十到几万个节点，节点随机入网，数目可延拓；
3)并发性强，网关最少可支持8频点，同时随机8路数据并发，频点可扩展 1；
4)可实现全双工通信，上下行并发不冲突，实效性强；
5)灵敏度高，同速率下比非LoRaWAN设备的灵敏度更高；
6)网络拓扑简单，星状网络可靠性更高,功耗更低；
7)网络建设成本和运营成本很低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆服务器(Server)：负责LoRaWAN系统的管理和数据解析，主要的控制指令都由服务器端下达。根据不同的功能,分为：网络服务器(NetworkServer)与网关通信实现LoRaWAN数据包的解析及下行数据打包，与应用服务器通信生成网络地址和ID等密钥；应用服务器(ApplicationServer)负责负载数据的加密和解密，以及部分密钥的生成；客户服务器(ClientServer)是用户开发的基于B/S或C/S架构的服务器，主要处理具体的应用业务和数据呈现 。
LoRaWAN系统的优势包括：覆盖范围广，节省网络优化和施工成本，减少现场施工复杂度；服务器端鉴权可实现交叉覆盖，减少覆盖盲点；服务器端统筹管理，提高信道利用率 ，增加系统容量；网关多路并发减少冲突 ，支持节点跳频，增加系统容量；节点速率自适应(AdaptiveDataRate)降低功耗和并发冲突，增加容量；安全性高，两级AES一128(AdvancedEncryption Standard-128)数据加密；星状网络结构提高鲁棒性；LoRaWAN协议标准化。
3 LoRaWAN通信系统在社区能源采集中的应用
可以看到一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用，有个细节，你会发现终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。
LoRaWAN提供基于网络和GPS的多种地理定位服务。较之前的技术相比，两者均实现了重大进步。
结论：平均接收场强(RSS1)在一106~rJ-77之间，平均信噪比(SNR)在-7．8到10．8之间，由于网关是接近地面放置，所以高层 18层信号质量 比底层1层明显要好，SNR多为正值。6号楼1：t~20号楼距离更远，因此平均RSSI要低一10～20dB，体现了无线信号的强度随距离衰减。但测试结果显示，LoRaWAN可实现小区面积95％以上的覆盖，单基站可与小区半径350m内楼层的电井内通信。
应用案例：华北地区某无线热表项目。
基本情况：华北某高层居民楼供暖项目中使用LoRa无线模块，以解决复杂楼宇环境下无线设备通信距离不足的问题。使用点对点通信，模块端内置天线装在室内显示单元；另一端装在楼道管井内的阀控端，使用外置胶棒天线，一对一通信，频点470MHz。
运行状况：用户使用室内显示单元随时查询和调整温度，数据上传到溷端控制通断，阀控将数据通过485总线上传到后台服务器，热力公司计费运营。已运行一年，解决了高层居民楼复杂环境热计量无线通信问题，穿透性强，灵活性好。
4 业务运营
据 LoRaAlliance公布的数据，截至2016年10R，世界上有 150多个区域和城市正在试点LoRaWAN网络。韩国SK电信宣布截至2016年9月，已完成覆盖韩国90％户外区域和99％人口的LoRaWAN网络，建设速度惊人。结合不同地区和企业的市场反馈，从规模上划分，目前LoRaWAN网络建设和运营模式分三种 。
1)国家级运营商主导
由区域内优势地位 的国家级运营商主导，运营商先期投资建设网络，并负责网络建成 后的运营。对象是多种多样的城市LoRa应用，目标是打造全国范围的广域物联网络，具体应用稍稍落后于网络建设，部分可能面临其他运营商网络的潜在竞争， “先修路 ，再造车，全国通”是其特点。比如美国的Comcast、瑞 士电信、法[~Proximus、荷兰KPN以及韩国SK。
2)行业优势企业主导
通常由特定行业的大型企业主导，且通常不是传统的通信运营商进行投资建网，并负责网络运营，面向的对象非常具体，目标是打造
特定行业的上下游运营网络，应用开发几乎与 网络建设同步进行，在特定行业 内可能面临竞争也可能完全面对真空，比如电力、石油或燃气行业等们。
3)中小企业联合
相比前两种，该模式适用于相对碎片化的市场，同时区域内对物联网的需求整体较为落后，因此只能采取25少数先发企业联合的方式，进行针对单一应用和特定区域的网络建设 ，比如非洲和东南亚的部分市场。
5 总结
LoRaWAN的未来非常值得期待，短期可预见的是基于LoRaWAN的定位技术。2016年，Semtech宣布了LoRaWAN支持定位的应用，目前有少量企业从事利用RSSI为基础附加参数修正的定位研究，但精度都不高。而基于TimeDiferenceofArrival(TDOA)的多LoRaWAN基站测量定位技术更具有商用化前景，理论精度可达50m以内，实用性 更高。依照普通LoRaWAN节点平均休眠电流3uA时间同步、无需增加其他定位芯片的特性，LoRaWAN完全有希望大规模代替现有的某些定位技术。较远的距离+低功耗+低成本+可室内室外定位的组合，是LoRaWAN有别于其他定位技术的优势。
参考文献
[1]李晓东．射频识别技术中的隐私安全问题及策略[J]．微电子学与计算机，2015，22(9)：137—140.
论文作者:肖俭伟,何世刚,张保平
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/25
标签：节点论文; 网络论文; 网关论文; 通信论文; 数据论文; 技术论文; 基站论文; 《电力设备》2017年第25期论文;