LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器算法--下行路徑選擇算法對比與仿真（上）

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)是典型的星型架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但單節(jié)點(diǎn)的廣播數(shù)據(jù)也可以同時被多個網(wǎng)關(guān)收到并同時上報(bào)NS服務(wù)器，對于此消息有下行需求時，需要通過NS服務(wù)器的下行網(wǎng)關(guān)選擇算法，選擇合適網(wǎng)關(guān)進(jìn)行下行。

一個健全的算法需要考慮到不同網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)延時、空口負(fù)載、信號質(zhì)量及任務(wù)隊(duì)列選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行下行，確保下行消息可靠送達(dá)并使整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)載趨于均衡。

利爾達(dá)的下行選擇算法也隨著NS服務(wù)器的更新在不斷迭代升級，下面對兩種常用的算法進(jìn)行分析描述，并與利爾達(dá)Unicore 3.0 LoRaWAN NS服務(wù)器的最新下行選擇算法進(jìn)行仿真比較，通過仿真一起看看各種算法在實(shí)際應(yīng)用場景中是如何表現(xiàn)的。

現(xiàn)有算法簡述

LoRaWAN的NS服務(wù)器中常用以下兩種下行選擇算法，原理簡介如下：

算法1：信號質(zhì)量優(yōu)先法
上行數(shù)據(jù)有下行需求時，對所有收到該包數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的接收信號質(zhì)量（RSSI或SNR）進(jìn)行比較，選擇上行信號質(zhì)量最佳的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行下行。

算法2：影響因子得分加權(quán)法
下行數(shù)據(jù)前，根據(jù)四點(diǎn)影響因子（RSSI、SNR、網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)關(guān)通信負(fù)載）對所有收到上行數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行打分，所有影響因子數(shù)值與網(wǎng)關(guān)優(yōu)先度均呈負(fù)相關(guān)，所以將所有影響因子歸一化后加權(quán)求和計(jì)算出網(wǎng)關(guān)得分，并選擇分?jǐn)?shù)最小的網(wǎng)關(guān)響應(yīng)下行任務(wù)。

應(yīng)用場景問題分析

在實(shí)際工程環(huán)境下，以上兩種下行選擇算法已經(jīng)暴露出一些問題，下面對一些已知問題進(jìn)行描述分析。

【上下鏈路不對等問題】
網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)使用的射頻基帶芯片不同（SX1301與SX1278/SX1276）決定了通信的上下行鏈路不會完全對等，網(wǎng)關(guān)側(cè)基帶芯片的接收靈敏度較高，且?guī)в蠰NA低噪聲放大器，可以解調(diào)更低信號強(qiáng)度與信噪比的LoRa數(shù)據(jù)，因此為了保證網(wǎng)關(guān)收到上行后，下行的消息可被節(jié)點(diǎn)收到，網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率會大于節(jié)點(diǎn)以補(bǔ)償鏈路預(yù)算的差值。經(jīng)外場實(shí)驗(yàn)測試。節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為19dBm時，網(wǎng)關(guān)需要使用24dBm左右的發(fā)射功率才能保證上下行鏈路平衡。然而因?yàn)椴煌瑖覍γ赓M(fèi)頻段設(shè)備功率的限制，網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率很可能無法設(shè)定為24dBm。上下行鏈路不平衡會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的下行變得不可靠，帶來一些本可以避免的下行丟包。

下面以實(shí)際案例說明：
1、利爾達(dá)配合某客戶在某園區(qū)部署了深度覆蓋的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)以接入車位鎖、地磁、井蓋報(bào)警器等應(yīng)用，使用的是第三方的LoRaWAN NS 服務(wù)器。2平方公里左右的區(qū)域內(nèi)部署了5臺網(wǎng)關(guān)深度覆蓋地上地下所有應(yīng)用，然而在部署完成后的測試中缺頻繁出現(xiàn)確認(rèn)幀丟包的現(xiàn)象，排查后發(fā)現(xiàn)所有丟包都發(fā)生在下行鏈路，原因在于NS選擇了園區(qū)外較遠(yuǎn)處其他項(xiàng)目下的網(wǎng)關(guān)下行，而節(jié)點(diǎn)的上行可以到達(dá)該網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的下行節(jié)點(diǎn)缺收不到。
2、某路燈客戶也出現(xiàn)過類似現(xiàn)象，距離網(wǎng)關(guān)200m內(nèi)的節(jié)點(diǎn)卻收不到下行。原因在于NS選擇了極遠(yuǎn)處的一臺網(wǎng)關(guān)下行導(dǎo)致下行丟包。
以上都暴露出NS下行路徑選擇的問題，即使上下行鏈路不對等，算法需要保證不選擇信號極差的網(wǎng)關(guān)下行。使用算法二時面對該問題可能會無法有效地進(jìn)行處理

【負(fù)載問題】
1、某項(xiàng)目中接入了水表、電表、溫濕度、水浸報(bào)警等應(yīng)用，電表的485轉(zhuǎn)LoRaWAN設(shè)備集中安裝于高壓配電房內(nèi)，數(shù)量大（幾百只）且上報(bào)頻次高（unconfirm幀5min周期），配電房附近部署了一臺網(wǎng)關(guān)以保障配電房內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。而附近的水浸報(bào)警器使用Confirm幀通信并且在各類設(shè)備首次安裝或集體斷電時，該網(wǎng)關(guān)也需要響應(yīng)大量JoinAccpet的下行請求。

配電房附近的這臺網(wǎng)關(guān)因?yàn)樯闲胸?fù)載極大，若也被分配到較多附近節(jié)點(diǎn)的下行請求，由于網(wǎng)關(guān)是半雙工，在下行時勢必會導(dǎo)致一定數(shù)量上行數(shù)據(jù)包的丟失。而若選擇其他稍遠(yuǎn)處空閑網(wǎng)關(guān)下行，則可以避免該問題。使用算法一時無法做到負(fù)載均衡。

那么如何解決呢？我們下期再進(jìn)行詳細(xì)分析，敬請關(guān)注。