評(píng)估LoRa覆蓋性能 開(kāi)展終端節(jié)點(diǎn)定位研究

低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）是新型的無(wú)線通信技術(shù)，主要包括工作在授權(quán)頻段的NB-IOT技術(shù)和非授權(quán)頻段的LoRa技術(shù)。評(píng)估LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)展定位研究。

通過(guò)數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、路徑損耗模型，基于離散事件方法模擬單個(gè)基站覆蓋，得出對(duì)應(yīng)參數(shù)配置下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包獲取率、數(shù)據(jù)包碰撞率及網(wǎng)絡(luò)能量消耗情況。同時(shí)，使用TDOA算法對(duì)LPWAN中的終端節(jié)點(diǎn)定位分析，提高路由效率，確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是通過(guò)無(wú)線通信方式組成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由微型傳感器控制節(jié)點(diǎn)組成。它能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被觀察對(duì)象的信息，并發(fā)送給采集者[1]。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)無(wú)線通信提出了更高要求，使得低功耗、遠(yuǎn)距離、廣覆蓋、多連接的LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。以GSM和GPRS為代表的廣域無(wú)線通信技術(shù)，具有通信速率高的特點(diǎn)。但是，接入LPWAN的終端設(shè)備能耗僅為GPRS的1/10，且覆蓋能力更強(qiáng)，比GPRS提升了20 dB增益。以ZigBee和Wi-Fi為主的局域無(wú)線通信技術(shù)，具有低延遲的特點(diǎn)，但信號(hào)覆蓋范圍小、功耗高[3]。

工作在授權(quán)頻段的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）技術(shù)和非授權(quán)頻段LoRa（Long Range）技術(shù)，是LPWAN的典型代表。NB-IoT技術(shù)構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)[4]。LoRa技術(shù)得益于其免費(fèi)頻段的自組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，可以由用戶自行架設(shè)到環(huán)境惡劣、偏遠(yuǎn)等信號(hào)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的無(wú)線專網(wǎng)覆蓋。在低功耗物聯(lián)網(wǎng)中，首先需要面對(duì)的是如何評(píng)估無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)控區(qū)域的覆蓋性能，即如何評(píng)估或判定當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的覆蓋情況。本文給出以LoRa為代表的LPWAN技術(shù)，提出基于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評(píng)估。通過(guò)對(duì)相關(guān)模擬仿真軟件比較和分析，得出LoRaSim所模擬的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更符合實(shí)際場(chǎng)景中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸。LoRaSim通過(guò)數(shù)據(jù)包接收率、數(shù)據(jù)包碰撞率、網(wǎng)絡(luò)能量消耗參數(shù)等，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能進(jìn)行評(píng)判。

LoRa技術(shù)遵循的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)為L(zhǎng)oRaWAN協(xié)議。該協(xié)議是LoRa Alliance為L(zhǎng)PWAN制定的全球標(biāo)準(zhǔn)。低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其中遵循LoRaWAN協(xié)議的設(shè)備為L(zhǎng)oRaWAN終端。工作的LoRaWAN終端支持定位功能。對(duì)LoRaWAN終端進(jìn)行定位時(shí)，不需要增加額外的成本和處理能力，這為終端的定位節(jié)約了成本。

本文共包括5部分：第1部分概述LPWA網(wǎng)絡(luò)覆蓋及定位技術(shù)背景介紹；第2部分給出LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)框架，說(shuō)明各部分的作用與功能；第3部分聚焦LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性，給出主流仿真軟件，同時(shí)以LoRaSim軟件為模擬工具，開(kāi)展LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中單一基站覆蓋性能的研究；第4部分總結(jié)LoRaWAN終端定位方法，重點(diǎn)探討精度較高的TDOA架構(gòu)及所涉算法，得出基于TDOA技術(shù)的定位方法更加適用于低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)；最后進(jìn)行總結(jié)和展望。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)器組成。終端節(jié)點(diǎn)采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景滿足低功耗、廣域連接要求。網(wǎng)關(guān)是傳輸?shù)闹薪椋鸬街欣^器的作用，將終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器互通。節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)基于LoRa調(diào)制傳輸信息，而與服務(wù)器則通過(guò)廣域通信方式連接。所有節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間雙向通信，支持云端升級(jí)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是將采集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，提供給應(yīng)用服務(wù)器，供客戶使用。

LoRaWAN覆蓋性能評(píng)估

2.1網(wǎng)絡(luò)模擬仿真

部署無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)前，需要使用仿真軟件模擬規(guī)劃，減少部署成本，優(yōu)化覆蓋質(zhì)量及性能。對(duì)于LPWAN覆蓋性能的研究，按照模型分類有基于離散事件模型的NS-3、OMNet++、ToSSIM、LoRaSim（開(kāi)源）代碼及軟件，有基于3D多路徑傳播預(yù)測(cè)模型的商用軟件S_IOT。

NS-3能夠按需編輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，并輸出性能參數(shù)[5]。OMNet++可以根據(jù)不同目的改變用戶接口，支持分布式并行仿真，利用多種機(jī)制進(jìn)行并聯(lián)的分布式模擬器之間的通信仿真[6]。ToSSIM把硬件中斷換成離散仿真事件，由仿真器事件拋出的中斷來(lái)驅(qū)動(dòng)上層應(yīng)用，支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)仿真[7]。

LoRaSim是此類軟件的擴(kuò)展，基于LoRa網(wǎng)絡(luò)特性仿真和模擬。因此，LoRaSim不僅能夠體現(xiàn)出LoRa傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多種形式的規(guī)劃，如單一基站覆蓋研究、多基站覆蓋研究等，并考慮數(shù)據(jù)包堵塞、碰撞、基站輻射效應(yīng)等實(shí)際情況。

S_IOT是一款商業(yè)軟件，能夠?qū)?D和3D數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，開(kāi)展從郊區(qū)到密集城鎮(zhèn)多種環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，包含了終端節(jié)點(diǎn)的具體地理位置信息，但是應(yīng)用成本較高[8]。

LoRaSim是免費(fèi)開(kāi)源項(xiàng)目，遵循LoRaWANTM協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)oRa網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展多種形式網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究。所以，本文采用LoRaSim模擬評(píng)估LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。

2.2基于LoRaSim網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評(píng)估

LoRaSim基于SimPy的離散事件模擬器，可以模擬LoRa網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)碰撞、分析網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性?；舅悸肥前凑帐录l(fā)生的時(shí)間順序處理，不斷從優(yōu)先隊(duì)列里取出等待事件，逐個(gè)處理，直至整個(gè)模擬結(jié)束[9]。通過(guò)LoRaSim對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)的部署進(jìn)行評(píng)估，得出一定配置參數(shù)條件下，LoRa網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包獲取率DER（Data Extraction Rate）、數(shù)據(jù)包碰撞率DCR（Data Collision Rate）和網(wǎng)絡(luò)能量消NEC（Network Energy Consumption）指標(biāo)。指標(biāo)定義及特點(diǎn)如下[10]。

（1）數(shù)據(jù)包接收率：反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，可用來(lái)評(píng)估系統(tǒng)性能。

其中NRr 為網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目；Sent 是網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目。

（2）數(shù)據(jù)包碰撞率：在其他相關(guān)條件不變，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目越多，數(shù)據(jù)包的碰撞率越高。它的數(shù)值與數(shù)據(jù)包的SF（擴(kuò)頻因子）、BW（帶寬）、CR（編碼率）、ATD（到達(dá)網(wǎng)關(guān)時(shí)間差）、AP（到達(dá)功率）等參數(shù)有關(guān)，定義為：

其中Nc 為網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生碰撞的數(shù)據(jù)包數(shù)目；Sent 是網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目。

（3）網(wǎng)絡(luò)能量消耗：即LoRa網(wǎng)絡(luò)功耗總和，與Rt （數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間）、Px （發(fā)射功率）、V （節(jié)點(diǎn)工作電壓）、Ns （數(shù)據(jù)包數(shù)目）有關(guān)，表示為：

本文是對(duì)單一基站覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，仿真模擬類型分6組：數(shù)據(jù)傳輸最慢、頻率隨機(jī)選擇、數(shù)據(jù)傳輸最快、距離選擇最優(yōu)傳輸參數(shù)、LoRaWAN默認(rèn)配置及距離選擇最優(yōu)傳輸參數(shù)及功率。具體配置參數(shù)如表1所示。

擴(kuò)頻信息的發(fā)送速度稱為符號(hào)速率Rs ，碼片速率與標(biāo)稱符號(hào)速率之間的比值為擴(kuò)頻因子SF ，表示每個(gè)信息位發(fā)送的符號(hào)數(shù)量。LoRa符號(hào)速率表達(dá)式為：

6組模擬中，E0中的SF最大，BW最小，數(shù)據(jù)傳輸最慢；E1是E0的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比變量是載波頻率；E2中，SF最小，BW最大，數(shù)據(jù)傳輸最快；E3是根據(jù)距離選擇最優(yōu)傳輸參數(shù)；E4是LoRaWAN的默認(rèn)配置，是其他5組的參考實(shí)驗(yàn)；E5是E3的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在E3的基礎(chǔ)上，使傳輸功率最低。圖2、圖3、圖4分別描述了六組類型測(cè)試在單一基站覆蓋下數(shù)據(jù)包獲取率（DER）、數(shù)據(jù)包碰撞率（DCR）網(wǎng)絡(luò)能量消耗（NEC）的模擬結(jié)果。

通過(guò)仿真圖可以看出：在E2、E3、E5中，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包獲取率、數(shù)據(jù)包碰撞率、網(wǎng)絡(luò)能量消耗的變化較小，網(wǎng)絡(luò)性能較好；在E0、E1、E4中，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包獲取率、數(shù)據(jù)包碰撞率、網(wǎng)絡(luò)能量消耗的變化幅度較大，網(wǎng)絡(luò)性能較差。LoRaSim對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬部署，對(duì)配置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包獲取率、數(shù)據(jù)包碰撞率、網(wǎng)絡(luò)能量消耗參數(shù)，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能，滿足低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋性能要求。LoRaSim通過(guò)軟件模擬仿真的方式，避免了真實(shí)環(huán)境下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模鋪設(shè)，滿足了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多種參數(shù)配置和按需拓?fù)涞囊蟆?/p>

LoRa終端定位

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)以自組織方式相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位，用于目標(biāo)跟蹤或監(jiān)測(cè)。ZigBee技術(shù)是新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大，但只能專網(wǎng)專用的特點(diǎn)，不適用于要求傳輸速率高的場(chǎng)景；WiFi定位技術(shù)是基于IEEE802.11a/b/g/n通信協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，定位范圍較廣、成本較低，但服務(wù)范圍受限、能耗大特點(diǎn)，不適用于低功耗應(yīng)用場(chǎng)景；藍(lán)牙定位技術(shù)是基于IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)備體積小，但不適用于大范圍的定位場(chǎng)景[11]。

毫米級(jí)定位有超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）無(wú)載波通信技術(shù)，頻譜范圍寬、脈沖持續(xù)時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距，但定位范圍小，且易受外界影響 [12]；幾十厘米級(jí)定位有GPS+GPRS定位技術(shù)，覆蓋范圍較廣、網(wǎng)內(nèi)通信能力較強(qiáng)，但能量消耗高、易被干擾；米級(jí)定位有WiFi、藍(lán)牙定位技術(shù)，精度范圍分別是2 m左右、3～15 m[13]。LPWAN具有覆蓋范圍廣、功耗低、通信距離長(zhǎng)的特點(diǎn)。應(yīng)用在LPWAN中的節(jié)點(diǎn)定位算法必須滿足定位范圍廣、定位功耗低、定位不易受環(huán)境干擾的要求。本文提出基于TDOA的LoRa定位。

3.1定位概述

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)不同的分類指標(biāo)可以將定位方法分為不同種類型[14]，具體分類結(jié)果如表2所示。

基于測(cè)距定位依據(jù)所提取無(wú)線信號(hào)傳播中的特征參數(shù)，分為基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示值測(cè)量RSSI、基于到達(dá)角度AOA、基于到達(dá)時(shí)間TOA和基于時(shí)間差TDOA。

RSSI是通過(guò)測(cè)量基站接收到的無(wú)線射頻信號(hào)強(qiáng)度與已知的發(fā)射節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)相比較，利用信號(hào)傳播衰減模型將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離。較為典型的是基于RSSI的射頻指紋定位方法[15]。

AOA通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)到達(dá)定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的角度，利用三角測(cè)量法得到定位結(jié)果。

TOA則通過(guò)測(cè)量無(wú)線傳播信號(hào)在兩點(diǎn)間的傳播時(shí)間乘以傳播速度得到距離。

TDOA是基于目標(biāo)到達(dá)不同基站的時(shí)間差對(duì)物體進(jìn)行定位，而不是基于目標(biāo)到達(dá)基站的絕對(duì)時(shí)間對(duì)物體進(jìn)行定位。TDOA降低了移動(dòng)目標(biāo)和基站之間的時(shí)間同步要求，但是基站之間的時(shí)間必須同步。TDOA的定位精度范圍是20～200 m。本文探討的是基于TDOA的LoRa終端定位。

3.2基于TDOA的LoRa定位

依據(jù)LoRaWAN協(xié)議的功耗低、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，LoRa定位適用于追蹤移動(dòng)響應(yīng)慢、低頻的目標(biāo)，不適用于實(shí)時(shí)、高頻移動(dòng)的跟蹤。當(dāng)3個(gè)及3個(gè)以上基站同時(shí)接收到某一個(gè)LoRa終端的LoRaWAN幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)，終端的位置信息可以通過(guò)TDOA技術(shù)得到。

LoRa終端定位架構(gòu)如圖5所示。該定位不需要額外的硬件支撐，但基站之間需要精確的時(shí)間同步。每個(gè)被接收到的上行數(shù)據(jù)幀會(huì)獲得一個(gè)精確的時(shí)間戳，作為數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的一部分被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)幀的多個(gè)接收進(jìn)行排序，將所有包含該數(shù)據(jù)幀時(shí)間戳的元數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，并從定位解算器請(qǐng)求一個(gè)定位計(jì)算。在一個(gè)給定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中，基本的定位解算函數(shù)將計(jì)算不同基站接收的時(shí)間差，然后通過(guò)這個(gè)時(shí)間差測(cè)算終端到不同基站的距離。基于TDOA的算法有很多，主要包括Chan算法、Taylor算法和Fang算法。

3.3TDOA算法

基于TDOA的Chan算法[16]。在信噪比較高時(shí)，TDOA測(cè)量誤差近似服從高斯分布。在這一前提下，使用兩步最大似然估計(jì)來(lái)計(jì)算目標(biāo)的位置，即為Chan氏算法。Chan氏算法是一種基于TDOA、具有解析表達(dá)式解的定位算法，在TDOA誤差服從理想高斯分布時(shí)性能良好。在視距環(huán)境下，該算法的定位精度能夠達(dá)到克拉美羅下限。在非視距環(huán)境下，Chan氏算法的定位精度會(huì)下降。

基于TDOA的Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)算法。Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)算法是一種遞歸算法，在每一次遞歸中通過(guò)求解TDOA測(cè)量誤差的局部最小二乘解，改進(jìn)對(duì)信號(hào)源的估計(jì)位置。Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)法通常具有較好的定位性能，但需要遞歸求解，計(jì)算量相對(duì)較大。在基站排列不是標(biāo)準(zhǔn)排列時(shí)，算法很難保證收斂。

基于TDOA的Fang算法。利用傳感器得到的TDOA測(cè)量值直接估算標(biāo)簽位置，算法計(jì)算量小，在視距條件下有著很高定位精確度。

綜合三種算法的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以設(shè)計(jì)基于Taylor、Fang、Chan算法的協(xié)同定位方法。根據(jù)基站數(shù)目的不同，混合選擇Chan、Taylor及Fang算法。協(xié)同算法精度明顯高于其中任何一種單獨(dú)的定位算法[17]。

為提高定位的精確性，需要了解影響定位精度的因素。LoRaWAN定位精度的影響因素主要包括GPS的接收質(zhì)量、網(wǎng)關(guān)部署策略和密度、用于定位的算法和網(wǎng)關(guān)時(shí)間同步的精度等。通過(guò)對(duì)定位求解器的輸出結(jié)果進(jìn)行濾波、增加網(wǎng)關(guān)部署的密度、減少時(shí)間戳誤差來(lái)提高定位精度。

結(jié)語(yǔ)

過(guò)LoRaSim模擬仿真軟件對(duì)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展模擬分析，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)多種參數(shù)配置和拓?fù)?，快速獲取網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評(píng)判結(jié)果。在滿足覆蓋性能要求的情況下，按照仿真中參數(shù)配置進(jìn)行實(shí)際環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，可以大大節(jié)約鋪設(shè)成本，加快鋪設(shè)進(jìn)程?；赥DOA方法的LoRaWAN終端定位，可以提高低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)中終端的定位精度，且不需要額外的硬件支撐，減少了終端的定位成本，加快實(shí)現(xiàn)了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)的定位。