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慧联应用研究 | 浅谈LoRaWAN组播技术和应用(市场篇)

来源:慧联无限 | 2020.02.22



LoRaWAN的应用终端SN(以下简称SN)与网关GW(以下简称GW)的组网结构是星型网,SN与GW之间通讯是单点对单点的。通常来说一个GW的上行通道是8个,下行信道是1个,GW的这种能力决定了同一时刻网关只能发下行到1个SN。

在某些下行数据频次高或数据量较大的应用时,如果网关只是一个一个的发下行到SN,将会导致长时间下行通道的持续占用,如下行通道阻塞引起的下行ack不能应答,下行命令或数据无法下发等问题。

那么既然下行数据通道只有1个,下行通道资源这么紧张,可否让一些相同的数据同时下发到数量多于1的SN呢?这个时候LoRaWAN组播技术应运而生。




  1 . LoRaWAN组播   


什么是组播?组播是在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。如果一台发送者同时给多个接收者传输相同的数据,也只需复制一份相同数据包。它提高了数据传送效率,减少了骨干网络出现拥塞的可能性,简单来说就是一对多的通信。LoRaWAN组播功能只适用于ClassB/C模式,通过配置节点的组播分发窗口,使组内的节点暂时进入ClassB/C模式,以及关闭 分发窗口退回到正常模式这些操作使节点完成组播功能。


如图所示,单播数据是从GW直接点对点传到各个SN的,而组播数据则是可以从GW到多个SN的。



  2 . 组播应用领域  


2.1 智慧路灯

在一个城市的智慧路灯场景中,路灯的能耗数据、异常状态上报、亮度控制等都可以通过LoRaWAN协议来实现。在智慧路灯应用中,路灯的功耗、电流、电压等参数会定期发上行数据通过GW传到路灯管理平台,路灯的亮度和开关控制信号则会通过GW发送下行指令发到每个路灯控制器,路灯控制器收到指令以后执行相应的操作。通常路灯控制器是工作在LoRaWAN的Class C模式,即不需要进入休眠,一直处于等待接收下行数据的状态。


按照LoRaWAN Class C进行单播的下行方式传输,路灯只能一盏一盏的顺序控制开关,如果待控制的路灯数量较多,如两百多个,则全部发送一遍控制,至少得5分钟。延时太大,体验非常不好,如果上千盏灯同时控制,需要近半小时才能完成一次控制,完全不能满足及时打开路灯的操作。要想实现更高一点频次的调光操作,在如此多路灯情况下,依次调节,也是效率极其低下的。


这种情况下,如改用LoRaWAN组播来发送下行命令,则可以将要控制的一个街区或一个片区的多盏路灯划入同一组播分组,这时再用同一分组的组播命令数据下行,让组内的所有路灯控制器执行相同的命令,从而达到同时调控的目的。该方案不仅时效性高,体验好,也不影响该网络中其他SN的正常业务运行。组播将会一定程度上推动LoRaWAN在智慧路灯场景的广泛应用。


2.2 空中升级FUOTA(Firmware update over the air)

通常在一个LoRaWAN的网络中,最头疼的还不是GW出现问题或需要功能升级,一则GW有宽带网络和供电,便于远程定位、分析问题,也可以进行远程软件升级。二则即使不能远程连接了,由人工现场维护处理也并不太困难,毕竟GW的数量并不太多。困难的是SN,由于SN通常数量较多,而且可能部署在各种难以触及到的位置,如果需要远程维护或者功能更新、升级软件,需要耗费极其巨大的工作量、时间和成本。FUOTA则专为解决此问题而来。


FUOTA指的是通过空中下载固件并升级,这种升级方式的优点不言而喻,支持FUOTA意味着模组的软件版本升级可以完全通过无线的方式自动进行,而不需要现场维护人员对一个个SN进行独立且离线的人工方式升级,人力成本完全节约下来。在LoRaWAN组播协议应用前,FUOTA升级若考虑用单播方式进行,则几乎是不可能完成的。


一个固件包少则60KB,多则达到100KB以上,仅升级一个SN需要花费至少十几分钟时间(在升级过程中GW完全不响应其他下行数据下发),若是升级200个SN,那么总升级时间将长达两天以上,且升级过程中GW是不能执行正常业务的。因此,单播FUOTA不可行。


若采用组播协议来进行FUOTA则完全可行,同时把待升级的SN全部设置在一个分组里,将固件包分拆成若干个小包,打上序号,通过组播的方式按顺序将一个个小包发送到每一个组内的SN,这样只需要一个下载升级SN的时间即可完成所有分组内的SN的下载和升级,大大提高效率,对正常业务几乎没有什么影响。


2.3 辅助卫星定位

卫星定位技术如GPS、Beidou等在开阔无遮挡的环境下是最理想的定位技术,精度较高,且没有额外的费用,缺点则是功耗较高,首次定位时间较长(约30s)。连续定位时因其需接收机持续保持接收卫星信号、跟踪卫星状态,所以不太适合一些对功耗、体积和移动性有要求的应用。辅助卫星定位是为了大幅提高定位速度和降低定位功耗而产生的技术升级。


其基本原理是卫星辅助星历数据可以通过网络下载到定位终端,从而减少终端去跟踪搜索卫星、从卫星获取星历的过程,直接根据下载的星历数据进行快速锁定卫星,快速定位。


相比于没有辅助定位数据的定位终端,定位时间从30s缩短到2s,从而大大降低单次定位功耗。下载的辅助星历数据在同一个地区可以通过网络服务器用组播的方式下发到本区域内的所有定位终端,定位终端进行本地保存和定期更新。定位终端使用辅助星历数据所捕获的位置信息又可以通过LoRaWAN上行发到应用服务器,从而在应用服务端可以看到定位终端的实际位置。


定位功耗的降低带来的不仅是体积减小、功耗减小和成本降低,安装方式和产品形式也能适应更多应用。如胸卡,手环,安全帽,宠物项圈,非机动车/机动车,防丢设施等等,甚至可以做成终生不用换电池的。


2.4 其他大数据下行应用

也可以归纳为只要有较大共有数据下发的应用都适合使用组播协议来实现。如出租车广告显示屏,可实现定期的广告群发,因每一块显示屏的内容是一样的;语音广播,组播让语音通过LoRaWAN传输成为可能;智能阀控水表,智能电表等等,都可以通过组播实现群抄群控。大家还可以集思广益,思考还有什么应用也都适合组播应用。



  3 . 组播实现   


实现LoRaWAN组播技术不仅要模组支持,网络服务器同样要支持,而实现组播的前提是必须有稳定可靠的Class B和Class C模式服务能力,慧联无限以其优异的LoRaWAN模组和网络平台产品,已持续多年为国内外众多大客户提供优质的服务,尤其是Class B能力已在国内大型表计项目中批量落地,其产品成熟度、可靠性和终端规模在国内均处于领先。


组播技术在模组端和网络服务端也早已完成开发,不管是终端客户还是集成商客户,慧联无限愿携手产业链合伙人一同实现成长、收获和共赢。