应用于时间敏感业务的LoRaWAN

来源:艾森智能 2019-07-27 10:30

深圳市艾森智能技术致力于提供LPWAN和LPLAN领域的核心技术、产品和解决方案，在LoRaWAN相关产品、解决方案和场景落地上，进行了大量的实践。在现场实践中，我们看到，标准的LoRaWAN网络虽然给客户带来低功耗广域覆盖以及互联互通便利，但是适用范围有限，甚至有评论说，LoRaWAN只适用于抄表类业务。

标准LoRaWAN网络无法满足如下场景的需求：

  • 密集业务量传输的场景
  • 要求大数据包传输的场景
  • 要求数据传输可靠性的场景
  • 要求设备控制与配置下行的场景

究其本质，原因在于：

  • LoRaWAN网关SX1301的下行能力有限，不支持频繁指令下行和应答下行；
  • LoRaWAN节点上行采用ALOHA参与信道竞争，效率低下；
  • 下行信道时间窗RX1和RX2的设计不合理，不支持大数据密集上传；

有一类业务网络，既需要标准LoRaWAN那样满足某些低频次节点的监测需求 (比如烟感，温湿度计等)，又需要接入某些节点满足大数据或密集数据的采集需求(比如复杂仪表或准实时的监测仪表)，还需要对一些控制节点做远程的频繁操控(比如电磁阀，开关)，给LPWAN领域带来挑战。

艾森智能在为中石油建设油气生产物联网时面临着相同的问题。按标准LoRaWAN网络能力，一个LoRaWAN网关接入30口油井已经是极限而且传输可靠性无法保证。面对采油区密集的油井，部署同样密集的网关显然是不现实的，而且CN470频段有限的频点资源也很快消耗殆尽。单网关接入100以上的油井数是一个十分迫切的要求。如何破解这个难题？

在兼容LoRaWAN网络的前提下，我们引入TDM over LoRaWAN解决方案，将LoRaWAN改造为一个准时间敏感网络 (TSN: Time Sensitive Network)。

上图为标准LoRaWAN网络和TDM over LoRaWAN网络对比。新NS服务器同时支持LoRaWAN节点和TDM节点的接入。TDM节点除了分配频点资源外，增加了时隙资源的分配。经过实测，TDM节点的传输效率为LoRaWAN节点的5倍以上。

TDM over LoRaWAN技术方案的关键点如下：

  • 信道定义

    • TDM节点同时使用ALOHA和TDM机制和NS通信。TDM节点入网和发送实时消息(比如报警)可以使用ALOHA，发送周期业务数据和接收频繁指令时使用TDM。为了不让ALOHA和TDM的数据传输相互影响，NS为网关分配独立的LoRaWAN频点和TDM专用频点。对8通道网关可配置为4+4，即4个LoRaWAN频点和4个TDM专用频点；对16通道网关可配置为8+8，即8个LoRaWAN频点和8个TDM专用频点。

    TDM信道定义为TDM专用频点+时隙，上下行信道同频。对于周期确定的数据业务可预先分配好指定的信道。对大数据传输，可使用多个TDM信道完成。

    信道按帧来组织，帧长可配(比如10秒)。一个帧包括多个上行专用信道和下行专用信道。为提高传输可靠性，TDM采用Group Ack方式对每个上行包进行确认。TDM定义专门信道时隙用于重传。网络侧调度下行专用信道，保证下行指令的有序可靠。

    TDM节点和网络需要同步信道，因此网络侧定义一个广播信道，为网内节点同步时间。每个网关有独立的广播信道。

  • 智能化云端

    • 艾森智能将TDM业务的规划能力集中设计在云端，因此，容易通过云端动态调整不同的油田业务参数，修改业务周期，并允许引入新的业务类型，以及对既有业务规模进行调整。支持TDM的智能化LoRaWAN NS允许业务设计者灵活的在一个TDM LoRaWAN网络中规划多种周期不同且消息大小不等的业务，甚至允许业务设计者指定两个不同业务之间需要满足特定的时序约束。在油田业务中存在这种需求，比如，在油井的功图数据采集和电参数据采集就是存在严谨的关联关系的两个过程，这种特殊的时序要求在艾森智能的智能化LoRaWAN NS中得到了满足。

    另一方面，智能化LoRaWAN NS这种灵活的业务设计能力不仅可以用于描述油田业务，也容易用在其他许多对LPWAN网络存在可靠性和容量要求的IOT场景。

  • TDM节点入网和离网

    • TDM节点除了LoRaWAN入网的标准流程外，还增加额外的TDM入网流程，其目的是为了分配TDM信道资源。TDM节点也需要有离网流程，通知网络侧释放相应的TDM信道资源。NS周期检查TDM节点的在线状态，对TDM信道资源做正确的管理。

  • TDM网络时钟同步

    • TDM 机制需要NS、网关、节点保证网络的同步，根据时隙长度来确定允许的漂移。时钟源来自NS侧，NS通过NTP协议同步时钟到网关，通过广播信道周期同步时钟到节点。

  • 大数据拆包和组包

    • LoRaWAN没有定义拆组包协议，但实际应用中，拆组包非常普遍。同时，大数据包需要一次性密集发送，只有TDM专用信道可以很好地解决这个问题。节点和NS侧均需要支持基于TDM的拆组包协议。

  • A/C类考虑

    • TDM节点同时也是LoRaWAN设备，支持A/C类。 A类设备为电池供电，有休眠和低功耗要求。服务器调度下行包时会根据A/C类型做不同的处理。

TDM over LoRaWAN解决方案已在油田物联网建设中落地，并获得良好效益。系统架构参考下图

由于和标准LoRaWAN有良好的兼容性，TDM over LoRaWAN解决方案在泛工业领域比LoRaWAN有更广泛的应用。目前深圳市艾森智能有限公司独家拥有实现TDM over LoRaWAN的成熟产品，包括：

  • 支持TDM 和标准LoRaWAN的双模模组AI78S+
  • 支持TDM和标准LoRaWAN的双模8/16通道网关 AISE006和AISE009
  • 支持TDM和标准LoRaWAN的网络服务器产品 LoRaCube+