LoRaMESH: LoRa Meets Gossip

LoRaMESH网络的价值

提到应急救援，我们会想起大型的灾难现场、基于WIFI的宽带自组网、卫星回传链路、无人机移动基站、可视对讲等等。但我们往往会忽视其它一些应急救援的场景，列举几个典型的案例：

案例1：山地马拉松事故21人遇难。这是一起因局部天气突变发生的公共安全事件。比赛过程中，受突变极端天气影响，气温骤降，导致参赛人员出现身体不适、失温。惨痛的教训之余，我们思考应对之策：在比赛路径上部署若干个天气监测站点，各站点之间通过LoRaMESH构建一个低功耗的AdLibNet网络，定期广播天气状况。参赛人员通过便携式电子设备的地图上获取各站点的实时天气变化，通过预警提示及时规避风险。遇到危险时，参赛人员使用电子设备报警，位置和文本信息通过LoRaMESH网络传送到各救援服务点，参赛人员得到快速救援。

案例2：驴友在梧桐山不慎走失，警方7小时跨夜营救。由于山中的手机信号十分微弱，无法准确定位，警方只能动员大量人力进行地毯式搜索。这种户外遇险的事件屡见不鲜，给应急救援部门带来巨额负担。如何在野外遇险情况下快速传递传递出SOS信号呢？应对之策：梧桐山网格化部署数十个SOS装置。各装置通过LoRaMESH构建一个低功耗的AdLibNet网络，定期广播位置信息，提供SOS报警按钮。驴友可以利用该装置快速传递出报警信号和位置信息，也可利用随身携带的电子设备，快速发现附近站点位置或找到同伴。

案例3：化工厂毒气挥发事故当晚5 名消防员昏迷。当化工厂发生环保事故，如何及时评估现场的安全态势？如何快速定位事故源头？一种应对之策：投掷若干探测节点。散布的探测节点通过LoRaMESH构建一个AdLibNet网络，感知并定期广播气体、温度、位置等数据。由此，场外的指挥装置能及时掌握现场的安全态势，进场的消防员通过电子设备可获取每个探测点位的安全状态，从预警提示中及时规避风险。

我们从上述案例中可以看到，LoRaMESH构建的AdLibNet网络具有显著价值。

LoRaMESH网络的特征

艾森智能致力于利用LoRaMESH构建一种具有如下特征的应急救援网络：

1. 动态拓扑、去中心化的多跳网络

LoRaMESH网络需要足够的自治性、自愈性和扩展性，满足即时组网的需要。网络中节点完全对等，网络的拓扑及拓扑的变化不影响正常的传输功能。RPL等传统的树状路由协议无法满足，基于六度分隔理论的Gossip协议是正确的选择。

2. 低功耗、远距离的窄带网络

LoRaMESH网络虽然可达15跳，但是在复杂环境中，单跳的可视传输距离仍然需要达到数公里以上，网络节点也基本上依靠电池或太阳能供电。LoRa由于在低功耗和远距离上有突出的性能，成为应急救援网络有竞争力的无线传输技术。

3. 易部署、免维护的低成本网络

应急救援网络即时部署需要免配置免维护，上电即用。除了便利性，低成本更有利于网络的推广普及。以LoRaMESH网络为例，在户外马拉松的线路上位部署一套天气监测网络系统，仅需要几万部署成本，并可以反复使用。

4. 时延容忍的高可靠网络

应急救援网络在物理层优先满足低功耗和远距离，在链路层通过协议保证高可靠性。Gossip协议具有一定的可靠性，但会降低网络容量。LoRaMESH协议通过跳频、消息汇聚、链路层应答、网络自适应等协议技术将网络端到端的可靠性提升到90%以上。

LoRaMESH构建的应急救援网络架构示意图：

网络支持固定和移动节点，通信功能完全相同。固定节点多为太阳能供电的装置，提供环境、位置、UI交互等功能，移动节点为充电电池供电的电子设备，提供位置、UI 交互，或作为接收机收集数据供分析呈现使用。

LoRaMESH网络的关键技术

艾森智能研发的基于LoRa的高可靠Gossip协议--LoRaMESH包括如下关键技术：

1. 多信道跳频(FHSS)

LoRaMESH以随机跳频方式利用多个信道进行通信。节点在需要向网络发送消息时，先在公共信道发一条引导消息（H），引导邻近节点跳频到一个专用信道上接收完整消息（M）。FHSS充分扩展了信道容量，也有效避免多径干扰。

2. 消息聚合

Gossip协议极易造成消息碰撞，导致消息转发效率降低。消息聚合将多个小消息合并成一条大消息发送，从而减少消息发送频次，有效降低消息碰撞概率。如下图所示，消息合并减少了由于载波侦听退让的随机间隔时间，有效提高信道利用率。

3. 链路层确认

LoRaMESH引入一种链路层确认+重传机制，保证了Gossip协议的高可靠性：

1. 源节点发送REQ消息，通过Gossip转发，目标节点收到REQ消息后回应ACK。
2. 任意节点收到ACK时，如果与缓存的REQ消息匹配上，则停止转发REQ和ACK。
3. 任意节点如果探测网络空闲，可以在一段较短的时间内多次泛洪同一条消息。
4. 源节点在某个限定时间内没有收到ACK时，可以重发REQ。

结合消息聚合机制，ACK带来的网络开销有限，但能显著减少重发消息引起的泛洪次数。

4. 网络自适应

当节点在空间上密集分布时，广播消息会造成信道拥塞。LoRaMESH设计在节点分布密集分布时使用高速扩频因子，在节点分布稀疏分布时使用低速扩频因子，同时兼顾了节点间的距离和信道容量，避免空口消息过于拥塞。

LoRaMESH通信模组

艾森智能研制的LoRaMESH通信模组是一种高性能、低功耗、远程微功率无线模块，采用分布式自组网通信模式，嵌入LoRaMESH协议，用户无需对现有设备、协议进行任何修改，即可实现无线自组网。艾森智能提供两种同尺寸的通信模组LoRaMesh(最大发射功率21dBm)和LoRaMesh_PA(最大发射功率27dBm)。

LoRaMesh_PA模组外观：

LoRaMesh_PA模组参数：

LoRaMesh_PA模组引脚：

关于艾森智能

深圳市艾森智能技术有限公司一直致力于为客户提供可管理的低功耗无线物联网解决方案。LoRaWAN、AISLink SubG(RT-LoRa)、LoRaMesh等LPWAN物联网方案已大规模商用，赢得了客户的高度认可和行业的良好口碑。

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