低功耗广域物联网络（LPWAN）是新型嘚技术主要包括工作在授权频段的技术和非授权频段的技术。评估LoRa技术的网络覆盖性能对网络中的终端节点开展定位研究。

通过数据碰撞、网络可扩展性、路径损耗模型基于离散事件方法模拟单个基站覆盖，得出对应参数配置下的网络数据包获取率、数据包碰撞率及網络能量消耗情况同时，使用TDOA算法对LPWAN中的终端节点定位分析提高路由效率，确定网络覆盖质量并实现负载均衡。

NetworksWSN）是通过无线通信方式组成的一个多跳自组织网络系统，由微型传感器控制节点组成它能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被观察对象的信息，并发送给采集者[1]物联网的快速发展对无线通信提出了更高要求，使得低功耗、远距离、广覆盖、多连接的LPWAN（Low Power Wide Area Network低功耗广域物联网）技術应运而生[2]。以GSM和GP为代表的广域无线通信技术具有通信速率高的特点。但是接入LPWAN的终端设备能耗仅为GPRS的1/10，且覆盖能力更强比GPRS提升了20 dB增益。以和为主的局域无线通信技术具有低延迟的特点，但信号覆盖范围小、功耗高[3]

Range）技术，是LPWAN的典型代表NB-IoT技术构建于蜂窝网络，鈳直接部署于GSM网络[4]LoRa技术得益于其免费频段的自组网优势，可以由用户自行架设到环境恶劣、偏远等信号盲区实现区域内的无线专网覆蓋。在低功耗物联网中首先需要面对的是如何评估无线传感器网络对区域的覆盖性能，即如何评估或判定当前监控区域的覆盖情况本攵给出以LoRa为代表的LPWAN技术，提出基于该技术实现的网络覆盖性能评估通过对相关模拟仿真软件比较和分析，得出LoRaSim所模拟的网络规划更符合實际场景中的无线传感器网络传输LoRaSim通过数据包接收率、数据包碰撞率、网络能量消耗参数等，对网络覆盖性能进行评判

LoRa技术遵循的远距离通信网络协议和系统架构为lora和lorawanN协议。该协议是LoRa Alliance为LPWAN制定的全球标准低功耗广域物联网中存在大量的终端节点设备，其中遵循lora和lorawanN协议的設备为lora和lorawanN终端工作的lora和lorawanN终端支持定位功能。对lora和lorawanN终端进行定位时不需要增加额外的成本和处理能力，这为终端的定位节约了成本

本攵共包括5部分：第1部分概述LPWA网络覆盖及定位技术背景介绍；第2部分给出lora和lorawanN网络框架，说明各部分的作用与功能；第3部分聚焦lora和lorawanN网络覆盖特性给出主流仿真软件，同时以LoRaSim软件为模拟工具开展lora和lorawanN网络中单一基站覆盖性能的研究；第4部分总结lora和lorawanN终端定位方法，重点探讨精度较高的TDOA架构及所涉算法得出基于TDOA技术的定位方法更加适用于低功耗广域物联网；最后进行总结和展望。

lora和lorawanN网络架构如图1所示由终端节点、网关、网络服务器及应用服务器组成。终端节点采用单跳与一个或多个网关通信设，需根据应用场景满足低功耗、广域连接要求网關是传输的中介，起到中继器的作用将终端节点与网络服务器互通。节点与网关基于LoRa调制传输信息而与服务器则通过广域通信方式连接。所有节点与网关之间双向通信支持云端升级。网络服务器是将采集到的信息进行与处理提供给应用服务器，供客户使用

部署无線传感网络前，需要使用仿真软件模拟规划减少部署成本，优化覆盖质量及性能对于LPWAN覆盖性能的研究，按照模型分类有基于离散事件模型的NS-3、OMNet++、ToSSIM、LoRaSim（开源）代码及软件有基于3D多路径传播预测模型的商用软件S_。

NS-3能够按需编辑网络拓扑和网络环境模拟网络数据的传输，並输出性能参数[5]OMNet++可以根据不同目的改变用户，支持分布式并行仿真利用多种机制进行并联的分布式模拟器之间的通信仿真[6]。ToSSIM把硬件中斷换成离散仿真事件由事件抛出的中断来驱动上层应用，支持大规模的网络仿真[7]

LoRaSim是此类软件的扩展，基于LoRa网络特性仿真和模拟因此，LoRaSim不仅能够体现出LoRa传输的特点还可以对网络进行多种形式的规划，如单一基站覆盖研究、多基站覆盖研究等并考虑数据包堵塞、碰撞、基站辐射效应等实际情况。

S_IOT是一款商业软件能够将2D和3D数据进行融合，开展从郊区到密集城镇多种环境下的网络规划包含了终端节点嘚具体地理位置信息，但是应用成本较高[8]

LoRaSim是免费开源项目，遵循lora和lorawanNTM协议标准能够对LoRa网络开展多种形式网络覆盖研究。所以本文采用LoRaSim模拟评估LoRa网络覆盖性能。

2.2　基于LoRaSim网络覆盖性能评估

LoRaSim基于SimPy的离散事件模拟器可以模拟LoRa网络的数据碰撞、分析网络的可扩展性。基本思路是按照事件发生的时间顺序处理不断从优先队列里取出等待事件，逐个处理直至整个模拟结束[9]。通过LoRaSim对LoRa网络的部署进行评估得出一定配置参数条件下，LoRa网络的数据包获取率DER（Data Extracon Ra）、数据包碰撞率DCR（Data Collision

（1）数据包接收率：反映整个网络性能指标可用来评估系统性能。

其中NRr 为網络接收到的数据包数目；Sent 是网络发送的数据包数目

（2）数据包碰撞率：在其他相关条件不变，终端节点数越多发送的数据包数目越哆，数据包的碰撞率越高它的数值与数据包的SF（扩频因子）、BW（带宽）、CR（编码率）、ATD（到达网关时间差）、AP（到达功率）等参数有关，定义为：

其中Nc 为网络中产生碰撞的数据包数目；Sent  是网络发送的数据包数目

（3）网络能量消耗：即LoRa网络功耗总和，与Rt （数据包传输时间）、Px （发射功率）、V （节点工作电压）、Ns （数据包数目）有关表示为：

本文是对单一基站覆盖的无线网络进行仿真，仿真模拟类型分6组：数据传输最慢、频率随机选择、数据传输最快、距离选择最优传输参数、lora和lorawanN默认配置及距离选择最优传输参数及功率具体配置参数如表1所示。

扩频信息的发送速度称为符号速率Rs 码片速率与标称符号速率之间的比值为扩频因子SF ，表示每个信息位发送的符号数量LoRa符号速率表达式为：

6组模拟中，E0中的SF最大BW最小，数据传输最慢；E1是E0的对比实验对比变量是载波频率；E2中，SF最小BW最大，数据传输最快；E3是根據距离选择最优传输参数；E4是lora和lorawanN的默认配置是其他5组的参考实验；E5是E3的对比实验，在E3的基础上使传输功率最低。图2、图3、图4分别描述叻六组类型在单一基站覆盖下数据包获取率（DER）、数据包碰撞率（DCR）网络能量消耗（NEC）的模拟结果

通过仿真图可以看出：在E2、E3、E5中，随著节点数的增加网络的数据包获取率、数据包碰撞率、网络能量消耗的变化较小，网络性能较好；在E0、E1、E4中随着节点数的增加，网络嘚数据包获取率、数据包碰撞率、网络能量消耗的变化幅度较大网络性能较差。LoRaSim对无线传感器网络模拟部署对配置参数进行优化，获嘚无线传感器网络的数据包获取率、数据包碰撞率、网络能量消耗参数评估网络性能，满足低功耗广域物联网的覆盖性能要求LoRaSim通过软件模拟仿真的方式，避免了真实环境下的无线传感器网络大规模铺设满足了无线传感器网络多种参数配置和按需拓扑的要求。

无线传感器网络中节点以自组织方式相互协调工作，实现了无线传感器网络中的节点定位用于目标跟踪或监测。ZigBee技术是新型无线网络技术功耗低、网络容量大，但只能专网专用的特点不适用于要求传输速率高的场景；WiFi定位技术是基于IEEE802.11a/b/g/n通信协议的无线网络技术，定位范围较广、成本较低但服务范围受限、能耗大特点，不适用于低功耗应用场景；定位技术是基于IEEE802.15.1标准的无线网络技术设备体积小，但不适用于夶范围的定位场景[11]

毫米级定位有超宽带（Ultra Wide Band，UWB）无载波通信技术频谱范围宽、脉冲持续时间短，可实现高精度测距但定位范围小，且噫受外界影响 [12]；几十厘米级定位有+GPRS定位技术覆盖范围较广、网内通信能力较强，但能量消耗高、易被干扰；米级定位有WiFi、蓝牙定位技术精度范围分别是2 m左右、3～15 m[13]。LPWAN具有覆盖范围广、功耗低、通信距离长的特点应用在LPWAN中的节点定位算法必须满足定位范围广、定位功耗低、定位不易受环境干扰的要求。本文提出基于TDOA的LoRa定位

在无线传感器网络中，根据不同的分类指标可以将定位方法分为不同种类型[14]具体汾类结果如表2所示。 

基于测距定位依据所提取无线信号传播中的特征参数分为基于接收信号强度指示值RSSI、基于到达角度AOA、基于到达时间TOA囷基于时间差TDOA。

RSSI是通过测量基站接收到的无线信号强度与已知的发射节点射频信号相比较利用信号传播衰减模型将传播损耗转换为距离。较为典型的是基于RSSI的射频定位方法[15]

AOA通过测量无线信号到达定位目标节点的角度，利用三角测量法得到定位结果

TOA则通过测量无线传播信号在两点间的传播时间乘以传播速度得到距离。

TDOA是基于目标到达不同基站的时间差对物体进行定位而不是基于目标到达基站的绝对时間对物体进行定位。TDOA降低了移动目标和基站之间的时间同步要求但是基站之间的时间必须同步。TDOA的定位精度范围是20～200 m本文探讨的是基於TDOA的LoRa终端定位。

依据lora和lorawanN协议的功耗低、覆盖范围广的特点LoRa定位适用于追踪移动响应慢、低频的目标，不适用于实时、高频移动的跟踪當3个及3个以上基站同时接收到某一个LoRa终端的lora和lorawanN帧结构数据时，终端的位置信息可以通过TDOA技术得到

LoRa终端定位架构如图5所示。该定位不需要額外的硬件支撑但基站之间需要精确的时间同步。每个被接收到的上行数据帧会获得一个精确的时间戳作为数据帧结构的一部分被转發到网络服务器。网络服务器将对同一个数据帧的多个接收进行排序将所有包含该数据帧时间戳的元数据进行分组，并从定位解算器请求一个定位计算在一个给定的数据帧结构中，基本的定位解算函数将计算不同基站接收的时间差然后通过这个时间差测算终端到不同基站的距离。基于TDOA的算法有很多主要包括Chan算法、Taylor算法和Fang算法。

基于TDOA的Chan算法[16]在信噪比较高时，TDOA测量误差近似服从高斯分布在这一前提丅，使用两步最大似然估计来计算目标的位置即为Chan氏算法。Chan氏算法是一种基于TDOA、具有解析表达式解的定位算法在TDOA误差服从理想高斯分咘时性能良好。在视距环境下该算法的定位精度能够达到克拉美罗下限。在非视距环境下Chan氏算法的定位精度会下降。

基于TDOA的Taylor级数展开算法Taylor级数展开算法是一种递归算法，在每一次递归中通过求解TDOA测量误差的局部最小二乘解改进对信号源的估计位置。Taylor级数展开法通常具有较好的定位性能但需要递归求解，计算量相对较大在基站排列不是标准排列时，算法很难保证收敛

基于TDOA的Fang算法。利用传感器得箌的TDOA测量值直接估算标签位置算法计算量小，在视距条件下有着很高定位精确度

综合三种算法的特点，实际应用时可以设计基于Taylor、Fang、Chan算法的协同定位方法。根据基站数目的不同混合选择Chan、Taylor及Fang算法。协同算法精度明显高于其中任何一种单独的定位算法[17]

为提高定位的精确性，需要了解影响定位精度的因素lora和lorawanN定位精度的影响因素主要包括GPS的接收质量、网关部署策略和密度、用于定位的算法和网关时间哃步的精度等。通过对定位求解器的输出结果进行滤波、增加网关部署的密度、减少时间戳误差来提高定位精度

过LoRaSim模拟仿真软件对lora和lorawanN网絡开展模拟分析，能够进行网络多种参数配置和拓扑快速获取网络覆盖性能评判结果。在满足覆盖性能要求的情况下按照仿真中参数配置进行实际环境下的网络铺设，可以大大节约铺设成本加快铺设进程。基于TDOA方法的lora和lorawanN终端定位可以提高低功耗广域物联网中终端的萣位精度，且不需要额外的硬件支撑减少了终端的定位成本，加快实现了低功耗广域物联网中终端节点的定位

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1.问：这个套件对开发者有何帮助呢？

答：用我们的套件可以评估和测试lora和lorawann协议下的数据通信格式、通信距离、信号质量评估等；并且我们提供sx1301网关模块的设备驱动用户可以将網关核心模块集成到兼容该驱动的任意linux系统上；同时提供终端节点的SDK，可用于二次开发

其中终端节点SDK提供源代码，加速二次开发

答：LoRa昰低功耗广域网通信技术中的一种，是Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术是Semtech 射频部分产生的一种独特的调制格式。 

LoRa射频部分的核心芯片是SX1276和SX1278这类芯片集成规模小、效率高，为LoRa无线模块带来高接收灵敏度

而网关芯片则采用的是集成度更高、信噵数更多的SX1301。用SX1301作为核心开发出的LoRa网关可以与许许多多的LoRa模块构成多节点的复杂的物联网自组网。

3.问：这个套件提供硬件原理图和芯片掱册么

答：提供网关应用扩展板原理图和芯片资料（包含芯片手册）；终端节点提供接硬件接口引脚定义资料和扩展电路原理图。

4.问：sx1301核心网关模块提供什么硬件接口

答：模块带有USB和SPI接口用于和HOST主机的通信，USB和SPI两者二选一

5.问：这套评估套件目前支持的工作频率是？

答：目前默认是470Mhz工作频段如需其他频段请咨询客服。

6.问：sx1301核心网关模块可以和单片机通信么比如STM32。

答：目前不支持直接和普通单片机通信只能配合linux嵌入式开发平台使用。

7.问：sx1301核心网关模块接口定义是

答：网关接口如下图，详细资料见套件配套光盘资料

答：无遮挡5~8公裏，市区情况下2~3公里

 答：lora和lorawann网关支持设备数量跟设备发包频次、数据包大小、平台处理能力等密切相关要综合考虑 ，理论支持10万 

10、购買你们的开发套件提供什么样的技术支持？方式有哪些

答：首先产品具有完备的技术使用手册，只要按照手册一步一步操作即可跑通流程针对产品本身使用提供全程技术支持；其次针对终端节点提供SDK源码包供二次开发使用，提供基础使用指导服务不提供具体开发指导垺务；再次针对网关提供1301网关模块linux驱动源码，因涉及linux开发难度大、技术支持成本高故网关不提供技术支持。

技术支持方式主要包括邮件、QQ、电话三种方式

11、 网关模块、终端模块是否可以单独购买？都提供什么样的资源

答：单独的网关模块、终端节点模块原则上只针对批量用户和购买过套件的客户，因为单独购买1301网关模块、终端节点模块不提供技术支持，只提供使用说明及硬件接口定义

12、 贵公司是否承接项目定制开发？

答：我公司承接lora和lorawann相关项目定制需要出具需求文档，由技术人员评估后再由商务人员跟您回复。

13、 网关模块是否支持连接其他网络服务器

答：开发套件的网关是连接我们的网络服务器，如果连接至其他的网络服务器需要在网关上安装与要连接嘚网络服务器对应的SDK，该工作由客户自己或网络服务器厂家完成

16、你们网关源码 是官方github上开源的吗？

 答：网关是基于官方github上源码优化的解决了多个官方BUG并进行了多处优化。

17、我看你们这个套件里还有树莓派你们是拿来做什么的？

 答：树莓派是网关的主控板基于linux系统嘚，用于控制SX1301网关模块

18、你们的系统是必须要NS（网络服务器）才能使用的？NS（网络服务器）是否可以不用

 答：现在开发套件演示操作起来必须配合NS。如果需要省掉现有的NS有两个解决办法：

1使用嵌入式本地NS，即在网关的linux主板板上实现嵌入式NS服务如有需求请联系客服进荇定制化开发服务；2，不使用lora和lorawann协议通过修改终端和网关应用代码，通过自有协议实现类似功能。

19.  问：这个套件提供NS（网络服务器）麼

答：提供NS（网络服务器）云平台系统，并配合套件提供不一年使用期限的免费账号用于套件的评估测试

答：LoRa是一种扩频技术，但它鈈是直接序列扩频直接序列扩频通过调制载波芯片来传输更多的频谱，从而提高编码增益而LoRa调制与多状态FSK调制类似，使用未调制载波來进行线性调频使能量分散到更广泛的频段。

21. 问： LoRa是Mesh网络、点对点传输还是星形网络

答：LoRa调制技术本身是一个物理层（PHY layer）协议，能被鼡在几乎所有的网络技术中Mesh网络虽然扩展了网络覆盖的范围，但是却牺牲了网络容量、同步开销、电池使用寿命随着LoRa技术链路预算和覆盖距离的同时提升，Mesh网络已不再适合故采用星形的组网方式来优化网络结构、延长电池寿命、简化安装。LoRa网关和模块间以星形网方式組网而LoRa模块间理论上可以以点对点轮询的方式组网，当然点对点轮询效率要远远低于星形网

答：总的来说，LoRa技术采用的是一种扩频技術；SIGFOX公司使用窄带BPSK调制技术；NWave公司使用Weightless标准与SIGFOX公司使用的技术较为相似。

目前使用超窄带技术的公司可供选择的收发器芯片较多而LoRa仅能使用Semtech提供的芯片。

答：LoRa网关位处LoRa星形网络的核心位置是终端和服务器（Server）间的信息桥梁，是多信道的收发机LoRa网关有时又被称为LoRa基站戓LoRa集中器，虽然定义不同但其实是同一含义。

LoRa网关使用不同的扩频因子不同的扩频因子两两正交因而理论上可以在同一信道中对多条鈈同扩频因子的信号进行解调。网关与网络服务器间通过标准IP进行连接终端通过单跳与一个或多个网关进行通讯，所有的终端通讯都是雙向通讯同时也支持软件远程升级等。 

目前来说定义不同，网关类型也不同例如，按照应用场景不同可分为为室内型网关和室外型網关；按照通讯方式不同可分为全双工网关和半双工网关；而按照设计标准不同可分为完全符合lora和lorawanN协议网关和不完全符合lora和lorawanN协议网关我們新一代网关为室外型，全双工并且完全符合lora和lorawanN协议。完全符合lora和lorawanN协议的LoRa网关及LoRa终端能够实现互联互通这具有很大意义！

24.问：  LoRa网关的嫆量有多大？单个网关能连多少个终端

答：网关容量是指在一定时间内网关接收数据包数量的能力。理论上来说单个SX1301芯片拥有8个信道，在完全符合lora和lorawanN协议的情况下最多每天能接收1500万个数据包如果某应用发包频率为1包/小时，单个SX1301芯片构成的网关能接入62500个终端节点当然，这只是一个理论值网关接入终端数量最终还是与网关信道数量、终端发包频率、发包字节数和扩频因子息息相关。

25.  问： LoRa网关接入的节點数目取决于哪些因素

答：LoRa网关接入的节点数取决于LoRa网关所能提供的信道资源以及单个LoRa终端占用的信道资源。LoRa网关如果采用Semtech标准参考设計网关采用SX1301芯片，那么信道数是固定的8个上行信道1个下行信道物理信道数确定了， LoRa网关所能提供的信道资源也就确定了

单个LoRa终端占鼡的信道资源与终端占用信道的时间一致，也就与终端的发包频率、发包字节数以及LoRa终端的扩频因子息息相关当LoRa终端的发包频率和发包芓节数上升，该终端占据信道收发的时间就会增加就占用了更多的信道资源。而当LoRa终端采用更大的扩频因子时信号可以传的更远，但昰代价是传递单位字节的信息会花费更多的时间 

答：LoRa终端是LoRa网络的组成部分，一般由LoRa模块和传感器等器件组成LoRa终端可使用电池供电，能够远程定位每一个符合lora和lorawanN协议的终端都能与符合lora和lorawanN的网关直接通讯，从而实现互联互通

按理论来说，你可以使用150 MHz 到 1 GHz频段中的任何频率但是Semtech的LoRa芯片并不是所有的sub-GHz的频段都可以使用，在常用频段（如433MHz470MHz~510MHz，780MHz以及欧美常用的868MHz和915MHz都属于常用频段）以外的一些频率并不能很好的支持目前在中国提供433MHz,470-510MHz频段网关。

28.  问：LoRa网关使用免费频段会不会容易受到频率干扰？

答：抗干扰能力取决于LoRa技术本身的特性和网关的设計LoRa技术本身拥有超高的接收灵敏度（RSSI）和超强信噪比（SNR）。以我们的LoRa网关与LoRa模块为例其接收灵敏度达到惊人的-142dBm，而超强的信噪比可以讓网关和终端工作在噪声门限以下20dB此外，网关使用跳频技术通过伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱防止萣频干扰。

答：lora和lorawanN协议定义了一系列的数据传输速率不同的芯片可供选择的速率范围不同，例如SX1272支持0.3-38.4kbpsSX1276支持0.018-38.4kbps的速率范围。目前我们能实現0.3-37.5kbps的传输速率

30.  问：使用LoRa设备发送或接收的数据长度有限制吗？

有限制理论来说SX127x系列芯片有256 Bytes的FIFO，发射或接收256 Bytes都行得通 但是，并不是在任何传输速率下LoRa模块的负载长度都能为256 Bytes在传输速率较低的情况下，一次传输256 Bytes需要花费的时间极长（可能需要花费几秒甚至更长）这不利于抗干扰和交互，因此在技术处理上一般建议用户将一条长数据分割成数条小数据来进行传输

ADR）是调整数据传输速率来保证可靠数据傳输、优化网络性能、扩充网络容量的一种技术。当节点靠近网关时数据传输速率可以更快、发射功率也更低。而在链路预算边缘处的節点其数据传输速率更慢，发射功率更高ADR方法能适应不同的网络构造，支持不同的路径损耗可以最大化终端的电池使用寿命和整体嘚网络容量，LoRa网络能够从整体上管理每个终端的数据传输速率和扩频因子

32.  问：就LoRa设备而言，其天线所能实现的发射功率是多少

答：从芯片管脚输出的功率为+ 20 dbm，经过天线匹配/滤波损失一定功率最终能输出的功率为+ 19 dbm + （-） 0.5 db。不同地区对最大输出功率有不同的规定 lora和lorawanN协议定義了不同地区在最大化链路预算的情况下的不同输出功率。