如何将 LoRaWAN 用于比赛场景

如何将 LoRaWAN 用于比赛场景

关键词

LoRaWAN 实时上报 下行同步 不丢包 组播

应用场景

学生/运动员比赛，射击比武，同步采集等

摘要

为了将 LoRaWAN 应用于：比赛，比武，同步采集等场景，应对下行同步和实时上报的需求，设计了：组播，下行冗余，时分频分复用技术。

班级跳绳比赛

视频中的 LoRaWAN 跳绳，支持多人同时上传，这是 2021 年协作腾讯开发的智慧体育产品，应用到全国中小学生跳绳比赛。

LoRa 跳绳视频_锐麦版权

曾经踩过的“坑”

从 2021~2023 期间，行业内至少使用了 4 种无线通信技术研发比赛，均以失败告终，如下表所示。

通信技术	失败原因
LoRa 点对点	容量不足，无法适应多节点同时上报。
蓝牙 mesh	距离太近，无法覆盖操场或体育馆。
NB-IoT	下行延时大，农村和偏远地区没信号。
LoRa 私标	小公司设计 bug 多，开发 server 代价大。

列需求

抽丝剥茧，比赛场景对无线通信技术有如下 3 点核心需求。

关键技术	用途
下行同步	裁判员按下【开始比赛】按钮，所有节点同时启动。
实时上报	为良好的用户体验，每 3 秒节点数据上报到 App 。
组播	每个比赛团队分配一个组，组内要联动，组间不干扰。

LoRaWAN 整体框架

比赛场景的 LoRaWAN 网络包括下图所示的 5 个实体，数据端到端加密，安全可信。

下行同步，不丢包

下行不丢包是通过【冗余重传】实现，比赛场景下 SF8 通信距离足够，经过如下配置，每 1 条【比赛开始】报文 LoRa 基站会连续下发 3 条给节点，保证了接收成功率。

实时上报，不丢包

当 50 根跳绳在 3 秒内上报数据，可 SX1302 只有 8 信道，这如何【避免冲突】呢？这就得引入【频段+时分】复用技术。

如下表所示，在纵轴有 8 个信道，即 f1~f8 它可以并发接收 8 个 LoRa 报文。
在横轴有 45 个时隙，这 50 个节点随时选择其中 1 个时隙上报。

频分（8 信道）x 时分（45 时隙）= 360 那么 50 个节点的冲突概率为 50 / 360 * 100% = 14%
因为每 3 秒节点（频点 / 时隙）随时变化，这样保证了数据流畅。

组播

比赛场景下，ChirpStack 下挂很多单位，每个单位下挂多个比赛节点。如下图所示，构成了树状结构。

所幸的是 ChirpStack 支持【分组】，如下图所示。

组播地址 + 节点 DevEUI 可以向【指定分组】下发比赛命令。

考虑到 1 个节点在分组中有 4 种操作：增删改查，LoRaWAN 支持空中无线电操作

组播命令	用途
增加	将 1 个节点添加到指定分组
删除	从指定分组中删除 1 个节点
修改	将 1 个节点从 A 分组移到 B 分组
查询	查询 1 个节点所属分组信息

扩容，适应更多节点

如果有 100 / 1000 / 10000 / … 人比赛，LoRaWAN 能支持吗？支持！

每 50 个节点配置 1 台 LoRa 基站，它们组成 1 个子网。各子网通过【频分复用】技术，彼此无线电隔离，不干扰；又因为各子网都接入同 1 个 ChirpStack 组成一个主网。实现了扩容和负载均衡，如下图所示。

后记

本项目在 2021~2023 长沙市近 300 家中小学校成功落地，充分检验了 LoRaWAN 应用在比赛场景的可行性。

对于一些要求更苛刻的实时场景，还有如下算法可以改进

• 锁定信道：每个节点固定 1 个信道，通过增加 LoRa 基站扩容。
• 锁定时隙：每个节点固定 1 个时隙，通过组播编号来绑定节点。