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。
