低功耗广域网(LPWAN)中的LoRa连接

在中国低功耗广域网(LPWAN)市场中,LoRa和NB-IoT无疑是最热门的LPWAN无线技术。LoRa工作在免授权的Sub-Ghz频段上,受益于其免费的频谱资源,企业都可以参与到LoRa的产品应用和网络的建设。

Wi-Fi、蓝牙等近距离无线通信技术无法满足物联网的大规模部署,以ZigBee等为代表WSN网络虽是可以低成本低功耗接入,但目前还形成不了广域的覆盖和部署,也还限于小范围的应用。移动网络虽是全国范围的部署,但其接入点(GPRS/3G/4G)功耗偏高,尤其是对于电池供电的场合,无法满足低功耗低成本接入的需求。

物联网的发展带动了万物互联的需求,大范围大规模的“物”将会连接入网络,这就需要一张可以广域覆盖的大网络,如同现在移动网络一样。以NB-IoT和LoRa为代表的低功耗广域网正好满足了这些需求。

大规模物联网络时代已经开始了,一场新的物联网的竞赛也已在LPWAN市场上展开了。本文就来看一下LoRa应用连接的一些情况。

LoRa调制解调器

SX1276/77/78 收发器是LoRa的调制解调器,是Semtech公司的专利调制技术,用于远距离扩频通信。最大链路预算达到了168dB,高灵敏度与+20dBm 功率放大器的集成使这些器件的链路预算达到了行业领先水平。除LoRa调制之外,SX1276/77/78 收发器还支持FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK 等调制方式。

点对点的连接

在实际应用中,很多应用是利用了LoRa的远距离低功耗穿透性好的特性,将SX127x系列产品作为数据透传应用,实现点对点数据的传输,应用相对简单。

一对多的连接

当多个设备需要数据通信时,将一个SX127x连接管理多个SX127x,从而形成一个小无线网络,对一些应用这种方式还是比较实用的。在LoRa大范围的网络没有建立起来之前,小无线网络更有点现实的意义,可以很好地建立起远程的连接和通信,不需要太多的投入,就可以获得一些好的应用。当节点越来越多的时候,这种连接方式就会有了一些局限,没有频谱管理和通信机制的保障。

从低功耗广域网(LPWAN)和LoRaWAN长远发展来看,还是需要构建一个完整的LoRaWAN网络来管理大规模的节点。

LoRaWAN网络的连接

下图是一个LoRaWAN网络架构图:

从LoRaWAN网络架构图来看,网关(Gateway)与节点(Sensor)之间支持LoRa/FSK调制方式的无线连接;网络服务器(Network Server)和网关(Gateway)之间的回程通过以太网、WiFi和3G连接,走IP协议(IP Stack)。LoRaWAN是一个端到端的数据通讯无线连接,建立了一套完整的通信机制,并有安全保证。

LoRa的应用与开发相对比较开放,也可以在LoRaWAN上做自己的协议。Actility(LoRa合作伙伴)和其他合作伙伴在LoRaWAN上面实现了6LoWPAN。

小网和大网

根据信号覆盖范围大小或项目大小,LoRaWAN网络可分为小网和大网。小项目或覆盖范围小可选择小网,几个网关就可以管理很大一片区域的设备,如停车场管理等。中兴发起的中国LoRa应用联盟(CLAA),正在做的是一个大网,可以是一个城市,甚至是全国的网络覆盖。

混合组网

LPWAN技术就是要将“物”大规模连接到网络,因为规模大又不能增加太多成本。LoRa提供了更多灵活的选择。SX127x系列产品支持多种FSK模式,可与现有的支持FSK的无线设备连接,再接入LoRa网络。这不仅扩展了LoRa的连接,还降低了接入的成本。SX127x系列产品还支持还支持WM-Bus 和IEEE802.15.4g 等系统的高性能(G)FSK 模式。

单一的技术解决不了所有的连接,混合组网是一种比较现实可行的方式。LoRaWAN的网关也是支持多种连接技术接入网络。未来也许有可能,NB-IoT和LoRa相互融合,在没有NB-IoT信号的地方或许也可以使用LoRa来连接。互联互通也是物联网的一个主要特点。

成本预算

LoRa网络部署的成本预算也是一个重要的考虑因素,部署什么样的网络就有什么样的基础建设成本投入。在低功耗广域网的应用中,除考虑产品成本因素之外,还需要考虑部署和运营的成本。

节点接入成本

以目前的市场行情来看,LoRa节点的成本也不算低,降低LoRa接入成本也是在实际应用中需要考虑的。对于LoRa芯片(SX127x)本身只是一个PHY,而且还支持FSK模式,用LoRa芯片的FSK模式连接传统的FSK产品或设备,再通过LoRa接入网络,这样会降低节点接入的成本。

ST未来将会推出基于LoRa的SoC产品,这也多了一个选择,系统设计成本可能会降低。Semtech公司也在不断发展新的产品。随着市场规模的发展也会带来产品成本的降低。

网关覆盖成本

一个LoRaWAN网关在大城市里的覆盖范围一般在600~3000米。任何的无线网络都会存在着一些盲点或盲区,LoRaWAN网络也不例外。对于项目的全名信号的覆盖,网关的位置和安装的数量还需要根据实际测试情况来定。为降低网关的部署数量,在一些位置可以通过LoRa路由来实现信号较低成本的深入覆盖。

项目运营成本

LoRaWAN产品或项目不再是一个单品或交易完就结束了,还有后台和网关的管理与维护成本。低功耗广域网技术改变了传统产品的定价方式,可以从运营成本和用户的收益连接起来,由此可以延伸出一些新的商业模式来。

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