LoRa无线技术在物联网中的应用

LoRa是低功耗广域网通信技术中的一种,是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统的无线系统使用频移键控(FSK)调制作为物理层,因为它是一种实现低功耗的非常有效的调制。LoRa是基于线性调频扩频调制,它保持了像FSK调制相同的低功耗特性,但明显地增加了通信距离。

LoRa的优势在于技术方面的长距离能力。单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平方公里范围。在一个给定的位置,距离在很大程度上取决于环境或障碍物,但LoRa和LoRaWAN有一个链路预算优于其他任何标准化的通信技术。

​LoRaWAN

LoRaWAN定义了网络的通讯协议和系统架构,而LoRa物理层能够使长距离通讯链路成为可能。 LoRaWAN自下而上设计,为电池寿命、容量、距离和成本而优化了LPWAN(低功耗广域网)。

​网络架构

在网状网络中,个别终端节点转发其他节点的信息,以增加网络的通信距离和网络区域规模大小。虽然这增加了范围,但也增加了复杂性,降低了网络容量,并降低了电池寿命,因节点接受和转发来自其他节点的可能与其不相关的信息。当实现长距离连接时,长距离星型架构最有意义的是保护了电池寿命。

电池寿命

在LoRaWAN网络中的节点是异步的通信的,当其要发送的数据准备好的时候通信,无论是事件驱动还是时间调度。在网状网络或同步网络,如蜂窝,节点必须经常唤醒以同步网络,并检查消息。这个同步明显消耗能量,是减少电池寿命第一推手。

网络容量

为了使远距离星型网络能够实现,网关必须具有非常高的容量或性能,从大量的节点接收消息。高网络容量利用自适应的数据速率和网关中的多通道多调制收发器实现,因此可以在多信道上同时接受消息。影响容量的关键因素是并发通道数、数据速率(空中时间)、负载长度以及节点如何经常发送数据。因为LoRa是基于扩频调制,当使用不同扩频因子时,信号实际上是彼此正交。当扩频因子的发生变化,有效的数据速率也会发生变化。网关利用了这个特性,能够在同一时间相同信道上接受多个不同的数据速率。

如果一个节点有一个好的连接并靠近网关,它没有理由总是使用最低的数据速率,填满可用的频谱比它需要的时间更长。数据传输速率越高,在空气中的时间就越短,可以为其他要传送数据的节点开放更多的潜在空间。自适应数据速率也优化了节点的电池寿命。

为使自适应的数据速率工作,对称的上行链路和下行链路要求有足够的下行链路容量。这些特点使得LoRaWAN?有非常高的容量,网络更具有可扩展性。用最少量的基础设施可以部署网络,当需要容量时,可以添加更多网关,变换数据速率,减少串音次数,可扩展6~8倍网络容量。其他LPWAN技术没有LoRaWAN的可扩展性,缘于技术上的权衡,其限制了下行链路的容量,使下行链路距离与上行链路距离不对称。

LoRa的频段选择

按理论来说,可以使用150 MHz 到 1 GHz频段中的任何频率。在常用频段(如433MHz,470MHz~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。会有人质疑,LoRa网关使用免费频段,会不会容易受到频率干扰?抗干扰能力取决于LoRa技术本身的特性和网关的设计。LoRa技术本身拥有超高的接收灵敏度(RSSI)和超强信噪比(SNR)。此外使用跳频技术,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,防止定频干扰。

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