LoRa:AIoT赋能智慧城市不可或缺的远距离通信技术

[导读]除了超远距离这个突出特点之外,LoRa还是远距离通讯中功耗最低的通信技术,这点也很重要,并且只需要一个网关就可以管理非常多的设备,这也从一方面降低了LoRa的部署成本。这在IoT技术在城市中的应用很重

作为科学技术的前沿宣传阵地,今天纽豪斯(公众号:智客纽豪斯)给大家介绍一个新技术LoRa,说新也不新,出现了有好几年的历史了。

2018年12月20日,我受邀参加了雷锋网在深圳组织的AIoT+智慧城市峰会,听到的最有价值的演讲就是Semtech甘泉公司带来的LoRa和LoRaWAN技术。我隐约的感受到了LoRa技术给AI赋能智慧城市带来的巨大潜力,接下来就是我的分享。

Semtech公司是高质量模拟和混合信号半导体产品的领先供应商。Semtech致力于向客户提供在电源管理、保护、高级通信、人机界面、测试和检测以及无线和传感产品方面的专有解决方案和突破性技术。 

LoRa是Semtech公司推出的超远激励通信的无线标准。Semtech市场战略总监甘泉(Andy Gan)在峰会上分享了LoRa技术在智慧城市中部署的优势以及目前LoRa在智慧城市发展中的作用。甘泉指出,Lora的市场增长非常快,全球每年增长在50%左右,中国会更高。LoRa在智慧城市领域的应用包括能源管理、智慧建筑、智慧生产、智慧农业等方面。

LoRa为什么适合智慧城市?

甘泉首先表示:“IoT最重要的是要有更多的连接,把数据成功调取出来,让用户在连接的控制和使用中得到更好体验,最好的方法是使用低功耗的LoRa技术。”LoRa是低功耗广域网的一种,源于Long Range这两个单词。如何理解LoRa的超远距离?甘泉指出,目前已经有卫星搭载了LoRa技术,卫星围绕地球运行,离地球600-1600公里,地球上的设备就可以与卫星进行数据传输。能够用于卫星通信就足以证明技术的强大性和先进性以及各种可能的应用前景。不过LoRa并不能传输视频一类的大数据流,只能传输一些简单的数据,比如控制开关信号或者亮度、表的读数等。

Semtech市场战略总监甘泉

除了超远距离这个突出特点之外,LoRa还是远距离通讯中功耗最低的通信技术,这点也很重要,并且只需要一个网关就可以管理非常多的设备,这也从一方面降低了LoRa的部署成本。这在IoT技术在城市中的应用很重要,远距离、低功耗、大规模这三点足够杀伤力。

另据介绍,如果要架设一个NB-IoT的基站成本大概是十几万,并且覆盖的范围比LoRa短。LoRa基站成本则只需要几千到万元级别,是NB-IoT基站成本的二十分之一。因此,如果一栋楼的网络覆盖通过运营商可能要花费十几万,使用LoRa只需要几千元。

还有一点LoRa的布网方式也比较灵活。既可以在小范围内组网,可以控制上万个节点。当然也可以布一张大网,覆盖整个城市或者整个国家,以深圳为例,最少已经布设了三个LoRa网。

甘泉介绍,从LoRa技术商用至今已经有超过5000万个终端节点被部署,并且有超过90家LoRaWAN运营商,比如国内有铁塔、广电、联通。

当然,LoRa还具有强大的技术路线图。因此,LoRa的市场规模增长非常快,全球每年增长都在50%左右,在中国会更高。

目前阿里、腾讯、中兴、中国信通院、H3C都是Semtech的合作伙伴。

LoRa如何让智慧城市更有亮点?

根据报道,目前很多水表、气表、电表还有热表都用上了LoRa技术,我们也看到了大华股份推出的LoRa解决方案。另外智慧城市中的能源管理、智慧建筑、物流、智慧生产、智慧农业也都使用了LoRa技术。具体来说,全球的智能表发展都非常快,中国的增长也非常快。基于LoRa的低功耗特性,智能水表的电池可以使用八年甚至十年,并且通过LoRa网络可以管理的水表数量很大。

除了水表,在智慧城市的管理中也可以用LoRa进行灯控。上海的管控更加精细,通过把传感器放到独自居住老人的家里,如果触发设定的条件就会进行报警。

在智能楼宇中,各种传感器以及设备如果通过数据线部署,不仅非常麻烦,还容易出现事故。如果采用LoRa不仅省去了布线的麻烦,对比2.4G和蓝牙、WiFi等技术,稳定性也更高。

在农业应用中,一般农田都在偏远的地方,很多时候也没有电信网络,如果想要采集每个地方的温度、湿度,或者对牧场中的牛羊进行管理就非常困难,但用LoRa基站布网就可以解决这些难题。甘泉还特别指出,袁隆平院士的盐碱地项目背后也有LoRa的很大贡献。虽然水稻做了杂交技术之后可以在盐碱环境下生长,但对盐度、水分、湿度的要求都非常高,在盐碱地附近架几个LoRa基站之后,就可以通过传感器精确地了解盐碱地的特性,实现对盐碱地的精细化管理,最终进行远程进水系统。

在物流领域,阿里的自动送货小盒通过LoRa可以实现货物的运送。LoRa在资产管理、供应链中都大量的使用。

甘泉指出,LoRa进行数据的采集和自动传输只是第一步,往后可以通过数据进行反向自动控制,比如通过数据发现煤气气表泄露,就可以关闭。

LoRa同样可以用于城市中的垃圾处理,包括测量垃圾箱填充量、当垃圾箱装满时发送预警。

在智能楼宇的应用场景中更为广泛:烟感器、消防报警、高精度传感器的空间优化、外部环境传感器(温度、湿度、一氧化碳)、安全传感器、动态出口标志等。

他最后指出,物联网不同于传统的互联网,需求各部相同,一定要做一个深耕才能满足客户的需求。LoRa技术能够简单地构建一个网,且易于部署、成本和功耗都很低,既能满足智慧城市中的一般需求,也能满足电力、公安等特殊领域的需求。只是目前的公安应用尚未看到大规模应用,相信只是时间的问题。


接下来我们聊聊LoRa和LoRaWan

什么是LoRa?

LoRa是Semtech公司制定的低功耗局域网无线标准,低功耗一般很难覆盖远距离,远距离一般功耗高。LoRa的名字就是远距离无线电(Long Range Radio),它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远,实现了低功耗和远距离的统一,它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa的特性

  • 传输距离:城镇可达2-5 Km,郊区可达15 Km
  • 工作频率:ISM频段,包括433、868、915 MH等
  • 标准:IEEE 802.15.4g
  • 调制方式:基于扩频技术,线性调制扩频(CSS)的一个变种,具有前向纠错(FEC)能力,Semtech公司私有专利技术
  • 容量:一个LoRa网关可以连接上万个LoRa节点
  • 电池寿命:长达10年
  • 安全:AES128加密
  • 传输速率:几百到几十Kbps,速率越低传输距离越长

什么是LoRaWAN?

按照LoRa联盟官方白皮书《What is LoRaWAN》的介绍,LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

LoRaWAN? Defines the communication protocol and system architecture for the network while the LoRa? physical layer enables the long-range communication link.

官方LoRaWAN协议层次图 

LoRaWAN在协议和网络架构的设计上,充分考虑了节点功耗,网络容量,QoS,安全性和网络应用多样性等几个因素。

LoRa联盟

和LoRa竞争的NB-IoT标准出自于全球标准化组织 3GPP,由ETSI(欧洲电信标准化委员会)、日本ARIB(无线行业企业协会)和TTC(电信技术委员会)、CCSA(中国通信标准化协会)、韩国TTA(电信技术协会)和北美ATIS(世界无线通讯解决方案联盟)等组成。

相比于 3GPP 的根正苗红,LoRaWAN 背后的LoRa联盟则势力弱了一些。从协议的封面可以看到作者是来自于3个董事会成员公司: N. Sornin ( Semtech), M. Luis ( Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。

LoRa联盟于2015年上半年由思科( Cisco)、IBM和Semtech等多家厂商共同发起创立,董事会成员中也有不少大企业,大家共同为瓜分未来低功耗广域网的蛋糕而努力抱团。

LoRaWAN的网络部署情况

按照官方2017年04的声明,网络部署情况是这样:34个公开声明部署的网络,至少150个在进行的城市试点部署。2018年有超过90家LoRaWAN运营商,国内有铁塔、广电、联通等运营商。

LoRaWAN 网络架构

下图是LoRa联盟官方白皮书中的网络架构图。 

一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑,由于LoRa的长距离特性,它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用,一个终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理,将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和TCP/IP上。

LoRaWAN与LoRa的区别:

LoRa仅包含链路层协议,并且非常适用于节点间的P2P通信;同时LoRa模块也比LoRaWAN便宜一点;LoRaWAN也包含网络层,因此可以将信息发送到任何已连接到云平台的基站。只需将正确的天线连接到其插座,LoRaWAN模块就可以以不同的频率工作。

同样是因为名字类似,不少人将LoRaWAN与LoRa两个概念混淆。事实上LoRaWAN指的是MAC层的组网协议。而LoRa只是一个物理层的协议。虽然现有的LoRaWAN组网基本上都使用LoRa作为物理层,但是LoRaWAN的协议也列出了在某些频段也可以使用GFSK作为物理层。从网络分层的角度来讲,LoRaWAN可以使用任何物理层的协议,LoRa也可以作为其他组网技术的物理层。事实上有几种与LoRaWAN竞争的技术在物理层也采用了LoRa。

总结:

  • 目前LoRa技术已经成功部署于数以百万计的传感器
  • 远距离无线通信
  • 同时适用于室内连接和室外低功耗广域网络
  • 易于大规模部署,且成本低

PS.部分资料来自互联网收集。

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