LoRa快速全面入门

物联网应用中的无线技术有多种,可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi,蓝牙、Zigbee等,组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线技术,优缺点非常明显,可如下图总结。在低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)产生之前,似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用LPWAN技术之后,设计人员可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离通信与更低功耗,同时还可节省额外的中继器成本。

图1 LPWAN技术对比和LoRa技术的定位

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种,是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统,进而扩展传感网络。目前,LoRa 主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。

LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

图2 LoRa技术特点

下图以美国情况为例,从灵敏度、链路预算、覆盖范围、传输速率、发送电流、待机电流、接收电流、2000mAh电池使用寿命、定位、抗干扰性、拓扑结构等参数上比较了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和 LoRa的区别。

图3 LoRa与其他无线通信技术的比较

LoRa网络构成

LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

图4 LoRa网络体系结构

LoRa联盟

LoRa联盟(LoRa Alliance)是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织,发起成员还有法国Actility,中国AUGTEK荷兰皇家电信kpn等企业。不到一年时间,联盟已经发展成员公司150余家,其中不乏IBM思科、法国Orange等重量级产商。产业链(终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)中的每一环均有大量的企业,这种技术的开放性,竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

图5 LoRa联盟

LoRa在中国

中国LoRa应用联盟(China Lora Application Alliance,简称CLAA)是在LoRa联盟支持下,由中兴通讯发起,各行业物联网应用创新主体广泛参与、合作共建的技术联盟,旨在共同建立中国LoRa应用合作生态圈,推动LoRa产业链在中国的应用和发展,建设多业务共享、低成本、广覆盖、可运营的LoRa物联网。
2016年12月中国LoRa物联网产业运营联盟正式揭牌成立[3]  ,意味着LoRa这一LPWAN(低功耗广域网)技术在国内将进入到大规模商用部署阶段,也意味着我国将成为全球最大规模的LoRa商用市场。鹏博士Semtech、中科智城、中兴通讯、诺基亚上海贝尔、云帝斯等十多家企业成为首批联盟成员。
相比其他技术,LoRa成本低、功耗低,技术成熟,尤其是其产业链最为完善,国际上的商用案例也更加丰富。但LoRa在中国发展却缓慢,虽然LoRa模块目前已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业,但由于缺乏基础网络和技术人才的支撑,产业生态无法形成闭环。在物联网基础较发达的中国台湾,例如台湾清华大学等已经开始为学生提供基于LoRa物联网技术的应用学习班[4]  。反观国内大学目前的物联网专业,还鲜有开设LoRa技术及应用的课程,虽然目前民间技术网站的学习热情正在逐步高涨的,例如国内的LoRa应用站已经开始整合翻译LoRa技术资料,甚至筹备针对物联网专业大学生的LoRa实验室课程等。

网络部署

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa Alliance 2017年公布的数据,已经有30多个国家开始建网,150多个城市开始进行试点。中国AUGTEK在京杭大运河完成284个基站的建设,覆盖1300Km流域;美国网络运营商Senet于2015年中在北美完成了50个基站的建设、覆盖15,000 平方英里(约38850平方千米),预计在第一阶段完成超过200个基站架设;美国最大的有线电视公司Comcast宣布采用LoRa技术,首先将在费城和旧金山地区完成网络部署,并提供计量相关(抄表等)、环境监测相关(温湿度、污染、噪声监测等)和追踪定位相关等服务。法国电信Orange宣布在2016年初在法国建网;荷兰皇家电信kpn宣布将在新西兰建网,在2016年前达到50%覆盖率;印度Tata宣布将在Mumbai和 Delhi建网;Telstra宣布将在墨尔本试点……

图6 LoRa全球网络部署

LoRaWAN协议

LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求,如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置,就可以让智能设备间实现无缝对接互操作,给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构,在这个网络架构中,LoRa网关是一个透明传输的中继,连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接,终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信,同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。

终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的,数据速率的选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术,不同传输速率的通信不会互相干扰,且还会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率范围为0.3 kbps至37.5 kbps,为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量,LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应(Adaptive Data Rate , ADR)方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。 全国性覆盖的广域网络瞄准的是诸如关键性基础设施建设、机密的个人数据传输或社会公共服务等物联网应用。 关于安全通信,LoRaWAN一般采用多层加密的方式来解决:一、独特的网络密钥(EU164),保证网络层安全;二、独特的应用密钥(EU164),保证应用层终端到终端之间的安全;三、属于设备的特别密钥(EUI128)。 LoRaWAN网络根据实际应用的不同,把终端设备划分成A/B/C三类:

Class A:双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信,每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求,其微调是基于一个随机的时间基准(ALOHA协议)。Class  A所属的终端设备在应用时功耗最低,终端发送一个上行传输信号后,服务器能很迅速地进行下行通信,任何时候,服务器的下行通信都只能在上行通信之后。

图7 A类型LoRa终端协议

Class B:具有预设接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口,为了达到这一目的,终端设备会同步从网关接收一个Beacon,通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。

图8 B类型LoRa终端协议

Class C:具有最大接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口,只在传输时关闭。

图9 C类型LoRa终端协议

LoRa技术要点

一般说来,传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响系统的传输距离和电池寿命;工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标;而在FSK系统中,网络拓扑结构的选择将影响传输距离和系统需要的节点数目。 LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有前所未有的性能。此前,只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术,而随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

图10 LoRa通信参数

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息,这样,数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求,且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性,这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中,将每一比特时间划分为众多码片。

即使噪声很大,LoRa也能从容应对LoRa调制解调器经配置后,可划分的范围为64-4096码片/比特,最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言,ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子,LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上,当你通过频谱分析仪测量时,这些数据看上去像噪音,但区别在于噪音是不相关的,而数据具有相关性,基于此,数据实际上可以从噪音中被提取出来。扩频因子越高,越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解调一个信号,其信噪比为-20dB,GFSK方式与这一结果差距为28dB,这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下,6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

图11 LoRa灵敏度实验

图12 超强灵敏的LoRa技术

超强的链路预算,让信号飞的更远

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现,我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量,在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm),接收端灵敏度为-129dBm,总的链路预算为149dB。比较而言,拥有灵敏度-110dBm(这已是极其好的数据)的GFSK无线技术,需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中,大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm,在此状况下,发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W,才能达到与LoRa类似的链路预算值。

图13 LoRa与GFSK的灵敏度对比图

因此,由于采用了LoRa技术,今天的物联网才能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离,而这种低功耗广域技术方向正是未来降低物联网建设成本,实现万物互联所必需的。

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