LoRa無線技術詳解

LoRa簡介

物聯(lián)網(wǎng)應用中的無線技術有多種，可組成局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。組成局域網(wǎng)的無線技術主要有2.4GHz的WiFi，藍牙、Zigbee等，組成廣域網(wǎng)的無線技術主要有2G/3G/4G等。這些無線技術，優(yōu)缺點非常明顯，可如下圖總結(jié)。在低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）產(chǎn)生之前，似乎遠距離和低功耗兩者之間只能二選一。當采用LPWAN技術之后，設計人員可做到兩者都兼顧，最大程度地實現(xiàn)更長距離通信與更低功耗，同時還可節(jié)省額外的中繼器成本。 

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性。

LoRa網(wǎng)絡構成

LoRa網(wǎng)絡主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關（或稱基站）、Server和云四部分組成。應用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRa聯(lián)盟LoRa聯(lián)盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個開放的、非盈利的組織，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業(yè)。不到一年時間，聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)展成員公司150余家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產(chǎn)商。產(chǎn)業(yè)鏈（終端硬件產(chǎn)商、芯片產(chǎn)商、模塊網(wǎng)關產(chǎn)商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡運營商）中的每一環(huán)均有大量的企業(yè)，這種技術的開放性，競爭與合作的充分性都促使了LoRa的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。 

網(wǎng)絡部署

目前LoRa網(wǎng)絡已經(jīng)在世界多地進行試點或部署。據(jù)LoRa Alliance 早先公布的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有9個國家開始建網(wǎng)，56個國家開始進行試點。中國AUGTEK在京杭大運河完成284個基站的建設，覆蓋1300Km流域；美國網(wǎng)絡運營商Senet于2015年中在北美完成了50個基站的建設、覆蓋15,000 平方英里（約38850平方千米），預計在第一階段完成超過200個基站架設；法國電信Orange宣布在2016年初在法國建網(wǎng)；荷蘭皇家電信kpn宣布將在新西蘭建網(wǎng)，在2016年前達到50%覆蓋率；印度Tata宣布將在Mumbai和 Delhi建網(wǎng)；Telstra宣布將在墨爾本試點……(后續(xù)的文章將詳細介紹部分公司利用LoRa技術做出的應用)。

LoRaWAN協(xié)議

LoRaWAN是 LoRa聯(lián)盟推出的一個基于開源的MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術可以為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡。LoRaWAN瞄準的是物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動通訊和靜態(tài)位置識別等服務。該技術無需本地復雜配置，就可以讓智能設備間實現(xiàn)無縫對接互操作，給物聯(lián)網(wǎng)領域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由操作權限。  

LoRaWAN網(wǎng)絡架構是一個典型的星形拓撲結(jié)構，在這個網(wǎng)絡架構中，LoRa網(wǎng)關是一個透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設備和后端中央服務器。網(wǎng)關與服務器間通過標準IP連接，終端設備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關通信。所有的節(jié)點與網(wǎng)關間均是雙向通信，同時也支持云端升級等操作以減少云端通訊時間。

終端與網(wǎng)關之間的通信是在不同頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率基礎上完成的，數(shù)據(jù)速率的選擇需要在傳輸距離和消息時延之間權衡。由于采用了擴頻技術，不同傳輸速率的通信不會互相干擾，且還會創(chuàng)建一組“虛擬化”的頻段來增加網(wǎng)關容量。LoRaWAN的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.3 kbps至37.5 kbps，為了最大化終端設備電池的壽命和整個網(wǎng)絡容量，LoRaWAN網(wǎng)絡服務器通過一種速率自適應（Adaptive Data Rate , ADR）方案來控制數(shù)據(jù)傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出功率。 全國性覆蓋的廣域網(wǎng)絡瞄準的是諸如關鍵性基礎設施建設、機密的個人數(shù)據(jù)傳輸或社會公共服務等物聯(lián)網(wǎng)應用。 關于安全通信，LoRaWAN一般采用多層加密的方式來解決：一、獨特的網(wǎng)絡密鑰（EU164），保證網(wǎng)絡層安全；二、獨特的應用密鑰（EU164），保證應用層終端到終端之間的安全；三、屬于設備的特別密鑰（EUI128）。 LoRaWAN網(wǎng)絡根據(jù)實際應用的不同，把終端設備劃分成A/B/C三類：Class A：雙向通信終端設備。這一類的終端設備允許雙向通信，每一個終端設備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸槽是基于其自身通信需求，其微調(diào)是基于一個隨機的時間基準（ALOHA協(xié)議）。Class  A所屬的終端設備在應用時功耗最低，終端發(fā)送一個上行傳輸信號后，服務器能很迅速地進行下行通信，任何時候，服務器的下行通信都只能在上行通信之后。 Class B：具有預設接收槽的雙向通信終端設備。這一類的終端設備會在預設時間中開放多余的接收窗口，為了達到這一目的，終端設備會同步從網(wǎng)關接收一個Beacon，通過Beacon將基站與模塊的時間進行同步。這種方式能使服務器知曉終端設備正在接收數(shù)據(jù)。
Class C：具有最大接收槽的雙向通信終端設備。這一類的終端設備持續(xù)開放接收窗口，只在傳輸時關閉。

LoRa技術要點

一般說來，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構是影響傳感網(wǎng)絡特性的三個主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將影響系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命；工作頻段的選擇要折中考慮頻段和系統(tǒng)的設計目標；而在FSK系統(tǒng)中，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)需要的節(jié)點數(shù)目來決定的。 LoRa融合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業(yè)無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發(fā)生了徹底的改變。

前向糾錯編碼技術是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創(chuàng)建“自修復”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字擴頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個“展擴器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。  即使噪聲很大，LoRa也能從容應對LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特，最高可使用4096碼片/比特中的最高擴頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。

通過使用高擴頻因子，LoRa技術可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當你通過頻譜分析儀測量時，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關的，而數(shù)據(jù)具有相關性，基于此，數(shù)據(jù)實際上可以從噪音中被提取出來。擴頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來。在一個運轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調(diào)信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。 超強的鏈路預算，讓信號飛的更遠為了有效地對比不同技術之間傳輸范圍的表現(xiàn)，我們使用一個叫做“鏈路預算”的定量指標。鏈路預算包括影響接收端信號強度的每一變量，在其簡化體系中包括發(fā)射功率加上接收端靈敏度。AngelBlocks的發(fā)射功率為100mW (20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數(shù)據(jù)）的GFSK無線技術，需要5W的功率(37dBm)才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中，大多GFSK無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm，在此狀況下，發(fā)射端發(fā)射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達到與LoRa類似的鏈路預算值。因此，使用LoRa技術我們能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術正是我們所需的。

關于LPWAN

低功耗廣域網(wǎng)絡（Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的一部分，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強的特點，適用于每隔幾分鐘發(fā)送和接收少量數(shù)據(jù)的應用情況，如水運定位、路燈監(jiān)測、停車位監(jiān)測等等。LPWAN相關組織LoRa聯(lián)盟目前在全球已有145位成員，其繁茂的生態(tài)系統(tǒng)讓遵循LoRaWAN協(xié)議的設備具有很強的互操作性。一個完全符合LoRaWAN標準的通訊網(wǎng)關可以接入5到10公里內(nèi)上萬個無線傳感器節(jié)點，其效率遠遠高于傳統(tǒng)的點對點輪詢的通訊模式，也能大幅度降低節(jié)點通訊功耗。

轉(zhuǎn)載自：AUGTEK物聯(lián)網(wǎng)觀察