如何選擇LoRa模塊產品-lora模塊選擇因素有哪些

LoRa模塊以其“長距離，低功耗”的優(yōu)勢，成為物聯(lián)網通信技術的后起之秀。LoRaWAN以其明顯的優(yōu)勢：大容量、全球統(tǒng)一的標準、免費頻段、低成本與靈活性，和WiFi一樣，成為“私有物聯(lián)網”的首要選擇（NB-IoT，和GPRS一樣，是“公有物聯(lián)網”的方案）。如何選擇最合適的LoRa模塊產品，成為物聯(lián)網的頂層設計。為此，我們一起探討。

1.建設要素

需求，是項目的源頭！同理，建設一個物聯(lián)網，首先需要規(guī)劃以下需求：

1.1 LoRa模塊的通信距離

因為長距離的特性，LoRa物聯(lián)網的主流是“星型網絡”，這意味著，距離是指：最遠的節(jié)點與網關之間的通信距離，如上圖所示。

 

在“發(fā)射功率+通信速率+天線”相同的條件下，LoRa模塊的通信距離嚴重依賴于地形和環(huán)境，如：高空氣象氣球通信達到40km；2個山頭或鐵塔通信達到15km，較空曠地區(qū)通信達到5km… 因為無線通信環(huán)境各異，只能以“空曠視距”為基準；其他環(huán)境，以實測為準。

LoRa模塊通信距離不夠的3個方法：

①降低通信速率，可以提高接收靈敏度；

②更換高增益天線，調整天線的方向；

③增加網關，有效地覆蓋信號盲區(qū)。

 

 

LinkLabs公司，公布了一個計算LoRa網絡距離的方法，如上圖所示，它非常有趣，拖動左邊的一些變量，右邊會自動計算有效通信距離。

該方法的鏈接是：https://www.link-labs.com/symphony

1.2 規(guī)模

規(guī)模是“節(jié)點數目”的通俗說法，這是一個容易統(tǒng)計的變量。

 

1.3 帶寬

此處的帶寬，更通俗的名稱是“網絡吞吐量”的需求，它的單位是“比特每秒”。

如：100個節(jié)點，每個節(jié)點，每60秒上報37字節(jié)，因為LoRaWAN協(xié)議一般需要添加13字節(jié)的“元數據”（幀頭和檢驗），那么需要的“帶寬”為：

(37 + 13) x 8 bit / 60 s x 100 = 667 bps

 

1.4 功耗

如果終端和傳感器（或致動器）由電池供電，那么節(jié)能將是一個重要的指標。

得益于LoRaWANClass A的“無同步”特性，終端的節(jié)能十分優(yōu)異。

一般地，能耗是由“模式+電流+時長”來計算。

以銳米通信的LoRaWANNode為例，它在不同工作模式，功耗如下：

休眠=1.6uA，偵聽=13mA，發(fā)射（17dBm）=88mA。

設一LoRaWAN終端，大約10分鐘發(fā)送一次數據幀，約1000ms；按協(xié)議，發(fā)送完畢后，1秒內能喚醒，偵聽時長為160ms，接收時長為1000ms；其他時間都處于Sleep休眠。以10分鐘（600秒）為單位，能耗如下：

發(fā)送：1000ms *88mA = 88mA.s

接收：1160ms *13mA = 15.08mA.s

休眠：(600 – 1 -1.16)s* 1.6uA = 0.96mA.s

平均功耗：(88 +15.08 + 0.96)mA.s / 600s = 0.17mA

2節(jié)AA電池（南孚或雙鹿）總電能約為2400mAH，能工作的時間為：2400mAH / 0.17mA = 14118H =1.6年。

 

1.5 拓撲

當網絡節(jié)點的規(guī)模增大后，這需要更多的網關來支撐，這會把“多個星型”網絡級聯(lián)，詳細請參考下文的“中/大型LoRaWAN”。

 

1.6 成本

成本是一個比較復雜的話題，它除了有形成本（采購設備，部署施工等），還有無形成本（開發(fā)調試，技術支持等）。

計算成本一個簡單的方法是，把一個LoRa物聯(lián)網所有費用（有形成本+無形成本），除以節(jié)點的數目，可以得到“單點建設費用”。

LoRa物聯(lián)網成本有2個基本原則：

量大從優(yōu)：這是市場經濟的基本道理，不解釋。

行業(yè)成熟度：行業(yè)前期較高，因為成本（研發(fā)/制造/營銷/支持等）沒有被“攤薄”。

 

2.點對點（單細胞動物）

 

LoRa點對點系統(tǒng)在現實中有少量的應用場景，如：使用手持機“點名”抄能源表計（電/水/氣/熱表計），遠程控制閥門等。當然，它的局限性是很明顯的：

1. 沒有避免沖突機制：沒有LBT（ListenBefore Talk）機制，如果2個或多個節(jié)點同時發(fā)送，無線電信號將受損，導致通信失??；
2. 接收節(jié)點無法低功耗：接收節(jié)點必須隨時等待發(fā)送節(jié)點的信號，無法休眠；
3. 無法自動組網：解決不了避免沖突和低功耗偵聽，組網也就成了空中樓閣。

 

3.TDMA（魚類時代）

如果組網的需求，符合以下條件，那么可以使用LoRa-TDMA系統(tǒng)。

1）節(jié)點數目較少；

2）上報和下發(fā)通信具有定時規(guī)律；

3）對帶寬的要求很低。

LoRa-TDMA的優(yōu)點是：低成本實現小規(guī)模組網。

同時，它的缺點也明顯：網絡容量有限，延時隨節(jié)點數目線性增長。如下圖所示，當N=10時，某節(jié)點需要等待(10 x slot)時長，才允許上報；當N=100時，則需要等待(100 x slot)時長，才允許上報。

 

 

4.小型LoRaWAN（恐龍時代）

如果節(jié)點數目較少，但是對實時性和吞吐量有要求，那么選擇小型LoRaWAN是一個合適的方案。

它的優(yōu)點是：8通道，允許同時 8個節(jié)點上報；標準統(tǒng)一，各廠商的設備可以互連互通。

仔細觀察下圖，會發(fā)現：LoRaWAN架構中，總是有LoRaWAN Server的存在。它帶來了復雜性，盡管使用云服務器，也只能有限地降低復雜性。

小型LoRaWAN：Server本地化

 

 

小型LoRaWAN：Server云

 

5.中型LoRaWAN（哺乳動物）

當需要提高“實時性”或“網絡容量”時，增加LoRaWAN網關，是一個不錯的選擇。

如下圖所示，在一個LoRaWAN網絡中，增加一個或多個網關，這不會帶來任何沖突。因為，它只有一個“大腦”—LoRaWAN Server，它會執(zhí)行如下“聰明”的邏輯：

上報去冗余：如果一個數據包，被多個網關接收，Server會根據ID和FCnt識別這個“重復”數據包，只接收其中一個副本。

下發(fā)選網關：Server總是挑選合適的網關（往往是“信號強度最佳“），讓它發(fā)射下行數據幀。

中型LoRaWAN：Server本地化

 

中型LoRaWAN：Server云

 

 

6.大型LoRaWAN（現代人類）

LoRaWAN的初衷--為地區(qū)和國家乃至全球提供“電信級”的物聯(lián)網，這是一個雄心勃勃的計劃。

如下圖所示，借助3G/4G技術，將眾多的LoRaWAN網關接入Server；CustomerServer提供海量存儲和智能計算；為授權終端（PC，智能手機，平板等）提供便捷的數據訪問和交互。

目前，LoRa與NB-IoT（中國）、eMTC（美國）、SigFox（法國）等電信級方案存在強烈競爭；同時，它為“大規(guī)模物聯(lián)網”建設提供了有價值的方案。

大型LoRaWAN：Server本地化

 

 

大型LoRaWAN：Server云

 

 

 

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