LoRa無(wú)線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)解析

LoRa作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)，其應(yīng)用廣泛，聚英電子也基于LoRa技術(shù)研發(fā)了多款設(shè)備，關(guān)于LoRa無(wú)線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，有一定認(rèn)知。

　　一、LoRa定義

　　LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)際上是眾多LPWAN通信技術(shù)之一，首先由美國(guó)的Semtech采用和推廣。該解決方案為用戶提供了一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線通信的簡(jiǎn)單手段。目前LoRa主要工作在ISM頻段，主要包括433、868、915MHz等。

　　LoRa是用于建立長(zhǎng)距離通信鏈路的物理層或無(wú)線調(diào)制。許多傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)使用頻移鍵控(FSK)調(diào)制作為物理層，是一種非常有效調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)低功耗。LoRa基于啁啾擴(kuò)頻調(diào)制，保持了與FSK調(diào)制相同的低功耗特性，但顯著增加了通信距離。幾十年來(lái)，線性擴(kuò)頻因其能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)通信距離和抗干擾能力而被用于軍事和空間通信，但LoRa是第一個(gè)用于商業(yè)用途的低成本實(shí)施方案。

　　lora無(wú)線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)中的優(yōu)勢(shì)在于其在技術(shù)方面的遠(yuǎn)程能力。單個(gè)網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋整個(gè)城市或數(shù)百平方公里。在給定位置，距離很大程度上取決于環(huán)境或障礙物，但LoRa和LoRaWAN的鏈路預(yù)算優(yōu)于任何其他標(biāo)準(zhǔn)化通信技術(shù)。鏈路預(yù)算，通常以分貝(dB)表示，是在給定環(huán)境中確定距離的主要因素。

　　二、LoRa網(wǎng)絡(luò)組成

　　LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端(內(nèi)置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(或基站)、服務(wù)器和云端組成。應(yīng)用程序數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。

　　LoRa聯(lián)盟是由Semtech于2015年3月?tīng)款^的一個(gè)開(kāi)放的非營(yíng)利組織。其創(chuàng)始成員包括法國(guó)的Actility、中國(guó)的AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn。在不到一年的時(shí)間里，聯(lián)盟發(fā)展了150多家成員公司，包括IBM、思科等重量級(jí)廠商。產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)(終端硬件廠商、芯片廠商、模塊網(wǎng)關(guān)廠商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商)都有大量的企業(yè)，這項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)放、競(jìng)爭(zhēng)與合作，充足性促進(jìn)了LoRa的快速發(fā)展和生態(tài)繁榮。

　　三、Lora網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及原理

　　在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的信息，以增加網(wǎng)絡(luò)的通信距離和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的大小。雖然這增加了范圍，但它也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，并縮短了電池壽命，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)接收并轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的可能與它們無(wú)關(guān)的信息。在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連接時(shí)，長(zhǎng)距離行星架構(gòu)最適合保持電池壽命。

　　在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)不與專用網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)。相反，一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常由多個(gè)網(wǎng)關(guān)接收。每個(gè)網(wǎng)關(guān)通過(guò)一些回程(蜂窩、以太網(wǎng)等)將從終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基于云的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。智能和復(fù)雜性置于服務(wù)器上，管理網(wǎng)絡(luò)并過(guò)濾多余的接收數(shù)據(jù)，執(zhí)行安全檢查，通過(guò)最佳網(wǎng)關(guān)安排確認(rèn)，并執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率等。

　　四、優(yōu)缺點(diǎn)介紹

　　LoRaWAN是LoRa聯(lián)盟發(fā)布的基于開(kāi)源MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)通信協(xié)議。主要為電池供電的無(wú)線設(shè)備提供本地、國(guó)家或全球網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

　　LoRaWAN定義了網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，LoRa物理層實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信鏈路。LoRaWAN自下而上設(shè)計(jì)，針對(duì)電池壽命、容量、距離和成本優(yōu)化了LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))。給出了不同地區(qū)的LoRaWAN規(guī)范概述，以及在LPWAN領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的不同技術(shù)的高級(jí)比較。

　　五、LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)聚合，連接終端設(shè)備和后端云數(shù)據(jù)服務(wù)器。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接在網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間。所有節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)都是雙向通信的?？紤]到電池供電的場(chǎng)合，終端節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)喚醒，發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　因此，使用LoRa技術(shù)，以較低的發(fā)射功率，獲得更長(zhǎng)的傳輸距離。這種低功耗廣域技術(shù)正是大規(guī)模部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的。

　　六、lora無(wú)線技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

　　一般來(lái)說(shuō)，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響傳感器網(wǎng)絡(luò)特性的三個(gè)主要參數(shù)。傳輸速率的選擇會(huì)影響系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命;工作頻段的選擇應(yīng)兼顧頻段和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo);在FSK系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)所需節(jié)點(diǎn)決定的。LoRa結(jié)合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，具有前所未有的性能。以前，只有高級(jí)工業(yè)無(wú)線電通信才會(huì)采用這些技術(shù)，但隨著LoRa的引入，嵌入式無(wú)線通信的格局發(fā)生了巨大變化。

　　前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)在待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列中加入了一些冗余信息，使得在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中注入的錯(cuò)誤符號(hào)在接收端得到及時(shí)糾正。這種技術(shù)減少了為重傳創(chuàng)建“自我修復(fù)”數(shù)據(jù)包的需要，并且適用于由多徑衰落引起的突發(fā)錯(cuò)誤。一旦數(shù)據(jù)包被分組并注入前向糾錯(cuò)編碼以提高可靠性，數(shù)據(jù)包就會(huì)被發(fā)送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器。該調(diào)制器將數(shù)據(jù)包中的每個(gè)位饋送到“擴(kuò)展器”中，該“擴(kuò)展器”將每個(gè)位時(shí)間劃分為多個(gè)碼片。

　　即使噪音很大，LoRa也能從容應(yīng)對(duì)LoRa調(diào)制解調(diào)器。配置后可劃分范圍為64-4096碼片/bit，最大可使用4096碼以碼片/比特為單位的最高擴(kuò)頻因子。

　　通過(guò)使用高擴(kuò)頻因子，LoRa技術(shù)可以在很寬的無(wú)線電頻譜范圍內(nèi)傳輸少量數(shù)據(jù)。實(shí)際上，通過(guò)頻譜分析儀測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)看起來(lái)像噪聲，但不同的是，噪聲是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)是相關(guān)的，在此基礎(chǔ)上，實(shí)際上可以從噪聲中提取數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻因子越高，可以從噪聲中提取的數(shù)據(jù)越多。在功能良好的GFSK接收器中，需要8dB的最小信噪比(SNR)才能可靠地解調(diào)信號(hào)。通過(guò)配置AngelBlocks，LoRa可以解調(diào)信噪比為-20dB的信號(hào)。GFSK方法與此類似，結(jié)果差距為28dB，對(duì)應(yīng)的范圍和距離要寬得多。在室外環(huán)境下，6dB的差異可以達(dá)到原來(lái)兩倍的傳輸距離。

　　超強(qiáng)的鏈路預(yù)算，讓信號(hào)飛得更遠(yuǎn)為了有效比較不同技術(shù)之間傳輸范圍的性能，我們使用了一個(gè)量化指標(biāo)，叫做“鏈路預(yù)算”。鏈路預(yù)算包括影響接收器信號(hào)強(qiáng)度的每個(gè)變量，在其簡(jiǎn)化方案中包括發(fā)射功率和接收器靈敏度。AngelBlocks的發(fā)射功率為100mW(20dBm)，接收靈敏度為-129dBm，總鏈路預(yù)算為149dB。相比之下，靈敏度為-110dBm(這已經(jīng)是優(yōu)秀數(shù)據(jù)了)的GFSK無(wú)線技術(shù)需要5W的功率(37dBm)才能達(dá)到同樣的鏈路預(yù)算值。在實(shí)踐中，大多數(shù)GFSK無(wú)線技術(shù)的接收器靈敏度可以達(dá)到-103dBm。在這種情況下，發(fā)射器頻率必須為46dBm或大約36W，才能實(shí)現(xiàn)類似于LoRa的鏈路預(yù)算。因此，使用LoRa技術(shù)，我們可以在低發(fā)射功率的情況下獲得更寬的傳輸范圍和距離，而這種低功率廣域技術(shù)正是我們所需要的。

　　七、關(guān)于LPWAN

　　低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分。具有功耗低、覆蓋廣、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)。它適用于每隔幾分鐘發(fā)送和接收少量。數(shù)據(jù)的應(yīng)用，如水運(yùn)定位、路燈監(jiān)控、車位監(jiān)控等。LPWAN相關(guān)組織LoRa聯(lián)盟目前在全球擁有145個(gè)成員，其繁茂的生態(tài)使設(shè)備能夠遵循LoRaWAN協(xié)議具有很強(qiáng)的互操作性。

　　LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)關(guān)，可以接入5到10公里范圍內(nèi)的上萬(wàn)個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢通信方式，也可以大大減少節(jié)點(diǎn)通信。