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对低功耗广域网络有什么困惑?先看看对LoRa的解读吧

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经过一年的快速发展,物联网领域中从业者对于低功耗广域网络(LPWAN)并不陌生。作为商用化较早的LPWAN技术,LoRa已在国内外得到广泛应用,本文由全国低功耗广域网络产业联盟理事长单位八月科技(AUGTEK)根据其在LoRa商用推广中所遇到的各类问题汇编而成。

初识LoRa:低功耗广域网络代表性技术

LoRa是低功耗广域网通信技术中的一种,是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技术,是Semtech 射频部分产生的一种独特的调制格式。LoRa射频部分的核心芯片是SX1276和SX1278。这类芯片集成规模小、效率高,为LoRa无线模块带来高接收灵敏度。而网关芯片则采用的是集成度更高、信道数更多的SX1301。用SX1301作为核心开发出的LoRa网关,可以与许许多多的LoRa模块构成多节点的复杂的物联网自组网。

从技术形态来看,LoRa是一种扩频技术,但它不是直接序列扩频。直接序列扩频通过调制载波芯片来传输更多的频谱,从而提高编码增益。而LoRa调制与多状态FSK调制类似,使用未调制载波来进行线性调频,使能量分散到更广泛的频段。

从网络结构来看,LoRa调制技术本身是一个物理层(PHYlayer)协议,能被用在几乎所有的网络技术中。Mesh网络虽然扩展了网络覆盖的范围,但是却牺牲了网络容量、同步开销、电池使用寿命。随着LoRa技术链路预算和覆盖距离的同时提升,Mesh网络已不再适合,故采用星形的组网方式来优化网络结构、延长电池寿命、简化安装。LoRa网关和模块间以星形网方式组网,而LoRa模块间理论上可以以点对点轮询的方式组网,当然点对点轮询效率要远远低于星形网。

LoRa网关:终端与服务器的桥梁

LoRa网关位处LoRa星形网络的核心位置,是终端和服务器(Server)间的信息桥梁,是多信道的收发机。LoRa网关有时又被称为LoRa基站或LoRa集中器,虽然定义不同,但其实是同一含义。

LoRa网关使用不同的扩频因子,不同的扩频因子两两正交因而理论上可以在同一信道中对多条不同扩频因子的信号进行解调。网关与网络服务器间通过标准IP进行连接,终端通过单跳与一个或多个网关进行通讯,所有的终端通讯都是双向通讯,同时也支持软件远程升级等。以下几个网关的几个重要的特点:

(1)网关的分类:目前来说,定义不同,网关类型也不同。例如,按照应用场景不同可分为为室内型网关和室外型网关;按照通讯方式不同可分为全双工网关和半双工网关;而按照设计标准不同可分为完全符合LoRaWAN协议网关和不完全符合LoRaWAN协议网关。AUGTEK新一代网关为室外型,全双工,并且完全符合LoRaWAN协议。完全符合LoRaWAN协议的LoRa网关及LoRa终端能够实现互联互通,这具有很大意义!

(2)网关的容量:网关容量是指在一定时间内网关接收数据包数量的能力。理论上来说,单个SX1301芯片拥有8个信道,在完全符合LoRaWAN协议的情况下最多每天能接收1500万个数据包。如果某应用发包频率为1包/小时,单个SX1301芯片构成的网关能接入62500个终端节点。当然,这只是一个理论值,网关接入终端数量最终还是与网关信道数量、终端发包频率、发包字节数和扩频因子息息相关。

(3)网关接入点决定因素:LoRa网关接入的节点数取决于LoRa网关所能提供的信道资源以及单个LoRa终端占用的信道资源。LoRa网关如果采用Semtech标准参考设计,网关采用SX1301芯片,那么信道数是固定的8个上行信道1个下行信道。物理信道数确定了, LoRa网关所能提供的信道资源也就确定了。(网关设计不同,信道数不同,AUGTEK网关能实现8个上行,4个下行。)单个LoRa终端占用的信道资源与终端占用信道的时间一致,也就与终端的发包频率、发包字节数以及LoRa终端的扩频因子息息相关。当LoRa终端的发包频率和发包字节数上升,该终端占据信道收发的时间就会增加,就占用了更多的信道资源。而当LoRa终端采用更大的扩频因子时,信号可以传的更远,但是代价是传递单位字节的信息会花费更多的时间。

除了网关外,我们也需要关注LoRa终端:LoRa终端是LoRa网络的组成部分,一般由LoRa模块和传感器等器件组成。LoRa终端可使用电池供电,能够远程定位。每一个符合LoRaWAN协议的终端都能与符合LoRaWAN的网关直接通讯,从而实现互联互通。

LoRa的频段选择

按理论来说,可以使用150 MHz 到 1 GHz频段中的任何频率。但是Semtech的LoRa芯片并不是所有的sub-GHz的频段都可以使用,在常用频段(如433MHz,470MHz~510MHz,780MHz以及欧美常用的868MHz和915MHz都属于常用频段)以外的一些频率并不能很好的支持。AUGTEK主导LoRaWAN 470~510MHz协议标准的制定,目前在中国提供470-510MHz频段网关。

会有人质疑,LoRa网关使用免费频段,会不会容易受到频率干扰?

抗干扰能力取决于LoRa技术本身的特性和网关的设计。LoRa技术本身拥有超高的接收灵敏度(RSSI)和超强信噪比(SNR)。以AUGTEK的LoRa网关与LoRa模块为例,其接收灵敏度达到惊人的-142dBm,而超强的信噪比可以让AUGTEK网关和终端工作在噪声门限以下20dB。此外,AUGTEK网关使用跳频技术,通过伪随机码序列进行频移键控,使载波频率不断跳变而扩展频谱,防止定频干扰。

LoRa的数据传输速率和数据长度

LoRaWAN协议定义了一系列的数据传输速率,不同的芯片可供选择的速率范围不同,例如SX1272支持0.3-38.4kbps,SX1276支持0.018-38.4kbps的速率范围。目前AUGTEK能实现0.3-37.5kbps的传输速率。

使用LoRa设备发送或接收的数据长度有限制,理论来说SX127x系列芯片有256 Bytes的FIFO,发射或接收256 Bytes都行得通。但是,并不是在任何传输速率下LoRa模块的负载长度都能为256 Bytes。在传输速率较低的情况下,一次传输256 Bytes需要花费的时间极长(可能需要花费几秒甚至更长),这不利于抗干扰和交互,因此在技术处理上一般建议用户将一条长数据分割成数条小数据来进行传输。

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