LoRa無線技術的優(yōu)缺點解析

LoRa作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎技術，其應用廣泛，聚英電子也基于LoRa技術研發(fā)了多款設備，關于LoRa無線技術的優(yōu)缺點，有一定認知。

　　一、LoRa定義

　　LoRa是一種基于擴頻技術的長距離無線傳輸技術，實際上是眾多LPWAN通信技術之一，首先由美國的Semtech采用和推廣。該解決方案為用戶提供了一種實現(xiàn)遠距離、低功耗無線通信的簡單手段。目前LoRa主要工作在ISM頻段，主要包括433、868、915MHz等。

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

　　lora無線技術的優(yōu)缺點中的優(yōu)勢在于其在技術方面的遠程能力。單個網(wǎng)關或基站可以覆蓋整個城市或數(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的鏈路預算優(yōu)于任何其他標準化通信技術。鏈路預算，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)絡組成

　　LoRa網(wǎng)絡主要由終端(內置LoRa模塊)、網(wǎng)關(或基站)、服務器和云端組成。應用程序數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。

　　LoRa聯(lián)盟是由Semtech于2015年3月牽頭的一個開放的非營利組織。其創(chuàng)始成員包括法國的Actility、中國的AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn。在不到一年的時間里，聯(lián)盟發(fā)展了150多家成員公司，包括IBM、思科等重量級廠商。產業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)(終端硬件廠商、芯片廠商、模塊網(wǎng)關廠商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡運營商)都有大量的企業(yè)，這項技術的開放、競爭與合作，充足性促進了LoRa的快速發(fā)展和生態(tài)繁榮。

　　三、Lora網(wǎng)絡架構及原理

　　在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，各個終端節(jié)點轉發(fā)來自其他節(jié)點的信息，以增加網(wǎng)絡的通信距離和網(wǎng)絡區(qū)域的大小。雖然這增加了范圍，但它也增加了復雜性，降低了網(wǎng)絡容量，并縮短了電池壽命，因為節(jié)點接收并轉發(fā)來自其他節(jié)點的可能與它們無關的信息。在實現(xiàn)長距離連接時，長距離行星架構最適合保持電池壽命。

　　在LoRaWAN網(wǎng)絡中，節(jié)點不與專用網(wǎng)關相關聯(lián)。相反，一個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常由多個網(wǎng)關接收。每個網(wǎng)關通過一些回程(蜂窩、以太網(wǎng)等)將從終端節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包轉發(fā)到基于云的網(wǎng)絡服務器。智能和復雜性置于服務器上，管理網(wǎng)絡并過濾多余的接收數(shù)據(jù)，執(zhí)行安全檢查，通過最佳網(wǎng)關安排確認，并執(zhí)行自適應數(shù)據(jù)速率等。

　　四、優(yōu)缺點介紹

　　LoRaWAN是LoRa聯(lián)盟發(fā)布的基于開源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線設備提供本地、國家或全球網(wǎng)絡通信協(xié)議。

　　LoRaWAN定義了網(wǎng)絡的通信協(xié)議和系統(tǒng)架構，LoRa物理層實現(xiàn)了遠距離通信鏈路。LoRaWAN自下而上設計，針對電池壽命、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領域競爭的不同技術的高級比較。

　　五、LoRaWAN網(wǎng)絡拓撲

　　LoRaWAN網(wǎng)絡是一個典型的Mesh網(wǎng)絡拓撲，在這種網(wǎng)絡架構中，LoRa網(wǎng)關負責數(shù)據(jù)聚合，連接終端設備和后端云數(shù)據(jù)服務器。TCP/IP網(wǎng)絡連接在網(wǎng)關和服務器之間。所有節(jié)點和網(wǎng)關都是雙向通信的?？紤]到電池供電的場合，終端節(jié)點一般處于休眠狀態(tài)。當有數(shù)據(jù)要發(fā)送時喚醒，發(fā)送數(shù)據(jù)。

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

　　六、lora無線技術優(yōu)缺點

　　一般來說，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡拓撲結構是影響傳感器網(wǎng)絡特性的三個主要參數(shù)。傳輸速率的選擇會影響系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命;工作頻段的選擇應兼顧頻段和系統(tǒng)的設計目標;在FSK系統(tǒng)中，網(wǎng)絡拓撲結構的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)所需節(jié)點決定的。LoRa結合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術，具有前所未有的性能。以前，只有高級工業(yè)無線電通信才會采用這些技術，但隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信的格局發(fā)生了巨大變化。

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

　　即使噪音很大，LoRa也能從容應對LoRa調制解調器。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頻因子。

　　通過使用高擴頻因子，LoRa技術可以在很寬的無線電頻譜范圍內傳輸少量數(shù)據(jù)。實際上，通過頻譜分析儀測量時，數(shù)據(jù)看起來像噪聲，但不同的是，噪聲是不相關的，而數(shù)據(jù)是相關的，在此基礎上，實際上可以從噪聲中提取數(shù)據(jù)。擴頻因子越高，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)才能可靠地解調信號。通過配置AngelBlocks，LoRa可以解調信噪比為-20dB的信號。GFSK方法與此類似，結果差距為28dB，對應的范圍和距離要寬得多。在室外環(huán)境下，6dB的差異可以達到原來兩倍的傳輸距離。

　　超強的鏈路預算，讓信號飛得更遠為了有效比較不同技術之間傳輸范圍的性能，我們使用了一個量化指標，叫做“鏈路預算”。鏈路預算包括影響接收器信號強度的每個變量，在其簡化方案中包括發(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，總鏈路預算為149dB。相比之下，靈敏度為-110dBm(這已經是優(yōu)秀數(shù)據(jù)了)的GFSK無線技術需要5W的功率(37dBm)才能達到同樣的鏈路預算值。在實踐中，大多數(shù)GFSK無線技術的接收器靈敏度可以達到-103dBm。在這種情況下，發(fā)射器頻率必須為46dBm或大約36W，才能實現(xiàn)類似于LoRa的鏈路預算。因此，使用LoRa技術，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正是我們所需要的。

　　七、關于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、穿透力強等特點。它適用于每隔幾分鐘發(fā)送和接收少量。數(shù)據(jù)的應用，如水運定位、路燈監(jiān)控、車位監(jiān)控等。LPWAN相關組織LoRa聯(lián)盟目前在全球擁有145個成員，其繁茂的生態(tài)使設備能夠遵循LoRaWAN協(xié)議具有很強的互操作性。

　　LoRaWAN標準的通信網(wǎng)關，可以接入5到10公里范圍內的上萬個無線傳感器節(jié)點，效率遠高于傳統(tǒng)的點對點輪詢通信方式，也可以大大減少節(jié)點通信。