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LoRa通信技术详解


时间:2017-10-30 15:03来源:网络摘选 作者:技术支持部 点击:

1、引言
        由于耗电和成本等方面的问题,业界预测到2020年物联网(IOT)500亿个无线节点中只有不到10%的使用GSM技术。尽管电信运营商具有建设和管理这样一个大规模网络的最突出的优势,但是需要一个远距离,大容量的系统以巩固在依靠电池供电的无线终端细分市场——无线传感网、智能城市、智能电网、智能家居、安防设备和工业控制等方面的地位。对于物联网来说,只有使用一种广泛的技术,才可能使得电池供电的无线节点数量达到预计的规模。
      LoRa 作为低功耗广域网(LPWAN)的一种长距离通信技术,近些年受到越来越多的关注。
 
图 1?1物联网新秀LoRa技术宣传图
2、LoRa技术
    2.1  LoRa概述

           LoRa 是LPWAN通信技术中的一种,是美国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方案。
        它使用线性调频扩频调制技术,即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰,即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰,因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据,大大扩展了系统容量。

 

图 2?1LoRa技术特点
       线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年,因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性,而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。
       目前, LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。
       LoRa的最大特点就是:(1)传输距离远  (2)工作功耗低   (3)组网节点多。
    2.2  LoRaWAN协议

        LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求,如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置,就可以让智能设备间实现无缝对接互操作,给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。
    2.3LoRa网络架构

          LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成,应用数据可双向传输。如图2-1所示。

图 2?2 LoRa网络架构图
LoRa的优势主要体现在以下几个方面:
(1)大大的改善了接收的灵敏度,降低了功耗
      高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,这大大延迟了电池的使用寿命。
(2)基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大。
      如图2-1所示,网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。
(3)基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。
       LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。
      这些关键特征使得 LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。
表格 2?1 LoRa关键特性和优势

 

     2.4  LoRa终端设备分类

 
      LoRa的终端节点可能是各种设备,比如水表气表、烟雾报警器、宠物跟踪器等。这些节点通过LoRa无线通信首先与LoRa网关连接,再通过3G网络或者以太网络,连接到网络服务器中。网关与网络服务器之间通过TCP/IP协议通信。
LoRa网络将终端设备划分成A/B/C三类:
      Class A:双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信,每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输时隙是基于其自身通信需求,其微调基于ALOHA协议。
      Class A设备的功耗最低,基站下行通信只能在终端上行通信之后
      Class B:具有预设接收时隙的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口,为了达到这一目的,终端设备会同步从网关接收一个Beacon,通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。

       Class B终端可以使基站知道终端正在接收数据。
       Class C:具有最大接收窗口的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口,只在传输时关闭。Class C设备拥有最长的接收窗口,也最耗电。

3、LoRa联盟

        LoRa联盟是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织,发起成员还有法国Actility,中国AUGTEK和荷兰皇家电信kpn等企业。不到一年时间,联盟已经发展成员公司150余家,其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级产商。
        产业链(终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)中的每一环均有大量的企业,这种技术的开放性,竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

图 3?1 LoRa产业链中的厂家
4、LoRa对比NB-IOT
      作为物联网无线通信技术,LoRa和NB-IoT两种技术具有不同的技术和商业特性,所以在应用场景方面会有不同。
     4.1技术参数

表格 4?1 LoRa与NB-IoT技术参数对比
 
     4.2商业特性
         目前从产业的发展来看,已经形成了由芯片、模组、终端、通讯设备、平台、运营商和应用这七大环节组成的完整产业链,将NB-IoT和LoRa做下对比:

4.2.1频段和服务质量

        LoRa工作在1GHz以下的非授权频段,故在应用时不需要额外付费。NB-IoT和蜂窝通信使用1GHz以下的授权频段。处于500MHz和1GHz之间的频段对于远距离通信是最优的选择,因为天线的实际尺寸和效率是具有相当优势的。
        LoRaWAN使用免费的非授权频段,并且是异步通信协议,对于电池供电和低成本是最佳的选择。LoRa 和 LoRaWAN 协议,在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特的特性,但却不能提供像蜂窝协议一样的服务质量(QoS)。
        据悉授权的Sub-GHz频段的售价,每MHz价格超过5亿美金。蜂窝网络和NB-IoT出于对服务质量(QoS)的考虑,并不能提供类似LoRa一样的电池寿命。由于QoS和高昂的频段使用费,需要确保QoS的应用场景推荐使用蜂窝网络和NB-IoT,而低成本和大量连接是首选项的话LoRa是不错的选择,如下图。

图 4?2电池寿命和下行延迟
          蜂窝网络设计的理念是最优的频段利用率,相应的就牺牲了节点成本和电池寿命。相反,LoRaWAN节点是为了低成本和长电池寿命而生,在频段利用率方面有一定的欠缺。
       关于电池寿命方面有两个重要的因素需要考虑,节点的电流消耗(峰值电流和平均电流)以及协议内容。LoRaWAN是一种异步的基于ALOHA的协议,也就是说节点可以根据具体应用场景需求进行或长或短的睡眠,而蜂窝等同步协议的节点必须定期地联网。
       例如,现在市面上的手机工作时每1.5s必须与网络进行同步。在NB-IoT中,这种同步变少但是仍然在定期进行,这样就额外的消耗了电池的电量。
       在蜂窝网络中调制是充分利用频段的有效手段,但是从节点的角度这并不是有效的。蜂窝的调制(OFDM或者FDMA)需要一个线性的发射器来产生调制信号,而一个线性的发射器需要的峰值电流比非线性调制多几个数量级,越高的峰值电流会消耗电池更多的电量。
       但同步的通信协议在较短的下行延迟方面具有优势,同时NB-IoT可以为需要大量数据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。而LoRaWAN的Class B 通过定期地(编程实现)唤醒终端以收取下行消息而缩短了下行通信的延迟。
       所以对于需要频繁通信、较短的延迟或者较大数据量的应用来说NB-IoT或许是更好的选择,而对于需要较低的成本、较高的电池寿命和通信并不频繁的场景来说LoRa更好。

成本和混合模型

       对终端节点来说,LoRaWAN协议比NB-IoT更简单,更容易开发并且对于微处理器的适用和兼容性更好。NB-IoT的调制机制和协议比较复杂,这就需要更复杂的电路和更多的花费,同时NB-IoT和3GPP一样是要收税的。
      现阶段对于一部手机的税费大概是5美元,但这对于物联网设备来说显得太昂贵了,而且如果贸然的降低税费会引起手机等移动通信市场的价格混乱。所以3GPP组织如何权衡IoT和移动通信两方面税费问题也个大问题。
      低成本、技术相对成熟的LoRa模块已经可以在市场上找到了,并且升级版还会接踵而至。LoRa联盟没有过多版权和税费的限制使得在LoRa产业链下模块低于4美元是十分可观的。现在市场上的LoRa模块价格一般在7-10美元,但是随着技术的成熟度提高4-5美元并不是大问题。而现在一个LTE模块的价格却很难低于20美元。
       相对于传统的只依靠“铁塔”部网,对于IoT和LPWAN来说部署需要使用不同模型以降低支出和运营成本。LoRaWAN部署花费更少,因为可以利用传统的信号塔、工业基站甚至是便携式家庭网关来进行。
       现阶段一个塔式的基站价格大概是1000美元,工业基站价格低于500美元,而家庭式的网关只需要100美元左右。但是对于NB-IoT来说,升级现有的4G LTE基站的价格保守估计每个不少于15000美元。
5、LoRa应用场景
           没有一种技术可以同时满足IoT应用的所有需求。下面将通过几个具体的应用实例来分析NB-IoT 和LoRa 各自适合的应用场景。
   5.1智能电表

        在智能电表领域相关的公司和部门需要高速率的数据传输、频繁的通信和低延迟。由于电表是由电源供电的,所以并没有超低功耗和长电池使用寿命的需求。并且还需要对线网进行实时监控以便发现隐患时及时处理。
        LoRaWAN的ClassC可以实现低延迟,但是对于高传输速率和频繁通信的需求NB-IoT是更适合于智能电表的选择。并且电表一般安装在人口密集的地区的固定位置,所以对于运营商部网也较为容易。
    5.2  智慧农业
       对农业来说,低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温湿度、二氧化碳、盐碱度等传感器的应用对于农业提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义,这些传感器需要定期地上传数据。
       LoRa十分适用于这样的场景。而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络,更不用说4G/LTE了,所以NB-IoT并不如LoRa一样适合于智慧农业。

     5.3自动化制造
        工厂机器的运行需要实时的监控,不仅可以保证生产效率而且通过远程监控可以提高人工效率。在工厂的自动化制造和生产中,有许多不同类型的传感器和设备。
        一些场景需要频繁的通信并且确保良好的服务质量(QoS),这时NB-IoT是较为合适的选择。而一些场景需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池来追踪设备、监控状态,这时LoRa便是合理的选择。所以对于自动化生产制造的多样性来说,NB-IoT 和LoRa都有用武之地。
      5.4智能建筑
        对于建筑的改造,加入温湿度、安全、有害气体、水流监测等传感器并且定时的将监测的信息上传,方便了管理者的监管同时更方便了用户。
        通常来说这些传感器的通信不需要特别频繁或者保证特别好的服务质量,同时便携式的家庭式网关便可以满足需要。所以该场景LoRa是比较合适的选择。
       5.5物流追踪
        追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在需要场所部网,可以是仓库或者运输车辆上,这时便携式的基站便派上了用场。
        LoRa可以提供这样的部署方案,而对于NB-IoT来说追踪范围过大基站的铺设是很大的问题。同时LoRa有一个特点,在高速移动时通信相对于NB-IoT更稳定。出于以上的考虑,LoRa更适合于物流追踪。
6、发展前景
        目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa联盟年初的数据是有9个国家开始建网,56个国家开始进行试点;截至目前最新公布的数据,已经有17个国家公开宣布建网计划,120多个城市地区有正在运行的LoRa网络,如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家,荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。

图 7?1法国电信运营商Bouygues部署连接百万设备量的LoRa网络
        如今,中国电信、中国移动、中国联通、华为与高通等运营商的陆续部署逐渐构建起了支撑NB-IOT技术产业的生态系统,而Orange、软银、Senet和Comcast等各国主流运营商的纷纷运用也使得LoRa技术行业的生态已初步成型。
        两项技术均在持续扩大中,使之拥抱万物互联的条件慢慢开始成熟。大量的供应商与运营商也在不断的展开试点,相信日后NB-IoT与LoRa的互补发展将大大推动物联网技术的革新与进步。

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