遠距離無線電

1、什么是LoRaLoRa是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標準，低功耗一般很難覆蓋遠距離，遠距離一般 功耗高，要想馬兒不吃草還要跑得遠，好像難以辦到。LoRa的名字就是遠距離無線電（Long Range Radio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠 距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3-5倍。LoRa的特性傳輸距離：城鎮(zhèn)可達2-5 Km，郊區(qū)可達15 Km。工作頻率：ISM頻段 包括433、868、915 MH 等。標準：IEEE 802.15.4g。調(diào)制方式：基于擴頻技術(shù)，線性調(diào)制擴頻（CSS）的一個變種，具有前 向

2、糾錯（FEC）能力，semtech公司私有專利技術(shù)。容量：一個LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬個LoRa 節(jié)點。電池壽命：長達10年。安全：AES128加密。傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離 越長，這很像一個人挑東西，挑的多走不太遠，少了可以走遠。LoRa 和 LoRaWanAppticalinnPhysdca!(PHY)LoRaWan協(xié)議棧L口RM M 4CUS 515MAC-opIlonLoRa AllianceEli砌EU4UClBKS A阿AppticalinnPhysdca!(PHY)LoRaWan協(xié)議棧L口RM M 4CUS 515MAC-opIlonLoRa Allia

3、nceEli砌EU4UClBKS A阿6-QaisC陽 asnajtCdn&iuQUHli上圖可以看出，LoRa是LoRaWan的一個子集，LoRa僅僅包括物理層定義，LoRaWan還包括了鏈 路層。Concentrator /GatewayNetwork ServerBIRRF LoRiWAN/TCP/IP SSL LoRaWAN141Application ServerTCP/IP SSL Secure P目 Concentrator /GatewayNetwork ServerBIRRF LoRiWAN/TCP/IP SSL LoRaWAN141Application ServerTCP

4、/IP SSL Secure P目 ylwdAES Secured PayloadApplication DateAES Secured PayloadApplication DateLoRaWan網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)這張圖片是LoRaWan的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，左邊是各種應(yīng)用傳感器，包括智能水表，智能垃圾桶，物流 跟蹤，自動販賣機等，它右邊是LoRaWan網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議，把LoRa傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP 的格式發(fā)送到Internet上。LoRa網(wǎng)關(guān)用于遠距離星型架構(gòu)，是多信道、多調(diào)制收發(fā)、可多信道同時 解調(diào)。由于LoRa的特性可以同一信道上同時多信號解調(diào)。網(wǎng)關(guān)使用不同于終端節(jié)點的RF器件，具有 更高

5、的容量，作為一個透明網(wǎng)橋在終端設(shè)備和中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間中繼消息。網(wǎng)關(guān)通過標準IP連接連 接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，終端設(shè)備使用單播的無線通信報文到一個或多個網(wǎng)關(guān)。其實LoRaWan并不是一個完整的通信協(xié)議，因為它只定義了物理層和鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層沒 有，功能也并不完善，沒有漫游，沒有組網(wǎng)管理等通信協(xié)議的主要功能。Lora物理幀結(jié)構(gòu)LoRa的報文分為上行和下行。上行是從傳感器到LoRa網(wǎng)關(guān)的，下行是LoRa網(wǎng)關(guān)到傳感器的， 僅僅作為回復(fù)。.link PHY:PreamblePHDRPHDR一CRCPHYPayloadCRCFigure Uplink PHY structure上行報文上圖是上行報文，包括

6、一個前導(dǎo)碼，包頭和包頭的CRC值，后面是數(shù)據(jù)，最后是CRC校驗。unlink PHY:PreamblePHDRPHDRCRCPHYPaylodFigure 3; Downlink PHY structure下行報文無線通信網(wǎng)絡(luò)之LoRa技術(shù)由于耗電和成本等方面的問題，業(yè)界預(yù)測到2020年物聯(lián)網(wǎng)（IOT）500億個無線節(jié)點中只有不到 10%的使用GSM技術(shù)。盡管電信運營商具有建設(shè)和管理這樣一個大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最突出的優(yōu)勢，但是需 要一個遠距離，大容量的系統(tǒng)以鞏固在依靠電池供電的無線終端細分市場一一無線傳感網(wǎng)、智能城市、 智能電網(wǎng)、智能家居、安防設(shè)備和工業(yè)控制等方面的地位。對于物聯(lián)網(wǎng)來說，只有使用一種

7、廣泛的技 術(shù)，才可能使得電池供電的無線節(jié)點數(shù)量達到預(yù)計的規(guī)模。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的一種長距離通信技術(shù)，近些年受到越來越多的關(guān)注。LoRa技術(shù)LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠 距離無線傳輸方案。是物理層或無線調(diào)制用于建立長距離通信鏈路。許多傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制 作為物理層，因為它是一種實現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。LoRa是基于線性調(diào)頻擴頻調(diào)制，它保持了像FSK調(diào)制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信 距離。LoRa技術(shù)本身擁有超高的接收靈敏度（RSSI）和超強信噪比（SNR）。此外使用跳頻技術(shù)

8、，通 過偽隨機碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜，防止定頻干擾。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa的最大特點就是：傳輸距離遠；工作功耗低；組網(wǎng)節(jié)點多LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，個別終端節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的信息，以增加網(wǎng)絡(luò)的通信距離和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域規(guī)模大 小。雖然這增加了范圍，但也增加了復(fù)雜性，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，并降低了電池壽命，因節(jié)點接受和轉(zhuǎn) 發(fā)來自其他節(jié)點的可能與其不相關(guān)的信息。當實現(xiàn)長距離連接時，長距離星型架構(gòu)最有意義的是保 護了電池壽命。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率20dBm， （100mW），那么在高建筑密 集

9、的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達10公里。該網(wǎng)關(guān)/集中器 還包含MAC層協(xié)議，對于高層它是透明的。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組 成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星形拓撲結(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個透明傳輸?shù)?中繼，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。終端設(shè)備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信。所有的節(jié)點與網(wǎng) 關(guān)間均是雙向通信。LoRa終端設(shè)備LoRa的終端節(jié)點可能是各種設(shè)備，比如水表氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。這些節(jié)點通過 LoRa無線通信首先與LoRa網(wǎng)關(guān)連接，再通過3

10、G網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)絡(luò)，連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。網(wǎng)關(guān)與 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過TCP/IP協(xié)議通信。LoRa網(wǎng)絡(luò)將終端設(shè)備劃分成A/B/C三類：Class入：雙向通信終端設(shè)備。這一類的終端設(shè)備允許雙向通信，每一個終端設(shè)備上行傳輸會伴 隨著兩個下行接收窗口。終端設(shè)備的傳輸時隙是基于其自身通信需求，其微調(diào)基于ALOHA協(xié)議。Class A設(shè)備的功耗最低，基站下行通信只能在終端上行通信之后Class B：具有預(yù)設(shè)接收時隙的雙向通信終端設(shè)備。這一類的終端設(shè)備會在預(yù)設(shè)時間中開放多余 的接收窗口，為了達到這一目的，終端設(shè)備會同步從網(wǎng)關(guān)接收一個Beacon，通過Beacon將基站與模 塊的時間進行同步。Class B終

11、端可以使基站知道終端正在接收數(shù)據(jù)Class C：具有最大接收窗口的雙向通信終端設(shè)備。這一類的終端設(shè)備持續(xù)開放接收窗口，只在 傳輸時關(guān)閉。Class C設(shè)備擁有最長的接收窗口，也最耗電LoRa聯(lián)盟LoRa聯(lián)盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個開放的、非盈利的組織，發(fā)起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業(yè)。不到一年時間，聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)展成員公司150余 家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產(chǎn)商。產(chǎn)業(yè)鏈（終端硬件產(chǎn)商、芯片產(chǎn)商、模塊網(wǎng)關(guān)產(chǎn)商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商、網(wǎng)絡(luò)運營商）中的 每一環(huán)均有大量的企業(yè)，這種技術(shù)的開放性，競爭與合作的充分性都促使

12、了 LoRa的快速發(fā)展與生態(tài) 繁盛。LoRaWAN 協(xié)議LoRaWAN是LoRa聯(lián)盟推出的一個基于開源的MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術(shù)可以為電池供電的無線設(shè)備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN 瞄準的是物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動通訊和靜態(tài)位置識別等服務(wù)。該技術(shù)無需 本地復(fù)雜配置，就可以讓智能設(shè)備間實現(xiàn)無縫對接互操作，給物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由 操作權(quán)限。LoRa 對比 NB-IoT我們在之前的文章中介紹過NB-IoT，同時作為物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，NB-IoT和LoRa兩種技術(shù)具

13、 有不同的技術(shù)和商業(yè)特性，所以在應(yīng)用場景方面會有不同。目前從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來看，已經(jīng)形成了由芯片、模組、終端、通訊設(shè)備、平臺、運營商和應(yīng)用這七 大環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，將NB-IoT和LoRa做下對比：頻段，服務(wù)質(zhì)量和成本LoRa工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，故在應(yīng)用時不需要額外付費。NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz 以下的授權(quán)頻段。處于500MHz和1GHz之間的頻段對于遠距離通信是最優(yōu)的選擇，因為天線的實際尺 寸和效率是具有相當優(yōu)勢的。LoRaWAN使用免費的非授權(quán)頻段，并且是異步通信協(xié)議，對于電池供電和低成本是最佳的選擇。 LoRa和LoRaWAN協(xié)議，在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方

14、面具有獨特的特性，但卻不能提供像 蜂窩協(xié)議一樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。據(jù)悉授權(quán)的Sub-GHz頻段的競拍，每MHz價格超過5億美金。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT出于對服務(wù)質(zhì) 量（QoS）的考慮，并不能提供類似LoRa 一樣的電池壽命。由于QoS和高昂的頻段使用費，需要確保 QoS的應(yīng)用場景推薦使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT，而低成本和大量連接是首選項的話LoRa是不錯的選擇， 如下圖。電池壽命和下行延遲蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的理念是最優(yōu)的頻段利用率，相應(yīng)的就犧牲了節(jié)點成本和電池壽命。相反，LoRaWAN 節(jié)點是為了低成本和長電池壽命而生，在頻段利用率方面有一定的欠缺。關(guān)于電池壽命方面有兩個重要的因素需要考慮，節(jié)點的

15、電流消耗（峰值電流和平均電流）以及協(xié) 議內(nèi)容LoRaWAN是一種異步的基于ALOHA的協(xié)議，也就是說節(jié)點可以根據(jù)具體應(yīng)用場景需求進行或 長或短的睡眠，而蜂窩等同步協(xié)議的節(jié)點必須定期地聯(lián)網(wǎng)。例如，現(xiàn)在市面上的手機工作時每1.5s必須與網(wǎng)絡(luò)進行同步。在NB-IoT中，這種同步變少但是 仍然在定期進行，這樣就額外的消耗了電池的電量。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制是充分利用頻段的有效手段，但是從節(jié)點的角度這并不是有效的。蜂窩的調(diào)制 （OFDM或者FDMA）需要一個線性的發(fā)射器來產(chǎn)生調(diào)制信號，而一個線性的發(fā)射器需要的峰值電流比 非線性調(diào)制多幾個數(shù)量級，越高的峰值電流會消耗電池更多的電量。但同步的通信協(xié)議在較短的下行延

16、遲方面具有優(yōu)勢，同時NB-IoT可以為需要大量數(shù)據(jù)吞吐量的 應(yīng)用提供快速的數(shù)據(jù)傳輸速率。而LoRaWAN的Class B通過定期地（編程實現(xiàn)）喚醒終端以收取下 行消息而縮短了下行通信的延遲。所以對于需要頻繁通信、較短的延遲或者較大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用來說NB-IoT或許是更好的選擇，而 對于需要較低的成本、較高的電池壽命和通信并不頻繁的場景來說LoRa更好。設(shè)備成本，網(wǎng)絡(luò)成本和混合模型對終端節(jié)點來說，LoRaWAN協(xié)議比NB-IoT更簡單，更容易開發(fā)并且對于微處理器的適用和兼容 性更好。NB-IoT的調(diào)制機制和協(xié)議比較復(fù)雜，這就需要更復(fù)雜的電路和更多的花費，同時NB-IoT和 3GPP 一樣是要收稅的

17、?，F(xiàn)階段對于一部手機的稅費大概是5美元，但這對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說顯得太昂貴了，而且如果貿(mào) 然的降低稅費會引起手機等移動通信市場的價格混亂。所以3GPP組織如何權(quán)衡IoT和移動通信兩方 面稅費問題也個大問題。低成本、技術(shù)相對成熟的LoRa模塊已經(jīng)可以在市場上找到了，并且升級版還會接踵而至LoRa 聯(lián)盟沒有過多版權(quán)和稅費的限制使得在LoRa產(chǎn)業(yè)鏈下模塊低于4美元是十分可觀的?，F(xiàn)在市場上的 LoRa模塊價格一般在7-10美元，但是隨著技術(shù)的成熟度提高4-5美元并不是大問題。而現(xiàn)在一個LTE 模塊的價格卻很難低于20美元。相對于傳統(tǒng)的只依靠“鐵塔”部網(wǎng)，對于IoT和LPWAN來說部署需要使用不同模型以降

18、低支出和 運營成本LoRaWAN部署花費更少，因為可以利用傳統(tǒng)的信號塔、工業(yè)基站甚至是便攜式家庭網(wǎng)關(guān)來 進行?，F(xiàn)階段一個塔式的基站價格大概是1000美元，工業(yè)基站價格低于500美元，而家庭式的網(wǎng)關(guān)只 需要100美元左右。但是對于NB-IoT來說，升級現(xiàn)有的4G LTE基站的價格保守估計每個不少于15000 美元。LoRa和NB-IoT的應(yīng)用場景沒有一種技術(shù)可以同時滿足IoT應(yīng)用的所有需求。下面將通過幾個具體的應(yīng)用實例來分析NB-IoT 和LoRa各自適合的應(yīng)用場景。A：智能電表在智能電表領(lǐng)域相關(guān)的公司和部門需要高速率的數(shù)據(jù)傳輸、頻繁的通信和低延遲。由于電表是由 電源供電的，所以并沒有超低功耗和

19、長電池使用壽命的需求。并且還需要對線網(wǎng)進行實時監(jiān)控以便發(fā) 現(xiàn)隱患時及時處理。LoRaWAN的ClassC可以實現(xiàn)低延遲，但是對于高傳輸速率和頻繁通信的需求NB-IoT是更適合于 智能電表的選擇。并且電表一般安裝在人口密集的地區(qū)的固定位置，所以對于運營商部網(wǎng)也較為容易。B：智慧農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器的應(yīng)用 對于農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量、減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數(shù)據(jù)。LoRa十分適用于這樣的場景。而且很多偏遠的農(nóng)場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，更不用說 4G/LTE 了，所以NB-IoT并不如LoRa 一樣適合于智慧農(nóng)業(yè)。：自動化制造工廠機器的運行需要實時的監(jiān)控，不僅可以保證生產(chǎn)效率而且通過遠程監(jiān)控可以提高人工效率。 在工廠的自動化制造和生產(chǎn)中，有許多不同類型的傳感器和設(shè)備。一些場景需要頻繁的通信并且確保良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS），這時NB-IoT是較為合適的選擇。而 一些場景需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設(shè)備、監(jiān)控狀態(tài)，這時LoRa便是合 理的選擇。所以對于自動化生產(chǎn)制造的多樣性來說，NB-IoT和LoRa都有用武之地。D：智能建筑對于建筑的改造，加入溫濕度、安全、有害氣體、水流監(jiān)測等傳感器并且定時的將監(jiān)測的信息上 傳，方便了管理者的監(jiān)管同時更方便了用戶。