阿里云栖大会详细讲到的LoRa技术到底是什么?
日期:2018-03-29 09:26:36
 

什么是LoRa技术,LoRa的优势,LoRa网关,LoRa模块 一文看懂LoRa

 
 
什么是LoRa技术,LoRa的优势,LoRa网关,LoRa模块 一文看懂LoRa

什么是LoRa技术

LoRa是一种专用于远距离低功耗无线通信技术,其调制方式相对于其他通信方式大大增加了通信距离,可广泛应用于各种场合的远距离低速率物联网无线通信领域。比如自动抄表、楼宇自动化设备、无线安防系统、工业监视与控制等。具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点,可根据实际应用情况对天线增益进行调节。
LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构,在这个网络架构中,LoRa网关是一个透明的中继,连接终端设备和服务器。网关与服务器通过标准IP连接,而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信,所有的节点均是双向通信。
LoRa网关和模块间以星形网方式组网,而LoRa模块间理论上可以点对点轮询的方式组网,但是点对点轮询效率要远远低于星形网。网关可以实现多通道并行接收,同时处理多路信号,这大大增加了网络容量。采用Lora也可以实现测距和定位。LPWAN的电池使用寿命较长,对于那些需要发送少量数据的传感器和应用而言是真正做到了低功耗。
根据FDMA(频分复用)来划分不同的频段来建立不同的子网段。如:一个子网工作在469MHz,另一个子网工作在470MHz,这2个子网互不干扰。可能会因为硬件电路或者是晶振的差别,信道频率值会有一些偏差。单终端单次上传的最大字节为256。终端节点个数几百不等.一个网关能接多少个终端与数据发送周期和响应速度要求有关。布置网关注意有些地方有信号死区,需要增加中继器,确保网关和终端的空中速率和频率一致,否则无法建立通信。带宽越小,对晶振的要求越高。跳频的话对于干扰有所改善,对通讯距离没有影响。Lorawan网关通信协议采用的是国际标准,也可采用自定义协议。

LoRa主要参数

择semtech射频芯片,SX1276工作频段是137-1020MHz频段,最高传输速率是300kbps。而SX1277最高传输速率是40kbps,则是针对5-40kbit/s速率的数据传输应用程序,如安全系统,SX1278是面向137MHz~525MHz工作频段,最高传输速率也是300kbps。对于SX1276初读数据手册,
总结如下:
工作电压:1.8 - 3.6 V
工作频段:137~175MHz,410~525MHz,860~1020MHz
调制方式:LORA\2-FSK\GFSK\OOK
发射功率:+20dBm–100mW
最大比特率:300kbps
通信协议:SPI

定位和测距

LoRa测量距离是根据传输信号的空中传输时间而不是接收信号强度RSSI值,定位则可根据多点(网关)对一点(终端)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m。

LoRa网关

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。

LoRa:易于建设和部署的低功耗广域物联技术

LoRa的诞生比NB-IoT要早些,2013年8月,Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(Long Range,简称LoRa)的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm,与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比,最高的接收灵敏度改善了20db以上,这确保了网络连接可靠性。
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。
LoRa技术特点
  图1:LoRa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。
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所示。
LoRa网络架构
  图2:LoRa网络架构

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。
本文转载自物联网在线。
 
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