因低功率、長距離、經(jīng)濟(jì)實惠的特征，LoRa技術(shù)常用在軍事通訊領(lǐng)域。除了軍事通訊應(yīng)用，lora也逐漸成為長距離無線射頻通信的首選方案。LoRa技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到更多的垂直市場中，包括智能公用事業(yè)、智能供應(yīng)鏈和物流、智能家居和樓宇、智慧農(nóng)業(yè)、智慧健康和醫(yī)療、智能工業(yè)控制、智慧社區(qū)和智能環(huán)境。
LoRa為什么會成為長距離通信方案的首選呢? LoRa經(jīng)歷了什么樣的前世今生成長起來的呢?
一、 LoRa 無線技術(shù)簡介
LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，其實也是是諸多LPWAN通信技術(shù)中的一種。這一方案為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線通信手段。目前，LoRa
主要在ISM頻段運行，主要包括433、868、915 MHz等。
LoRa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(kuò)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。線性擴(kuò)頻已在軍事和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，
由于其可以實現(xiàn)長通信距離和干擾的魯棒性，但是LoRa?是第一個用于商業(yè)用途的低成本實現(xiàn)。
LoRa?的優(yōu)勢在于技術(shù)方面的長距離能力。單個網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋整個城市或數(shù)百平方公里范圍。在一個給定的位置，距離在很大程度上取決于環(huán)境或障礙物，但LoRa?和LoRaWAN? 有一個鏈路預(yù)算優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)。鏈路預(yù)算，通常用分貝(dB為單位)表示，是在給定的環(huán)境中決定距離的主要因素。
二、LoRa無線技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
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)、Server和云四部分組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。
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了LoRa的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。
三、Lora網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及原理
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(dāng)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(hù)了電池壽命。
在LoRaWAN?網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點與專用網(wǎng)關(guān)不相關(guān)聯(lián)。相反，一個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常是由多個網(wǎng)關(guān)收到。每個網(wǎng)關(guān)將從終端節(jié)點接所接受到的數(shù)據(jù)包通過一些回程
(蜂窩、 以太網(wǎng)等)轉(zhuǎn)發(fā)到基于云計算的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。智能化和復(fù)雜性放到了服務(wù)器上，服務(wù)器管理網(wǎng)絡(luò)和過濾冗余的接受到的數(shù)據(jù)，執(zhí)行安全檢查，通過最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)
度確認(rèn)，并執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率等。
四、LoRaWAN 協(xié)議介紹
LoRaWAN是
LoRa聯(lián)盟發(fā)布的一個基于開源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(shè)備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。
LoRaWAN?定義了網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，而LoRa?物理層能夠使長距離通訊鏈路成為可能。
LoRaWAN自下而上設(shè)計，為電池壽命、容量、距離和成本而優(yōu)化了LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))。對于不同地區(qū)給出了一個LoRaWAN?規(guī)范概要，以
及在LPWAN空間競爭的不同技術(shù)的高級比較。
五、LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>
LoRaWAN
網(wǎng)絡(luò)是一個典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總，連接終端設(shè)備和后端云端數(shù)據(jù)服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間TCP/IP網(wǎng)
絡(luò)進(jìn)行連接。所有的節(jié)點與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信，考慮到電池供電的場合，終端節(jié)點一般是休眠，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，喚醒，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。
因此，使用LoRa技術(shù)，我們能夠以低發(fā)射功率獲得更遠(yuǎn)的傳輸距離。這種低功耗廣域技術(shù)正是大規(guī)模部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所必須的。
六、LoRa技術(shù)優(yōu)缺點
一般說來，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響傳感網(wǎng)絡(luò)特性的三個主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將影響系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命;工作頻段的選擇要折中考慮頻段和系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo);而在FSK系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)需要的節(jié)點數(shù)目來決定的。
LoRa融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業(yè)無線電通信會融合這些技術(shù)，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。
前向糾錯編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個“展擴(kuò)器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。
即使噪聲很大，LoRa也能從容應(yīng)對LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特，最高可使用4096碼片/比特中的最高擴(kuò)頻因子(12)。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。
通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa技術(shù)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當(dāng)你通過頻譜分析儀測量時，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，基于此，數(shù)據(jù)實際上可以從噪音中被提取出來。擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來。在一個運轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解調(diào)信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。
超強的鏈路預(yù)算，讓信號飛的更遠(yuǎn)為了有效地對比不同技術(shù)之間傳輸范圍的表現(xiàn)，我們使用一個叫做“鏈路預(yù)算”的定量指標(biāo)。鏈路預(yù)算包括影響接收端信號強度的每一變量，在其簡化體系中包括發(fā)射功率加上接收端靈敏度。發(fā)射功率為100mW
(20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預(yù)算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm(這已是其極好的數(shù)據(jù))的GFSK無線技術(shù)，需要5W的功率(37dBm)才能達(dá)到相同的鏈路預(yù)算值。在實踐中，大多GFSK無線技術(shù)接收端靈敏度可達(dá)到-103dBm，在此狀況下，發(fā)射端發(fā)射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達(dá)到與LoRa類似的鏈路預(yù)算值。因此，使用LoRa技術(shù)我們能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術(shù)正是我們所需的。
七、關(guān)于LPWAN
低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(Low Power Wide Area Network,
LPWAN)是物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的一部分，具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強的特點，適用于每隔幾分鐘發(fā)送和接收少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況，如水運定位、路燈監(jiān)測、停車位監(jiān)測等等。LPWAN相關(guān)組織LoRa聯(lián)盟目前在全球已有145位成員，其繁茂的生態(tài)系統(tǒng)讓遵循LoRaWAN協(xié)議的設(shè)備具有很強的互操作性。一個完全符合LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)關(guān)可以接入5到10公里內(nèi)上萬個無線傳感器節(jié)點，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的點對點輪詢的通訊模式，也能大幅度降低節(jié)點通訊功耗。
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