認(rèn)識(shí)LPWAN技術(shù)

第一期：LoRa

低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network(簡(jiǎn)稱(chēng)LPWAN) ，即低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，主要用于設(shè)備之間的通訊，這種通訊技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點(diǎn)，比較適合大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署。具體包含NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC四種，其中NB-IoT、LoRa近年來(lái)廣受追捧。

本期我們就來(lái)認(rèn)識(shí)應(yīng)用較多的技術(shù)——LoRa。（下期將介紹NB-IoT）

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，其實(shí)也是諸多LPWAN通信技術(shù)中的一種， 最早由美國(guó)Semtech公司采用和推廣。這一方案為用戶(hù)提供了一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線(xiàn)通信手段。目前，LoRa 主要在ISM頻段運(yùn)行，主要包括433、868、915 MHz等。作為低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)的一種，在同一功耗下LoRa無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)有著通信射頻距離更強(qiáng)、傳輸距離更遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，通信距離是傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的3-5倍。

Semtech公司基于LoRa技術(shù)開(kāi)發(fā)出一整套LoRa通信芯片解決方案，包括用于網(wǎng)關(guān)和終端上不同款的LoRa芯片。為了促進(jìn)其他公司共同參與到LoRa生態(tài)中，2015年3月，Semtech聯(lián)合Actility、Cisco和IBM等多家廠(chǎng)商共同發(fā)起創(chuàng)立了LoRa聯(lián)盟，并推出不斷迭代的LoRaWAN規(guī)范，催生出一個(gè)由全球數(shù)近千家廠(chǎng)商支持的廣域組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而形成廣泛的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

LoRa聯(lián)盟

具有代表性的擴(kuò)頻方式主要有兩種：直接序列擴(kuò)頻與跳頻擴(kuò)頻。LoRa技術(shù)就是一種基于直序擴(kuò)頻的調(diào)制方式。直接序列擴(kuò)頻（DSSS）簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)方式（DS方式），是目前應(yīng)用較廣的一種擴(kuò)頻方式。

LoRa基本技術(shù)指標(biāo)：

傳輸距離：城鎮(zhèn)可達(dá)2~5km，郊區(qū)可達(dá)15km。

工作頻率：ISM頻段包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。

標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g、LoRaWAN。

基于擴(kuò)頻技術(shù)，CSS的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（Forward Error Correction, FEC）能力，屬于Semtech公司私有專(zhuān)利技術(shù)。

容量：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)。

電池壽命：長(zhǎng)達(dá)10年。

安全：AES128加密。

傳輸速率：18b/s~ 62.5kb/s。

LoRa具有以下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

01

低功耗

LoRa的應(yīng)用一般都是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通常都是使用電池供電，并且使用時(shí)間也是幾年以上，這就要求LoRa要具有極低的功耗。LoRa低功耗的實(shí)現(xiàn)主要由兩方面決定：一方面是芯片需要具有低功耗；另一方面是軟件通信協(xié)議也需要具有低功耗。

首先在硬件上LoRa的功耗很低，如SX126X系列熱啟動(dòng)休眠Sleep模式電流僅為1.2uA，125kHz下接收電流為4.6mA，17dBm功率發(fā)送電流只有58mA。

其次在軟件通信協(xié)議方面，LoRa并沒(méi)有像其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)那樣有著復(fù)雜的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)包十分的簡(jiǎn)單，無(wú)需發(fā)送大量的握手?jǐn)?shù)據(jù)。為了達(dá)到省電的目的，業(yè)界廣泛應(yīng)用周期偵聽(tīng)（Wake on Radio，WOR）方式，如圖所示：

芯片周期性地進(jìn)入接收（RX）模式以偵聽(tīng)有沒(méi)有喚醒前導(dǎo)碼，其他時(shí)間處于休眠（Sleep）模式。WOR接收電流如下圖所示，其大部分時(shí)間處于休眠模式，只有少部分時(shí)間被喚醒處于接收模式，所以其整體功耗很低。如億佰特的E22、E32模塊都具有WOR功能，能很好的做到低功耗需求。

02

遠(yuǎn)距離

在無(wú)線(xiàn)通信中，衡量通信距離的標(biāo)準(zhǔn)是鏈路預(yù)算，鏈路預(yù)算等于發(fā)射功率減去靈敏度。靈敏度是負(fù)數(shù)，靈敏度越高負(fù)得越多，所以提高鏈路預(yù)算的方法是增大發(fā)射功率和提高靈敏度。但是發(fā)射功率在各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有著嚴(yán)格要求，所以提高通信距離的方法只有提高靈敏度了。而LoRa在BW=125kHz，SF=7的時(shí)候靈敏度就已經(jīng)達(dá)到了-123dBm；在BW=7.81kHz，SF=12的時(shí)候靈敏度到了-149.1dBm。而藍(lán)牙的靈敏度在-90dbm左右，ZigBee在-85dBm左右，所以L(fǎng)oRa的傳輸距離相比其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)要遠(yuǎn)很多。但LoRa是使用帶寬換取靈敏度，會(huì)導(dǎo)致發(fā)送速率很慢，所以L(fǎng)oRa適用于長(zhǎng)距離、低速率、小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。

03

抗干擾

LoRa能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，除了靈敏度優(yōu)勢(shì)外，還有一個(gè)非常重要的因素是超強(qiáng)的抗干擾能力。

在低于噪聲20dB下LoRa依然可以通信，這是現(xiàn)有傳統(tǒng)通信技術(shù)都不具備的。如下圖：

LoRa可以在噪聲之下20dB正常解調(diào)信號(hào)，而 FSK理論上需要在噪聲之上8dB才能保證解調(diào)。當(dāng)通信過(guò)程中遇到外界電磁信號(hào)干擾時(shí)，LoRa 可以繼續(xù)穩(wěn)定通信，而傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)則無(wú)法通信。所以在一些信道干擾比較嚴(yán)重的區(qū)域，客戶(hù)都會(huì)選擇LoRa技術(shù)作為穩(wěn)定通信的核心技術(shù)。LoRa調(diào)制之所以有這么強(qiáng)的抗干擾能力，主要是因?yàn)?/span>Chirp調(diào)試在相干解調(diào)的時(shí)候可以把在噪聲之下有用的LoRa信號(hào)聚集在一起，而噪聲在相干解調(diào)后還是噪聲。

2022年，全球已部署超650萬(wàn)個(gè)基于LoRa的網(wǎng)關(guān)，超2.8億個(gè)基于LoRa的終端節(jié)點(diǎn)，LoRaWAN公共網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商達(dá)170余家且還在持續(xù)增加。據(jù)ABI Research預(yù)計(jì)，到2026年，LoRa將占據(jù)全球非蜂窩低功耗廣域網(wǎng)連接超過(guò)50%的份額。國(guó)內(nèi)LoRa產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量已達(dá)3000多家，且還在快速增長(zhǎng)。中國(guó)市場(chǎng)是LoRa全球生態(tài)建設(shè)中極為重要的部分。