LoRa技術科普

小融一號

LoRa簡介
物聯網應用中的無線技術有多種，可組成局域網或廣域網。組成局域網的無線技術主要有2.4GHz的WiFi，藍牙、Zigbee等，組成廣域網的無線技術主要有2G/3G/4G等。這些無線技術，優缺點非常明顯，可如下圖總結。在低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）產生之前，似乎遠距離和低功耗兩者之間只能二選一。當采用LPWAN技術之后，設計人員可做到兩者都兼顧，最大程度地實現更長距離通信與更低功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。

LoRa 是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本的特性。

下圖以USA情況為例，從靈敏度、鏈路預算、覆蓋范圍、傳輸速率、發送電流、待機電流、接收電流、2000mAh電池使用壽命、定位、抗干擾性、拓撲結構、最大終端連接數等參數上比較了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和 LoRa的區別。后續的LoRa技術小型科普文（下）將具體解釋以上的部分參數。

LoRa網絡構成

LoRa網絡主要由終端（可內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、Server和云四部分組成。應用數據可雙向傳輸。 LoRa聯盟LoRa聯盟是2015年3月Semtech牽頭成立的一個開放的、非盈利的組織，發起成員還有法國Actility，中國AUGTEK和荷蘭皇家電信kpn等企業。不到一年時間，聯盟已經發展成員公司150余家，其中不乏IBM、思科、法國Orange等重量級產商。產業鏈（終端硬件產商、芯片產商、模塊網關產商、軟件廠商、系統集成商、網絡運營商）中的每一環均有大量的企業，這種技術的開放性，競爭與合作的充分性都促使了LoRa的快速發展與生態繁盛。

網絡部署

目前LoRa網絡已經在世界多地進行試點或部署。據LoRa Alliance 早先公布的數據，已經有9個國家開始建網，56個國家開始進行試點。中國AUGTEK在京杭大運河完成284個基站的建設，覆蓋1300Km流域；美國網絡運營商Senet于2015年中在北美完成了50個基站的建設、覆蓋15,000 平方英里（約38850平方千米），預計在第一階段完成超過200個基站架設；法國電信Orange宣布在2016年初在法國建網；荷蘭皇家電信kpn宣布將在新西蘭建網，在2016年前達到50%覆蓋率；印度Tata宣布將在Mumbai和 Delhi建網；Telstra宣布將在墨爾本試點……(后續的文章將詳細介紹部分公司利用LoRa技術做出的應用)

LoRaWAN協議

LoRaWAN是 LoRa聯盟推出的一個基于開源的MAC層協議的低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）標準。這一技術可以為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網絡。LoRaWAN瞄準的是物聯網中的一些核心需求，如安全雙向通訊、移動通訊和靜態位置識別等服務。該技術無需本地復雜配置，就可以讓智能設備間實現無縫對接互操作，給物聯網領域的用戶、開發者和企業自由操作權限。  

LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務器。網關與服務器間通過標準IP連接，終端設備采用單跳與一個或多個網關通信。所有的節點與網關間均是雙向通信，同時也支持云端升級等操作以減少云端通訊時間。
終端與網關之間的通信是在不同頻率和數據傳輸速率基礎上完成的，數據速率的選擇需要在傳輸距離和消息時延之間權衡。由于采用了擴頻技術，不同傳輸速率的通信不會互相干擾，且還會創建一組“虛擬化”的頻段來增加網關容量。LoRaWAN的數據傳輸速率范圍為0.3 kbps至37.5 kbps，為了最大化終端設備電池的壽命和整個網絡容量，LoRaWAN網絡服務器通過一種速率自適應（Adaptive Data Rate , ADR）方案來控制數據傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出功率。 全國性覆蓋的廣域網絡瞄準的是諸如關鍵性基礎設施建設、機密的個人數據傳輸或社會公共服務等物聯網應用。 關于安全通信，LoRaWAN一般采用多層加密的方式來解決：一、獨特的網絡密鑰（EU164），保證網絡層安全；二、獨特的應用密鑰（EU164），保證應用層終端到終端之間的安全；三、屬于設備的特別密鑰（EUI128）。 LoRaWAN網絡根據實際應用的不同，把終端設備劃分成A/B/C三類：Class A：雙向通信終端設備。這一類的終端設備允許雙向通信，每一個終端設備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸槽是基于其自身通信需求，其微調是基于一個隨機的時間基準（ALOHA協議）。Class  A所屬的終端設備在應用時功耗最低，終端發送一個上行傳輸信號后，服務器能很迅速地進行下行通信，任何時候，服務器的下行通信都只能在上行通信之后。 Class B：具有預設接收槽的雙向通信終端設備。這一類的終端設備會在預設時間中開放多余的接收窗口，為了達到這一目的，終端設備會同步從網關接收一個Beacon，通過Beacon將基站與模塊的時間進行同步。這種方式能使服務器知曉終端設備正在接收數據。 Class C：具有最大接收槽的雙向通信終端設備。這一類的終端設備持續開放接收窗口，只在傳輸時關閉。

LoRa技術要點

一般說來，傳輸速率、工作頻段和網絡拓撲結構是影響傳感網絡特性的三個主要參數。傳輸速率的選擇將影響系統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的設計目標；而在FSK系統中，網絡拓撲結構的選擇是由傳輸距離要求和系統需要的節點數目來決定的。 LoRa融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。

前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗余信息，這樣，數據傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創建“自修復”數據包來重發的需求，且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。一旦數據包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數據包將被送到數字擴頻調制器中。這一調制器將分組數據包中每一比特饋入一個“展擴器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。

即使噪聲很大，LoRa也能從容應對LoRa調制解調器經配置后，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。
通過使用高擴頻因子，LoRa技術可將小容量數據通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當你通過頻譜分析儀測量時，這些數據看上去像噪音，但區別在于噪音是不相關的，而數據具有相關性，基于此，數據實際上可以從噪音中被提取出來。擴頻因子越高，越多數據可從噪音中提取出來。在一個運轉良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結果差距為28dB，這相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環境下，6dB的差距就可以實現2倍于原來的傳輸距離。
超強的鏈路預算，讓信號飛的更遠

為了有效地對比不同技術之間傳輸范圍的表現，我們使用一個叫做“鏈路預算”的定量指標。鏈路預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射功率加上接收端靈敏度。AngelBlocks的發射功率為100mW (20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數據）的GFSK無線技術，需要5W的功率(37dBm)才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中，大多GFSK無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm，在此狀況下，發射端發射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達到與LoRa類似的鏈路預算值。

因此，使用LoRa技術我們能夠以低發射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術正是我們所需的。關于LPWAN

低功耗廣域網絡（Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物聯網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送和接收少量數據的應用情況，如水運定位、路燈監測、停車位監測等等。LPWAN相關組織LoRa聯盟目前在全球已有145位成員，其繁茂的生態系統讓遵循LoRaWAN協議的設備具有很強的互操作性。一個完全符合LoRaWAN標準的通訊網關可以接入5到10公里內上萬個無線傳感器節點，其效率遠遠高于傳統的點對點輪詢的通訊模式，也能大幅度降低節點通訊功耗。

文章來源：微信公眾號   融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA供應鏈服務平臺，項目眾包平臺）