對(duì)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)有什么困惑？先看看對(duì)LoRa的解讀吧

　　摘要：

　　經(jīng)過一年的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中從業(yè)者對(duì)于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)并不陌生。作為商用化較早的LPWAN技術(shù)，LoRa已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，本文由全國(guó)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)單位八月科技(AUGTEK)根據(jù)其在LoRa商用推廣中所遇到的各類問題匯編而成。

　　初識(shí)LoRa：低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)代表性技術(shù)

　　LoRa是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，是Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，是Semtech 射頻部分產(chǎn)生的一種獨(dú)特的調(diào)制格式。LoRa射頻部分的核心芯片是SX1276和SX1278。這類芯片集成規(guī)模小、效率高，為L(zhǎng)oRa無線模塊帶來高接收靈敏度。而網(wǎng)關(guān)芯片則采用的是集成度更高、信道數(shù)更多的SX1301。用SX1301作為核心開發(fā)出的LoRa網(wǎng)關(guān)，可以與許許多多的LoRa模塊構(gòu)成多節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)。

　　從技術(shù)形態(tài)來看，LoRa是一種擴(kuò)頻技術(shù)，但它不是直接序列擴(kuò)頻。直接序列擴(kuò)頻通過調(diào)制載波芯片來傳輸更多的頻譜，從而提高編碼增益。而LoRa調(diào)制與多狀態(tài)FSK調(diào)制類似，使用未調(diào)制載波來進(jìn)行線性調(diào)頻，使能量分散到更廣泛的頻段。

　　從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，LoRa調(diào)制技術(shù)本身是一個(gè)物理層(PHYlayer)協(xié)議，能被用在幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中。Mesh網(wǎng)絡(luò)雖然擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，但是卻犧牲了網(wǎng)絡(luò)容量、同步開銷、電池使用壽命。隨著LoRa技術(shù)鏈路預(yù)算和覆蓋距離的同時(shí)提升，Mesh網(wǎng)絡(luò)已不再適合，故采用星形的組網(wǎng)方式來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、延長(zhǎng)電池壽命、簡(jiǎn)化安裝。LoRa網(wǎng)關(guān)和模塊間以星形網(wǎng)方式組網(wǎng)，而LoRa模塊間理論上可以以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢的方式組網(wǎng)，當(dāng)然點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于星形網(wǎng)。

　　LoRa網(wǎng)關(guān)：終端與服務(wù)器的橋梁

　　LoRa網(wǎng)關(guān)位處LoRa星形網(wǎng)絡(luò)的核心位置，是終端和服務(wù)器(Server)間的信息橋梁，是多信道的收發(fā)機(jī)。LoRa網(wǎng)關(guān)有時(shí)又被稱為L(zhǎng)oRa基站或LoRa集中器，雖然定義不同，但其實(shí)是同一含義。

　　LoRa網(wǎng)關(guān)使用不同的擴(kuò)頻因子，不同的擴(kuò)頻因子兩兩正交因而理論上可以在同一信道中對(duì)多條不同擴(kuò)頻因子的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間通過標(biāo)準(zhǔn)IP進(jìn)行連接，終端通過單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊，所有的終端通訊都是雙向通訊，同時(shí)也支持軟件遠(yuǎn)程升級(jí)等。以下幾個(gè)網(wǎng)關(guān)的幾個(gè)重要的特點(diǎn)：

　　(1)網(wǎng)關(guān)的分類：目前來說，定義不同，網(wǎng)關(guān)類型也不同。例如，按照應(yīng)用場(chǎng)景不同可分為為室內(nèi)型網(wǎng)關(guān)和室外型網(wǎng)關(guān);按照通訊方式不同可分為全雙工網(wǎng)關(guān)和半雙工網(wǎng)關(guān);而按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同可分為完全符合LoRaWAN協(xié)議網(wǎng)關(guān)和不完全符合LoRaWAN協(xié)議網(wǎng)關(guān)。AUGTEK新一代網(wǎng)關(guān)為室外型，全雙工，并且完全符合LoRaWAN協(xié)議。完全符合LoRaWAN協(xié)議的LoRa網(wǎng)關(guān)及LoRa終端能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，這具有很大意義!

　　(2)網(wǎng)關(guān)的容量：網(wǎng)關(guān)容量是指在一定時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)包數(shù)量的能力。理論上來說，單個(gè)SX1301芯片擁有8個(gè)信道，在完全符合LoRaWAN協(xié)議的情況下最多每天能接收1500萬個(gè)數(shù)據(jù)包。如果某應(yīng)用發(fā)包頻率為1包/小時(shí)，單個(gè)SX1301芯片構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)能接入62500個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然，這只是一個(gè)理論值，網(wǎng)關(guān)接入終端數(shù)量最終還是與網(wǎng)關(guān)信道數(shù)量、終端發(fā)包頻率、發(fā)包字節(jié)數(shù)和擴(kuò)頻因子息息相關(guān)。

　　(3)網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)決定因素：LoRa網(wǎng)關(guān)接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于LoRa網(wǎng)關(guān)所能提供的信道資源以及單個(gè)LoRa終端占用的信道資源。LoRa網(wǎng)關(guān)如果采用Semtech標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)采用SX1301芯片，那么信道數(shù)是固定的8個(gè)上行信道1個(gè)下行信道。物理信道數(shù)確定了， LoRa網(wǎng)關(guān)所能提供的信道資源也就確定了。(網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)不同，信道數(shù)不同，AUGTEK網(wǎng)關(guān)能實(shí)現(xiàn)8個(gè)上行，4個(gè)下行。)單個(gè)LoRa終端占用的信道資源與終端占用信道的時(shí)間一致，也就與終端的發(fā)包頻率、發(fā)包字節(jié)數(shù)以及LoRa終端的擴(kuò)頻因子息息相關(guān)。當(dāng)LoRa終端的發(fā)包頻率和發(fā)包字節(jié)數(shù)上升，該終端占據(jù)信道收發(fā)的時(shí)間就會(huì)增加，就占用了更多的信道資源。而當(dāng)LoRa終端采用更大的擴(kuò)頻因子時(shí)，信號(hào)可以傳的更遠(yuǎn)，但是代價(jià)是傳遞單位字節(jié)的信息會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間。

　　除了網(wǎng)關(guān)外，我們也需要關(guān)注LoRa終端：LoRa終端是LoRa網(wǎng)絡(luò)的組成部分，一般由LoRa模塊和傳感器等器件組成。LoRa終端可使用電池供電，能夠遠(yuǎn)程定位。每一個(gè)符合LoRaWAN協(xié)議的終端都能與符合LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)直接通訊，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

　　LoRa的頻段選擇

　　按理論來說，可以使用150 MHz 到 1 GHz頻段中的任何頻率。但是Semtech的LoRa芯片并不是所有的sub-GHz的頻段都可以使用，在常用頻段(如433MHz，470MHz~510MHz，780MHz以及歐美常用的868MHz和915MHz都屬于常用頻段)以外的一些頻率并不能很好的支持。AUGTEK主導(dǎo)LoRaWAN 470~510MHz協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定，目前在中國(guó)提供470-510MHz頻段網(wǎng)關(guān)。

　　會(huì)有人質(zhì)疑，LoRa網(wǎng)關(guān)使用免費(fèi)頻段，會(huì)不會(huì)容易受到頻率干擾?

　　抗干擾能力取決于LoRa技術(shù)本身的特性和網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。LoRa技術(shù)本身擁有超高的接收靈敏度(RSSI)和超強(qiáng)信噪比(SNR)。以AUGTEK的LoRa網(wǎng)關(guān)與LoRa模塊為例，其接收靈敏度達(dá)到驚人的-142dBm，而超強(qiáng)的信噪比可以讓AUGTEK網(wǎng)關(guān)和終端工作在噪聲門限以下20dB。此外，AUGTEK網(wǎng)關(guān)使用跳頻技術(shù)，通過偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜，防止定頻干擾。

　　LoRa的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

　　LoRaWAN協(xié)議定義了一系列的數(shù)據(jù)傳輸速率，不同的芯片可供選擇的速率范圍不同，例如SX1272支持0.3-38.4kbps，SX1276支持0.018-38.4kbps的速率范圍。目前AUGTEK能實(shí)現(xiàn)0.3-37.5kbps的傳輸速率。

　　使用LoRa設(shè)備發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限制，理論來說SX127x系列芯片有256 Bytes的FIFO，發(fā)射或接收256 Bytes都行得通。但是，并不是在任何傳輸速率下LoRa模塊的負(fù)載長(zhǎng)度都能為256 Bytes。在傳輸速率較低的情況下，一次傳輸256 Bytes需要花費(fèi)的時(shí)間極長(zhǎng)(可能需要花費(fèi)幾秒甚至更長(zhǎng))，這不利于抗干擾和交互，因此在技術(shù)處理上一般建議用戶將一條長(zhǎng)數(shù)據(jù)分割成數(shù)條小數(shù)據(jù)來進(jìn)行傳輸。