認識LPWAN技術(shù)

第一期：LoRa

低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network(簡稱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，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近年來廣受追捧。

本期我們就來認識應(yīng)用較多的技術(shù)——LoRa。（下期將介紹NB-IoT）

LoRa是一種基于擴頻技術(shù)的遠距離無線傳輸技術(shù)，其實也是諸多LPWAN通信技術(shù)中的一種， 最早由美國Semtech公司采用和推廣。這一方案為用戶提供了一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、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。作為低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)的一種，在同一功耗下LoRa無線傳輸技術(shù)有著通信射頻距離更強、傳輸距離更遠的優(yōu)勢，通信距離是傳統(tǒng)無線技術(shù)的3-5倍。

Semtech公司基于LoRa技術(shù)開發(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，催生出一個由全球數(shù)近千家廠商支持的廣域組網(wǎng)標準體系，從而形成廣泛的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

LoRa聯(lián)盟

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

LoRa基本技術(shù)指標：

傳輸距離：城鎮(zhèn)可達2~5km，郊區(qū)可達15km。

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

標準：IEEE 802.15.4g、LoRaWAN。

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

容量：一個LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點。

電池壽命：長達10年。

安全：AES128加密。

傳輸速率：18b/s~ 62.5kb/s。

LoRa具有以下優(yōu)勢特點：

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并沒有像其他無線技術(shù)那樣有著復雜的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)包十分的簡單，無需發(fā)送大量的握手數(shù)據(jù)。為了達到省電的目的，業(yè)界廣泛應(yīng)用周期偵聽（Wake on Radio，WOR）方式，如圖所示：

芯片周期性地進入接收（RX）模式以偵聽有沒有喚醒前導碼，其他時間處于休眠（Sleep）模式。WOR接收電流如下圖所示，其大部分時間處于休眠模式，只有少部分時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

遠距離

在無線通信中，衡量通信距離的標準是鏈路預(yù)算，鏈路預(yù)算等于發(fā)射功率減去靈敏度。靈敏度是負數(shù)，靈敏度越高負得越多，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)射功率在各個國家和地區(qū)都有著嚴格要求，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的時候靈敏度就已經(jīng)達到了-123dBm；在BW=7.81kHz，SF=12的時候靈敏度到了-149.1dBm。而藍牙的靈敏度在-90dbm左右，ZigBee在-85dBm左右，所以LoRa的傳輸距離相比其他無線通信技術(shù)要遠很多。但LoRa是使用帶寬換取靈敏度，會導致發(fā)送速率很慢，所以LoRa適用于長距離、低速率、小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。

03

抗干擾

LoRa能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸，除了靈敏度優(yōu)勢外，還有一個非常重要的因素是超強的抗干擾能力。

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，而 FSK理論上需要在噪聲之上8dB才能保證解調(diào)。當通信過程中遇到外界電磁信號干擾時，LoRa 可以繼續(xù)穩(wěn)定通信，而傳統(tǒng)的無線技術(shù)則無法通信。所以在一些信道干擾比較嚴重的區(qū)域，客戶都會選擇LoRa技術(shù)作為穩(wěn)定通信的核心技術(shù)。LoRa調(diào)制之所以有這么強的抗干擾能力，主要是因為Chirp調(diào)試在相干解調(diào)的時候可以把在噪聲之下有用的LoRa信號聚集在一起，而噪聲在相干解調(diào)后還是噪聲。

2022年，全球已部署超650萬個基于LoRa的網(wǎng)關(guān)，超2.8億個基于LoRa的終端節(jié)點，LoRaWAN公共網(wǎng)絡(luò)運營商達170余家且還在持續(xù)增加。據(jù)ABI Research預(yù)計，到2026年，LoRa將占據(jù)全球非蜂窩低功耗廣域網(wǎng)連接超過50%的份額。國內(nèi)LoRa產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量已達3000多家，且還在快速增長。中國市場是LoRa全球生態(tài)建設(shè)中極為重要的部分。