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LoRa-物联网应用的领域中无线技术

2021-07-07

LoRa简介

LoRa全称:“Long Range Radio”它是一种线性调频扩频调制技术,中文名称为:“远距离无线电”,是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准,低功耗一般很难覆盖远距离,远距离一般功耗高,要想马儿不吃草还要跑得远,好像难以办到。LoRa最大特点就是可以在同样的功耗条件下比其他的无线方式传播的距离更远,真正的实现了低功耗和远距离的统一,在同样的功耗下LoRa比传统的无线射频通信距离可以扩大3-5倍不等,因此被广泛应用于物联网各个领域中。

 

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在物联网应用的领域中有很多无线技术,例如2.4GHz的WiFi,蓝牙、Zigbee等等这些技术就可以组成局域网,而2G/3G/4G等这些无线技术又可以组成广域网,优缺点非常明显,可如下图总结。

 

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而在这些技术用我们似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。直到Low Power Wide Area Network, LPWAN(低功耗广域网)产生之后,当设计人员采用LPWAN技术之后,可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离通信与更低功耗,同时还可节省额外的中继器成本。

而在低功耗广域物联网(LPWAN)领域中,分立着“授权频谱”和“非授权频谱”这两大阵营;在授权频谱阵营中以NB-IoT技术为首,其在国内外运营商、设备商、模组和芯片厂商等产业生态的力推之下风风火火的进行,并入主 “东宫”成为5G的一部分;非授权频谱阵营中以LoRa技术马首是瞻,在国内的发展几经坎坷之后,在全球生态伙伴的努力下如灰姑娘逆袭一般,成为全球的事实标准。

 

LoRa网络的构成

LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

 

LoRa技术要点

LoRa将数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术融合在一起,具有前所未有的性能。在此之前,只有那些高级的工业无线电通信将与这些技术相结合,并且随着 LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的情况已经完全改变。正向纠错编码技术是将冗余信息添加到待传输的数据序列中,使数据传输过程中注入的错误码元在接收端及时得到纠正。这种技术减少了以前创建“自修复”包来重发的需求,并且在解决因多径衰落而引起的突发性错误时表现良好。为保证可靠性,数据包的分组建立起来并注入前向纠错编码以保证可靠性,该数据包被送到数字扩频调制器。该调制器将分组数据包中的每一位输入到一个“扩展”中,把每个比特时间分成多个码片。

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LoRa可以轻松应对噪音,配置 LoRa调制解调器,经过配置后,可划分为64-4096码片/位,最多可使用4096码片/位中的最大扩频系数(12)。相对地, ZigBee只能划分10-12码的片/位。

LoRa技术利用高扩频系数,可以通过广泛的无线电频谱向外传输小容量数据。事实上,当你用频谱分析仪进行测量时,这些数据看起来像是噪音,但是不同之处在于噪音是无关的,数据也是有相关性的,基于这个原因,数据实际上可以从噪音中提取。扩展频率系数越高,从噪声中提取的数据越多。运行良好的 GFSK接收端,8 dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号,通过配置 AngelBlocks的方式, LoRa可以解调一个信号,它的信噪比为-20 dB, GFSK方式与这个结果相差28 dB,相当于范围和距离的扩大。在室外环境下,6 dB的空隙可达到原传输距离的2倍。

这样, LoRa技术就能以较低的发射功率实现更大的传输范围和距离,这种低功耗的广域技术正是我们需要的。

小功率广域网络(Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物联网不可缺少的一部分,它具有功耗低、覆盖范围广、穿透性强等特点,特别适合在水上定位、街灯监控、停车位监控等应用场合下,发送和接收少量数据。LPWAN相关组织 LoRa联盟在世界各地已经有145个成员,他们丰富的生态系统使得遵循 LoRaWAN协议的设备能够很好地兼容。一种与 LoRaWAN完全兼容的通信方式,可在5~10公里范围内接入上万个无线传感器节点,比传统的点对点轮询通信方式更有效地降低了节点通信功耗。