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        LoRa-物聯網應用的領域中無線技術

        2021-07-07

        LoRa簡介

        LoRa全稱:“Long Range Radio”它是一種線性調頻擴頻調制技術,中文名稱為:“遠距離無線電”,是semtech公司創建的低功耗局域網無線標準,低功耗一般很難覆蓋遠距離,遠距離一般功耗高,要想馬兒不吃草還要跑得遠,好像難以辦到。LoRa最大特點就是可以在同樣的功耗條件下比其他的無線方式傳播的距離更遠,真正的實現了低功耗和遠距離的統一,在同樣的功耗下LoRa比傳統的無線射頻通信距離可以擴大3-5倍不等,因此被廣泛應用于物聯網各個領域中。

         

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        在物聯網應用的領域中有很多無線技術,例如2.4GHz的WiFi,藍牙、Zigbee等等這些技術就可以組成局域網,而2G/3G/4G等這些無線技術又可以組成廣域網,優缺點非常明顯,可如下圖總結。

         

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        而在這些技術用我們似乎遠距離和低功耗兩者之間只能二選一。直到Low Power Wide Area Network, LPWAN(低功耗廣域網)產生之后,當設計人員采用LPWAN技術之后,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。

        而在低功耗廣域物聯網(LPWAN)領域中,分立著“授權頻譜”和“非授權頻譜”這兩大陣營;在授權頻譜陣營中以NB-IoT技術為首,其在國內外運營商、設備商、模組和芯片廠商等產業生態的力推之下風風火火的進行,并入主 “東宮”成為5G的一部分;非授權頻譜陣營中以LoRa技術馬首是瞻,在國內的發展幾經坎坷之后,在全球生態伙伴的努力下如灰姑娘逆襲一般,成為全球的事實標準。

         

        LoRa網絡的構成

        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技術要點

        LoRa將數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術融合在一起,具有前所未有的性能。在此之前,只有那些高級的工業無線電通信將與這些技術相結合,并且隨著 LoRa的引入,嵌入式無線通信領域的情況已經完全改變。正向糾錯編碼技術是將冗余信息添加到待傳輸的數據序列中,使數據傳輸過程中注入的錯誤碼元在接收端及時得到糾正。這種技術減少了以前創建“自修復”包來重發的需求,并且在解決因多徑衰落而引起的突發性錯誤時表現良好。為保證可靠性,數據包的分組建立起來并注入前向糾錯編碼以保證可靠性,該數據包被送到數字擴頻調制器。該調制器將分組數據包中的每一位輸入到一個“擴展”中,把每個比特時間分成多個碼片。

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        LoRa可以輕松應對噪音,配置 LoRa調制解調器,經過配置后,可劃分為64-4096碼片/位,最多可使用4096碼片/位中的最大擴頻系數(12)。相對地, ZigBee只能劃分10-12碼的片/位。

        LoRa技術利用高擴頻系數,可以通過廣泛的無線電頻譜向外傳輸小容量數據。事實上,當你用頻譜分析儀進行測量時,這些數據看起來像是噪音,但是不同之處在于噪音是無關的,數據也是有相關性的,基于這個原因,數據實際上可以從噪音中提取。擴展頻率系數越高,從噪聲中提取的數據越多。運行良好的 GFSK接收端,8 dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解調信號,通過配置 AngelBlocks的方式, LoRa可以解調一個信號,它的信噪比為-20 dB, GFSK方式與這個結果相差28 dB,相當于范圍和距離的擴大。在室外環境下,6 dB的空隙可達到原傳輸距離的2倍。

        這樣, LoRa技術就能以較低的發射功率實現更大的傳輸范圍和距離,這種低功耗的廣域技術正是我們需要的。

        小功率廣域網絡(Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物聯網不可缺少的一部分,它具有功耗低、覆蓋范圍廣、穿透性強等特點,特別適合在水上定位、街燈監控、停車位監控等應用場合下,發送和接收少量數據。LPWAN相關組織 LoRa聯盟在世界各地已經有145個成員,他們豐富的生態系統使得遵循 LoRaWAN協議的設備能夠很好地兼容。一種與 LoRaWAN完全兼容的通信方式,可在5~10公里范圍內接入上萬個無線傳感器節點,比傳統的點對點輪詢通信方式更有效地降低了節點通信功耗。