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认识LPWAN技术之LoRa

kae1_cdebyte 来源:亿佰特物联网应用专家 2023-04-07 10:03 次阅读

认识LPWAN技术

第一期:LoRa

低功耗广域网(Low Power Wide Area Network(简称LPWAN),即低功耗广域网络,主要用于设备之间的通讯,这种通讯技术具有网络覆盖范围广、终端功耗低等特点,比较适合大规模的物联网应用部署。具体包含NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC四种,其中NB-IoT、LoRa近年来广受追捧。

本期我们就来认识应用较多的技术——LoRa。(下期将介绍NB-IoT)

LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术,其实也是诸多LPWAN通信技术中的一种, 最早由美国Semtech公司采用和推广。这一方案为用户提供了一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。目前,LoRa 主要在ISM频段运行,主要包括433、868、915 MHz等。作为低功耗广域网通信技术的一种,在同一功耗下LoRa无线传输技术有着通信射频距离更强、传输距离更远的优势,通信距离是传统无线技术的3-5倍。

Semtech公司基于LoRa技术开发出一整套LoRa通信芯片解决方案,包括用于网关和终端上不同款的LoRa芯片。为了促进其他公司共同参与到LoRa生态中,2015年3月,Semtech联合Actility、Cisco和IBM等多家厂商共同发起创立了LoRa联盟,并推出不断迭代的LoRaWAN规范,催生出一个由全球数近千家厂商支持的广域组网标准体系,从而形成广泛的产业生态。

LoRa联盟

具有代表性的扩频方式主要有两种:直接序列扩频与跳频扩频。LoRa技术就是一种基于直序扩频的调制方式。直接序列扩频(DSSS)简称直扩方式(DS方式),是目前应用较广的一种扩频方式。

LoRa基本技术指标:

传输距离:城镇可达2~5km,郊区可达15km。

工作频率:ISM频段包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。

标准:IEEE 802.15.4g、LoRaWAN。

基于扩频技术,CSS的一个变种,具有前向纠错(Forward Error Correction, FEC)能力,属于Semtech公司私有专利技术。

容量:一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

电池寿命:长达10年。

安全:AES128加密。

传输速率:18b/s~ 62.5kb/s。

LoRa具有以下优势特点:

01低功耗

LoRa的应用一般都是物联网设备,通常都是使用电池供电,并且使用时间也是几年以上,这就要求LoRa要具有极低的功耗。LoRa低功耗的实现主要由两方面决定:一方面是芯片需要具有低功耗;另一方面是软件通信协议也需要具有低功耗。

首先在硬件上LoRa的功耗很低,如SX126X系列热启动休眠Sleep模式电流仅为1.2uA,125kHz下接收电流为4.6mA,17dBm功率发送电流只有58mA。

其次在软件通信协议方面,LoRa并没有像其他无线技术那样有着复杂的通信协议,数据包十分的简单,无需发送大量的握手数据。为了达到省电的目的,业界广泛应用周期侦听(Wake on Radio,WOR)方式,如图所示:

c7b4bc5c-d4a6-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

芯片周期性地进入接收(RX)模式以侦听有没有唤醒前导码,其他时间处于休眠(Sleep)模式。WOR接收电流如下图所示,其大部分时间处于休眠模式,只有少部分时间被唤醒处于接收模式,所以其整体功耗很低。如亿佰特的E22、E32模块都具有WOR功能,能很好的做到低功耗需求。

02远距离

在无线通信中,衡量通信距离的标准是链路预算,链路预算等于发射功率减去灵敏度。灵敏度是负数,灵敏度越高负得越多,所以提高链路预算的方法是增大发射功率和提高灵敏度。但是发射功率在各个国家和地区都有着严格要求,所以提高通信距离的方法只有提高灵敏度了。而LoRa在BW=125kHz,SF=7的时候灵敏度就已经达到了-123dBm;在BW=7.81kHz,SF=12的时候灵敏度到了-149.1dBm。而蓝牙的灵敏度在-90dbm左右,ZigBee在-85dBm左右,所以LoRa的传输距离相比其他无线通信技术要远很多。但LoRa是使用带宽换取灵敏度,会导致发送速率很慢,所以LoRa适用于长距离、低速率、小数据量的应用。

03抗干扰

LoRa能够实现远距离传输,除了灵敏度优势外,还有一个非常重要的因素是超强的抗干扰能力。

在低于噪声20dB下LoRa依然可以通信,这是现有传统通信技术都不具备的。如下图:

c7ed1c14-d4a6-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

LoRa可以在噪声之下20dB正常解调信号,而 FSK理论上需要在噪声之上8dB才能保证解调。当通信过程中遇到外界电磁信号干扰时,LoRa 可以继续稳定通信,而传统的无线技术则无法通信。所以在一些信道干扰比较严重的区域,客户都会选择LoRa技术作为稳定通信的核心技术。LoRa调制之所以有这么强的抗干扰能力,主要是因为Chirp调试在相干解调的时候可以把在噪声之下有用的LoRa信号聚集在一起,而噪声在相干解调后还是噪声。

2022年,全球已部署超650万个基于LoRa的网关,超2.8亿个基于LoRa的终端节点,LoRaWAN公共网络运营商达170余家且还在持续增加。据ABI Research预计,到2026年,LoRa将占据全球非蜂窝低功耗广域网连接超过50%的份额。国内LoRa产业链企业数量已达3000多家,且还在快速增长。中国市场是LoRa全球生态建设中极为重要的部分。

审核编辑:汤梓红

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原文标题:【分享】LoRa为什么这么“神”?

文章出处:【微信号:cdebyte,微信公众号:亿佰特物联网应用专家】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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