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LoRa:長距離低功耗物聯網傳輸技術

時間:2013-11-14點擊數:3716
LoRa技術是為了創建長距離通信鏈接的物理層無線調制方式。許多傳統的無線系統使用物理層頻移鍵控(FSK)調制,因為它是十分高效的低功耗方案。


隨著物聯網迅猛發展,以及應用的日益增多,無線傳輸協議也越來越受到技術人員和大眾的關注。前面我們也有介紹了例如藍牙,WiFi,Thread,Zigbee,4G,5G等等的物聯網和無線通信傳輸協議。

這些協議各有優缺點,也各有自己的應用場景,但是對于長距離,低功耗,只需要少量數據傳輸的應用場景,目前還沒有能夠很好的滿足要求的無線傳輸協議,這也就是LoRa技術產生的原因。

下面簡單的圍繞幾個問題,來闡述一下這項技術。


LoRa技術是什么?

LoRa技術是為了創建長距離通信鏈接的物理層無線調制方式。許多傳統的無線系統使用物理層頻移鍵控(FSK)調制,因為它是十分高效的低功耗方案。

LoRa技術基于線性Chirp擴頻調制,延續了移頻鍵控調制的低功耗特性,但是大大增加了通信范圍。Chirp擴頻調制已經在軍事和航天通信方面應用了幾十年,因為它具有長距離傳輸,以及很好的抗干擾性,而LoRa則是它第一次用作商業用途。

LoRa來源于Long Range這個單詞,所以它的大優點就是長距離傳輸。單個網關或者基站可以覆蓋整個城市或者數百千米。


LPWAN的優點是什么?

一項技術無法覆蓋所有的物聯網應用場景。WiFiBTLE主要應用于個人設備相關的應用。蜂窩技術主要應用于需要高數據吞吐量,以及需要供電的應用場景。LPWAN的應用場景包括:長電池壽命,并且傳感器和應用在長距離下,只需要每小時只要傳遞幾次數據。



LPWAN物聯網網絡的要素有哪些?

網絡架構

通信范圍

電池壽命和功耗

抗干擾性

網絡容量(網絡結點的極限數目)

網絡安全性

單向或者雙向傳播

服務的應用


LoRaWAN是什么呢?

網絡架構

許多部署好的網絡都采用網狀架構。在一個網狀網絡中,每個單獨的端結點傳遞信息到其他結點,增加通信范圍以及網絡的小區容量。當結點增加的時候,它也增加了復雜度,減少了網絡容量,也減少了電池壽命,因為結點要收發從他們不相干的結點傳遞來的信息。長距離星型架構,由于長距離連接性,從而減少了電池壽命。



LoRaWan的網絡結點不和特定網關相綁定。相 反,通過結點傳輸的數據,被多個網關接受。每個網關,通過一些信號隧道(例如蜂窩網, 以太網, 衛星網, Wi-Fi)將從端結點收到的數據包發向云端。由網絡服務器理解和處理復雜任務,包括管理網絡,過濾冗余數據包,進行安全性檢查,通過優化的網關進行調度 確認,執行自適應數據率,等等。如果一個結點是移動的,或者運動的時候沒有網關之間的切換,這就需要啟用資源追蹤應用,一個基于垂直物聯網目標應用程序。

電池壽命

LoRaWAN網絡的結點是異步通信的,并且當它們有數據準備發送的時候,會采用事件驅動,或者調度機制進行通信。這個協議采用了阿羅哈法。在一個網狀網絡或者一個異步網絡中,例如蜂窩網,結點必須頻繁的被喚醒,來同步網絡和檢查消息。這種同步,大大的消耗了能量,成為電池壽命減少的一個重要原因。在GSMA對于LPWAN空間的各項技術研究和對比中,LoRaWan比其他技術要優35倍。

網絡容量

為了保證星型網絡的可行,網關必須有能力處理大量來自各個結點的信息。LoRaWAN的高網絡容量通過利用自適應的數據率,以及網關內多通道多調制解調器的收發器,來實現。

非常重要的因素,是并發通道數,數據率,負載長度,已經結點間傳輸數據頻度。因為LoRa是擴頻基礎上的調制,所以每個信號基本上是正交的。當擴展因子變化的 時候,有效的數據率也跟著改變。網關利用這種性能,能夠在同時在同一信道上接受不同的數據率。如果一個結點具有一個好的連接,并且靠近網關,網關當然可以利用非常小的數據率,并且填充必須要更長的可用的頻譜。通過將數據率提高,空中的時間將被縮短,開放更多的潛在時間來傳輸。自適應的數據率也優化了結點的電池壽命。

為了應用自適應數據率,需要對稱的上下行連接,并且有足夠的下行能力。這 些功能讓LoRaWAN能夠有很高的容量,并且讓網絡可擴展。一個網絡通過非常少數量的設施部署,在擴容的時候,可添加更多的網關,調整數據率,減少對于其 他網關的串擾,并且擴大能力6-8倍。其他LPWAN方案沒有LoRaWan的擴容新,因為技術取舍的緣故,限制了下行能力,或者讓下行范圍和上行范圍不 對稱。

設備分類

不同應用的端設備具有不同的要求。在為了優化端應用配置,LoRaWAN使用了不同的設備類型。設備分類,權衡了網絡下行通信的延時和電池壽命。在一個執行器類型的應用中,下行通信演示是十分重要的因素。


雙向終端設備(類型A):A類型端設備,允許雙向通信,每個端設備的上行傳輸,伴隨兩個端的下行接收窗口,根據自身的傳輸需要,以及采取ALOHA類型協議的小變化。A類型操作是非常低功耗的端系統。

雙向終端設備具有固定接受時間槽(類型B):對于A類型設備隨機接受窗口來說,B類型設備具有固定時間接受窗口。它根據來自網關的接受指示,來決定何時打開接受窗口。服務器就可以知道端設備何時再傾聽數據。

雙向終端設備具有非常大接受時間槽(類型C):C類型設備具有連續打開的接受窗口,只有在數據傳輸時才關閉。

安全性

安全性自然是十分重要的因素。LoRaWan具有兩層安全防護:一個是網絡,一個是應用。網絡安全保證了結點的合法性,應用的安全保證了網絡操作不能訪問用戶的應用數據。它使用AES加密來交換IEEE EUI64標志符。

與傳統的物聯網網絡對比的情況?


(圖片來源于:lora-alliance.org

(作者:admin)

技術支持

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