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LoRa和LoRaWAN物联网通信组网技术

什么是LoRa?
        LoRa是物联网(IoT)的事实上的无线平台。Semtech的LoRa芯片组将传感器连接到云,并实现数据和分析的实时通信,可用于提高效率和生产力。LoRa设备支持智能物联网应用,解决地球面临的一些最大挑战:能源管理、自然资源减少、污染控制和基础设施效率。
LoRa组网应用
什么是LoRaWAN?
        LoRaWAN开放规范是一种基于Semtech的LoRa设备的低功耗广域网(LPWAN)标准,利用工业、科学和医疗(ISM)频段中的未授权无线电频谱。该LORAAlliance合作,一个非营利性协会和快速增长的技术联盟,推动规范化和LoRaWAN标准全球统一。 
    业界预测到2020年物联网无线节点达到500亿个,由于耗电和成本等方面的问题,无线节点中只有不到10%的使用GSM技术。尽管电信运营商具有建设和管理这样一个大规模网络的最突出的优势,但是需要一个远距离、大容量的系统以巩固在依靠电池供电的无线终端细分市场——无线传感网、智能城市、智能电网、智慧农业、智能家居、安防设备和工业控制等方面的地位。对于物联网来说,只有使用一种广泛的技术,才可能使得电池供电的无线节点数量达到预计的规模。LoRa作为低功耗广域网(LPWAN)的一种长距离通信技术,近些年受到越来越多的关注。
WIFI应用场景覆盖
     LoRa是LPWAN通信技术中的一种,是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式,为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、节点容量大的系统,进而扩展传感网络。目前,LoRa主要在全球免费频段运行,包括433MHz.868MHz.915MHz等。
     LoRa技术具有远距离、窄带低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性,适合各种政府网、专网、专业网、个人网等各种应用灵活部署。LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(基站)、网络服务器以及应用服务器四部分组成,如图3-16所示。应用数据可双向传输。
LoRa网络体系架构
    传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响电池寿命;工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标;而在FSK系统中,网络拓扑结构的选择将影响传输距离和系统需要的节点数目。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,性能较好。
     前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息,这样,数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求,且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性,这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“扩展器”中,将每一比特时间划分为众多码片。LoRa抗噪声能力强。
    LoRa调制解调器经配置后,可划分的范围为64〜4096码片/比特,最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子。相对而言,ZigBee仅能划分的范围为10〜12码片/比特。通过使用高扩频因子,LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。扩频因子越高,越多数据可从噪声中提取出来。在…个运转良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)若要可靠地解调出信号,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa解调一个信号所需信噪比为一20dB,GFSK方式与这一结果差距为28dB,这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下,6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。
物联网采用LoRa技术,才能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离,而这种低功耗广域技术方向正是未来降低物联网建设成本,实现万物互联所必需的。
带宽与范围 
LoRaWAN适用于长距离传输小尺寸有效载荷(如传感器数据)。与其他竞争性无线数据传输技术相比,LoRa调制以低带宽提供了更大的通信范围。下图显示了一些可用于无线数据传输的接入技术及其预期传输范围与带宽的关系。
LoRaWAN带宽与范围
为什么LoRaWAN这么好? 
  • 超低功耗-LoRaWAN终端设备经过优化,可在低功耗模式下运行,使用单个纽扣电池可持续使用长达10年。
  • 远距离-LoRaWAN网关可以在农村地区超过10公里的距离内传输和接收信号,在人口稠密的城市地区则高达3公里。
  • 室内深度穿透——LoRaWAN网络可以提供室内深度覆盖,轻松覆盖多层建筑。
  • 免许可频谱-您无需支付昂贵的频谱许可费用即可部署LoRaWAN网络。
  • 地理定位-LoRaWAN网络可以使用三角测量确定终端设备的位置,而无需GPS。如果至少三个网关接收到LoRa终端设备的信号,则可以定位LoRa终端设备。
  • 高容量-LoRaWAN网络服务器处理来自数千个网关的数百万条消息。
  • 公共和私有部署-使用相同的硬件(网关、终端设备、天线)和软件(UDP数据包转发器、基站软件、终端设备的LoRaWAN堆栈)可以轻松部署公共和私有LoRaWAN网络。
  • 端到端安全-LoRaWAN使用AES-128加密确保终端设备和应用服务器之间的安全通信。
  • 无线固件更新-您可以远程更新单个终端设备或终端设备组的固件(应用程序和LoRaWAN堆栈)。
  • 漫游-LoRaWAN终端设备可以执行从一个网络到另一个网络的无缝切换。
  • 低成本——最少的基础设施、低成本的终端节点和开源软件。
  • 认证计划-LoRa联盟认证计划对终端设备进行认证,并让最终用户确信设备可靠且符合LoRaWAN规范。
  • 生态系统-LoRaWAN拥有非常庞大的设备制造商、网关制造商、天线制造商、网络服务提供商和应用程序开发商生态系统。