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从小网到大网,LoRa究竟会雄霸一方,还是一统天下?

时间:2017-11-01  作者:本站  浏览次数:479

  大潮下,未来将会有海量设备需要连入网络,据Mason的调查数据显示,保守估计未来将会有27亿个设备需要连入网络,其中农业、环保占据市场份额的25%,消费电子占据21%,智能楼宇占18%。下面就随网络通信小编一起来了解一下相关内容吧。

  图1 未来联网设备

  那么,未来的无线网络通信技术是否还会是Wi-Fi+Traditional Cellular(传统蜂窝网络,例如GSM、3G、4G等)结构呢?答案是否定的。

  就现在的无线网络通信技术来看,不论是Wi-Fi、蓝牙等局域网络,还是3G/4G等广域网络,远距离和低功耗似乎都只能是二选一的选择题,这显然无法满足未来物联网应用的需求。也因此,才有了近些年针对物联网场景应用提出的一个概念低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)。

  目前国内最火的LPWAN有两种,即LoRa和NB-IoT。其中,NB-IoT作为华为主推的针对物联网应用的网络,在国内政策和众厂商的联合推动下,已于今年推出相关芯片方案和设计方案。而相对于NB-IoT的火力全开,年长几岁的LoRa则更显得老练成熟,有条不紊。

  工作模式

  LoRa(Long Range)技术简单来讲是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,该技术是在FSK技术基础上演变而来的。

  FSK(Frequency shiftkeying)是信息传输中使用得较早的一种调制方式,该方式用两个频率承载二进制的0和1,0的时候传一个频率,1的时候传另一个频率,即双频FSK系统。

  LoRa采用扫频方式,0的时候从高频扫到低频,1的时候从低频扫到高频,其中一个小频段受到干扰后,也可以通过扫频看到整个信号的频率趋势,从而大大提高了整个信号的灵敏度。如图2所示,图中黑色曲线表示信号,红色曲线表示噪声,LoRa通过扫频方式可以将信号离解出来,即使信号低于噪声的时候也可以接收到。

  图2 LoRa可以将信号从噪声中离解出来

  LoRa网络

  物联网技术主要分为三个层面,即应用层、协议层和物理层。其中,LoRa网络的协议层为LoRaWANTM,该协议是开源的,由LoRa联盟(LoRa AllianceTM)制定并推出。在中国,也有中兴在做LoRaWAN的协议改良,使其适合中国市场应用。

  LoRa网络主要由节点、基站/网关、网络服务器和应用服务器四部分组成。其中,网络服务器和应用服务器都在云端,中间的基站/网关并没有网络控制功能,只是将收集到的数据传送到云端,因而,整个系统的硬件部分很简单,绝大部分技术在云端的网络管理和应用管理中。另外,LoRa网络中的应用数据可双向传输。

  图3 LoRa网络

  网络传输中,保密也是必须考虑的一点。LoRaWANTM采用的是IBM提供的安全技术,协议中会有register,将传输数据写入后,经过节点一端的偏码传输出去,而网络服务器端和应用服务器端可以分别将各自相对应的信息解码。如图3所示,其中蓝色箭头线为从端到端的保密协议,红色箭头线为数据和控制的保密协议,另外,在应用设备中也有保密协议。

  技术特性

  传输距离

  LoRa的传输距离主要受到环境因素的影响。在地面上,可以传输15~30英里;而在天空中(例如有人将其用于地轨卫星和测天气的气球中),甚至可以传输上百英里。之所以传输距离有如此大的差别,是因为其会受到环境影响,即与天线所处的位置有关,摆放太低会受到地球及地面建筑的遮挡。

  在2013年推出LoRa产品初期,Semtech采用1301的基站和1272的节点(基站和节点介绍见后文)在曼哈顿测试了其在市内的传输距离,如图4所示图左侧红色标志点是基站,右侧红色标志点是节点,在大楼林立的街道上,其测试得到的传输距离为2.8英里。

  图4 传输距离验证试验

  另外,Semtech还就FSK和LoRa相关传输能力进行了实验对比,如图5所示。其中,传输到A、B两点采用的是FSK网络,传输到C、D两点采用的是LoRa网络。由表中数据可知,就传输距离来讲,LoRa远远高于FSK;但是另一方面,就传输带宽大小和数据量来看,LoRa不如FSK有优势。即LoRa是牺牲了频率来换取传输数据的距离。

  图5 FSK与LoRa相关性能对比实验

  就物联网应用来看,一般情况并不会有太大的数据传输量,300bps已经是一个较大的数据量,相对而言对传输距离会有更高的要求。因而,在未来的物联网应用中,LoRa会有更好的应用前景。

  穿透能力及低功耗

  LoRa在室内传输中,灵敏度也很高,穿透能力很强。例如,国外的水表都是埋在地下的,因而需要很强的穿透能力。LoRa可以很好地解决这一难题。如今,LoRa在电表行业已经很成熟,已经成为水表、电表,甚至当下智能电表行业的一个标准。

  在低功耗方面,LoRa应用中的电池寿命超过十年,基本上可以满足设备使用需求,不需要更换电池。

  扩容能力

  速率自适应(Adaptive DateRate, ADR)是调整数据传输速率来保证可靠数据传输、优化网络性能、扩充网络容量的一种技术。当节点靠近网关时,数据传输速率可以更快、发射功率也更低。

  LoRa的系统架构有速率自适应能力,因而容易扩容。例如,用户搭建一个基站,之后发现该基站的容量不够用的话,可以通过在附近搭建另外一个基站来进行扩容,其中,中间节点会自动调节,靠近新基站的节点会自动连接到新的基站,因而很容易实现容量上的扩充和速率优化。

  低成本

  LoRa包括基站在内的硬件结构很简单;使用非授权频段(即免费频段),铺网成本低,不需要给月费;很多软件是公开的,可以免费下载,从组网到应用上的成本都很低。

  产品布局

  作为一家为物联网应用提供LoRa器件和无线射频技术等远距离、低功耗解决方案的领先供应商,Semtech主要的LoRa产品分为两大系列,分别针对节点/传感器和基站端。

  图6 Semtech针对LoRa的产品结构

  节点一端针对不同市场应用,主要分为三类产品,包括针对全球应用的1276芯片,针对中国经过专门调整的1278芯片,以及针对美国和欧洲应用的1272芯片。

  基站一端包括针对企业级的1301芯片,该芯片工作温度范围为-40~85℃,主要应用于室外大基站,另外也有针对小基站应用的1308,主要针对室内应用。

  另外,1255芯片和1257芯片是给传输设备应用的,用于发送和接收信号的射频功率放大器(radio frequency power amplifier,RFPA)。

  其中,主要的LoRa调制和网络控制都是在1301和1308中实现。

  Semtech还针对专业的、稳定性强很多的网络服务器推出了LoRaWAN-enabled参考设计,针对小基站则有picocell gateway的参考设计。

  四大应用领域

  在物联网应用领域,除去电表领域,Semtech的LoRa产品主要针对四大应用市场。分别是智能农业、智能物流、智慧城市和智慧大楼。

  图7 LoRa物联网四大应用领域

  以智能农业为例,首先是畜牧业管理,在牛场中,每五头牛中有一头会发病,最早是靠有经验的牛仔肉眼识别出来病牛,而现在可以用无人机进行搜索检查,但是效率仍然有点低。通过采用LoRa技术,将包含LoRa技术的标签摆在牛的耳朵里来实时测量每头牛的体温,从而实时确认每头牛的健康状况。

  其次,农业灌溉也会用到LoRa网络,例如在以色列等沙漠地带,在沙下种植作物就需要有无线传感器放置在地下测量灌溉水量是否合适,由于LoRa有很好的穿透性,因而也可以应用于此。

  Semtech无线和传感产品事业部市场营销副总裁黄旭东先生表示,这一市场可能不是最大的,但是对人类的贡献应该是最大的。另外,黄旭东先生也表示,未来更看好物流管理领域的应用。

  LoRa联盟及布网情况

  Semtech是LoRa联盟的主要发起者之一,该联盟主要制定和推广LoRa相关的协议标准,现在已经有500多家会员,绝大部分是做应用的。

  基于LoRaWAN规范的物联网网络已经在超过60个国家和地区部署,目前有50家运营商在进行布网,100多家在做新的试点运营工作。其中,美国Comcast公司去年在3个城市铺设了LoRa网络,两个月前决定再在12个城市铺设网络;法国电信Orange已经实现在法国全部覆盖LoRa网络;印度的TATA公司在30多个城市实现了LoRa网络的应用;韩国公司SK布网最快,在去年用4个月实现了整个国家覆盖LoRa网络。

  在国内,Semtech主要与中兴有合作。就LoRa网络覆盖情况来看,在北上广深都有LoRa网络覆盖,其中,北京6环以内已经全部覆盖。在二线城市例如南京、苏州、杭州等也都有LoRa网络覆盖。另外,据黄旭东先生介绍,阿里巴巴在几个月前也加入了LoRa联盟。

  黄旭东先生表示,通过Semtech针对LoRa网络的Picocell参考设计,个人铺设的小网可以连接到LoRa的大网中,Semtech最终的理想是使大家通过同一个协议或平台,将各个小网最终连接成一个大网。

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