認識LPWAN技術

第一期：LoRa

低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network(簡稱LPWAN) ，即低功耗廣域網絡，主要用于設備之間的通訊，這種通訊技術具有網絡覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點，比較適合大規(guī)模的物聯網應用部署。具體包含NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC四種，其中NB-IoT、LoRa近年來廣受追捧。

本期我們就來認識應用較多的技術——LoRa。（下期將介紹NB-IoT）

LoRa是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，其實也是諸多LPWAN通信技術中的一種， 最早由美國Semtech公司采用和推廣。這一方案為用戶提供了一種簡單的能實現遠距離、低功耗無線通信手段。目前，LoRa 主要在ISM頻段運行，主要包括433、868、915 MHz等。作為低功耗廣域網通信技術的一種，在同一功耗下LoRa無線傳輸技術有著通信射頻距離更強、傳輸距離更遠的優(yōu)勢，通信距離是傳統(tǒng)無線技術的3-5倍。

Semtech公司基于LoRa技術開發(fā)出一整套LoRa通信芯片解決方案，包括用于網關和終端上不同款的LoRa芯片。為了促進其他公司共同參與到LoRa生態(tài)中，2015年3月，Semtech聯合Actility、Cisco和IBM等多家廠商共同發(fā)起創(chuàng)立了LoRa聯盟，并推出不斷迭代的LoRaWAN規(guī)范，催生出一個由全球數近千家廠商支持的廣域組網標準體系，從而形成廣泛的產業(yè)生態(tài)。

LoRa聯盟

具有代表性的擴頻方式主要有兩種：直接序列擴頻與跳頻擴頻。LoRa技術就是一種基于直序擴頻的調制方式。直接序列擴頻（DSSS）簡稱直擴方式（DS方式），是目前應用較廣的一種擴頻方式。

LoRa基本技術指標：

傳輸距離：城鎮(zhèn)可達2~5km，郊區(qū)可達15km。

工作頻率：ISM頻段包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。

標準：IEEE 802.15.4g、LoRaWAN。

基于擴頻技術，CSS的一個變種，具有前向糾錯（Forward Error Correction, FEC）能力，屬于Semtech公司私有專利技術。

容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點。

電池壽命：長達10年。

安全：AES128加密。

傳輸速率：18b/s~ 62.5kb/s。

LoRa具有以下優(yōu)勢特點：

01

低功耗

LoRa的應用一般都是物聯網設備，通常都是使用電池供電，并且使用時間也是幾年以上，這就要求LoRa要具有極低的功耗。LoRa低功耗的實現主要由兩方面決定：一方面是芯片需要具有低功耗；另一方面是軟件通信協議也需要具有低功耗。

首先在硬件上LoRa的功耗很低，如SX126X系列熱啟動休眠Sleep模式電流僅為1.2uA，125kHz下接收電流為4.6mA，17dBm功率發(fā)送電流只有58mA。

其次在軟件通信協議方面，LoRa并沒有像其他無線技術那樣有著復雜的通信協議，數據包十分的簡單，無需發(fā)送大量的握手數據。為了達到省電的目的，業(yè)界廣泛應用周期偵聽（Wake on Radio，WOR）方式，如圖所示：

芯片周期性地進入接收（RX）模式以偵聽有沒有喚醒前導碼，其他時間處于休眠（Sleep）模式。WOR接收電流如下圖所示，其大部分時間處于休眠模式，只有少部分時間被喚醒處于接收模式，所以其整體功耗很低。如億佰特的E22、E32模塊都具有WOR功能，能很好的做到低功耗需求。

02

遠距離

在無線通信中，衡量通信距離的標準是鏈路預算，鏈路預算等于發(fā)射功率減去靈敏度。靈敏度是負數，靈敏度越高負得越多，所以提高鏈路預算的方法是增大發(fā)射功率和提高靈敏度。但是發(fā)射功率在各個國家和地區(qū)都有著嚴格要求，所以提高通信距離的方法只有提高靈敏度了。而LoRa在BW=125kHz，SF=7的時候靈敏度就已經達到了-123dBm；在BW=7.81kHz，SF=12的時候靈敏度到了-149.1dBm。而藍牙的靈敏度在-90dbm左右，ZigBee在-85dBm左右，所以LoRa的傳輸距離相比其他無線通信技術要遠很多。但LoRa是使用帶寬換取靈敏度，會導致發(fā)送速率很慢，所以LoRa適用于長距離、低速率、小數據量的應用。

03

抗干擾

LoRa能夠實現遠距離傳輸，除了靈敏度優(yōu)勢外，還有一個非常重要的因素是超強的抗干擾能力。

在低于噪聲20dB下LoRa依然可以通信，這是現有傳統(tǒng)通信技術都不具備的。如下圖：

LoRa可以在噪聲之下20dB正常解調信號，而 FSK理論上需要在噪聲之上8dB才能保證解調。當通信過程中遇到外界電磁信號干擾時，LoRa 可以繼續(xù)穩(wěn)定通信，而傳統(tǒng)的無線技術則無法通信。所以在一些信道干擾比較嚴重的區(qū)域，客戶都會選擇LoRa技術作為穩(wěn)定通信的核心技術。LoRa調制之所以有這么強的抗干擾能力，主要是因為Chirp調試在相干解調的時候可以把在噪聲之下有用的LoRa信號聚集在一起，而噪聲在相干解調后還是噪聲。

2022年，全球已部署超650萬個基于LoRa的網關，超2.8億個基于LoRa的終端節(jié)點，LoRaWAN公共網絡運營商達170余家且還在持續(xù)增加。據ABI Research預計，到2026年，LoRa將占據全球非蜂窩低功耗廣域網連接超過50%的份額。國內LoRa產業(yè)鏈企業(yè)數量已達3000多家，且還在快速增長。中國市場是LoRa全球生態(tài)建設中極為重要的部分。