LoRa设计10问
引言:
近2年来,LoRa技术在国内受重视,从高校到企业,再到自主创业者,都在了解和研究。作为从事LoRa研发3年,推出2代LoRa网关的锐米通信,接触许多问询LoRa技术的客户。为此,我们解释一些LoRa技术的常见问题。
1问:LoRa是什么?
答:LoRa是Long Range(长距离)的简称,是一种长距离、低功耗无线通信技术。2009年法国公司Cycleo设计出一种优异的扩频通信算法,后来,该公司被美国semtech公司收购,后者于2013年推出LoRa芯片。目前,semtech公司是LoRa芯片唯一供应商。
2问:LoRaWAN是什么?
答:LoRaWAN是LoRa Wide Area Network(LoRa广域网)的简称,是基于LoRa技术的一种通信协议。它主要包括三个层次的通信实体:LoRa终端、LoRa网关和LoRa服务器。
LoRaWAN是一个较庞大的体系结构,支持CLASS A / B / C三种终端,使用LoRa MAC协议为网关和终端提供防冲突通信和同步机制,有4种服务器角色,分别担任:网络连接、应用管理、接入控制和用户数据。它的层次关系如下:
3问:LoRa有什么优点?
答:最大的优点是长距离传输,采用扩频增益,它的传输距离约FSK的3倍;其次是低功耗,尽管它通信距离空旷能达到5km,仍保持良好的节能特性;再次,它工作在免费ISM频段,这为普通民众使用该无线网络打开了一道便捷之门,极大降低网络铺设成本。
4问:LoRa有哪些缺点?
答:第一个缺点,传输速率低,因为扩频调制后的通信带宽窄,一般只适合传感器网络;第二个缺点,硬件价格高,推出市场的时间不长,没有大规模应用,成本没有被摊薄;第三个缺点,LoRaWAN核心技术(通信协议和算法)需要缴纳会费才能获取,这提高了研发成本和难度。
5问:LoRa与常见无线技术的区别?
答:确实,我们身边的无线技术已经很多了:3G/4G、WiFi、蓝牙和ZigBee,为什么还需要LoRa这种无线技术呢?其实,每种无线技术都只能适应特定通信场景,需要配合使用才能构建高效率、低成本的网络。
打个比方,现代化的军事组织,单兵武器都是配合使用,才能达到最佳火力配制。
无线技术 |
类比武器 |
距离 |
速率 |
能耗 |
铺设成本 |
通信成本 |
适应场合 |
LoRa |
狙击步枪 |
超长 |
慢 |
低 |
中 |
免费 |
户外传感器 |
3G/4G |
突击步枪 |
长 |
较快 |
高 |
极高 |
流量费 |
通话与上网 |
WiFi |
冲锋枪 |
短 |
快 |
极高 |
低 |
免费 |
家庭网络 |
蓝牙 |
战术刀 |
极短 |
中 |
低 |
低 |
免费 |
手机配件 |
ZigBee |
手枪 |
较短 |
较慢 |
低 |
较低 |
免费 |
室内设备 |
6问:LoRa的竞争对手有哪些?
答:在LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗广域网)有代表性的3种技术是:LoRa、Sigfox和LTE-M(包括NB-IoT)。它们技术参数对比如下:
参数 |
LoRa |
Sigfox |
LTE-M |
频段 |
ISM免费频段 |
ISM免费频段 |
电信授权频段 |
通信速率 |
300~37.5kbps |
100或500bps |
20kbps |
发射功耗 |
低 |
低 |
高 |
接收功耗 |
低(10~12mA) |
低(10~13mA) |
中(20~30mA) |
全双向 |
是 |
否 |
是 |
抗干扰 |
优(扩频调制) |
差(窄带BPSK) |
中 |
扩展性 |
优 |
差 |
未知 |
支持定位 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
节点可移动 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
节点可漫游 |
支持 |
支持 |
支持 |
部署进度 |
芯片已经上市, 网关低成本 |
网关复杂 成本高 |
芯片未上市, 标准建设中 |
7问:LoRa为什么能传输得更远?
答:无线通信的距离受很多因素的影响,包括:衰减、损耗、噪声、大气吸收、多径和折射。长期以来,要延长通信距离,最直接的手段是增大发射功率,即提高Eb/N0(每位信号能量与每赫兹噪声功率密度的比值),这种方式不能满足低功耗的要求。
后来人们发现,扩频技术可以得到如下收益:从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性;得到信噪比的增益。换句话说,使用扩频通信抗干扰性更强,通信距离更远,LoRa的长距离源自此处。
LoRa扩频调制的示意图如下所示,用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR(异或)运算,生成发送信号流,这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加(扩展了频谱)。
8问:SX1276/8和SX1301是什么?
答:SX1276/8是semtech公司推出的LoRa终端芯片,单信道,前者面向欧美市场(支持862~1020MHz),后者面向中国市场(不支持支持862~1020MHz)。从硬件设计,到软件驱动,都开源设计,用户可以免费下载。
SX1301是semtech公司推出的LoRa网关芯片,8个LoRa信道,1个FSK信道,可以看成是FPGA+8路LoRa调制解调器。该芯片是semtech的核心利益块,从数据手册,到硬件参数,到软件驱动,到协议算法,都不公开;仅当用户缴纳付费,成为LoRa Alliance的会员,才能获得相关资料和技术。
SX1301的体系结构如下图所示,有2个前端芯片SX1255/7处理信号,推荐GPS提供精确时钟,通过SPI与MCU连接。
9问:LoRa网关一定是LoRaWAN+SX1301吗?
答:从广义上讲,网关是连接2个不同网络的设备。如果一个设备,它能将LoRa无线网络和Internet连接起来,它就是一个LoRa网关。
根据应用场合不同,LoRa网关至少可以分为:便携式,轻量级,区域级,电信级;前2者,容纳的LoRa节点较少,通信带宽较低,LoRa网关可以使用SX1276/8;后2者需要SX1301,甚至多片SX1301。
如果网关和终端都使用一家公司的,私有协议可以工作;当然,要连接不同厂家的LoRa设备,甚至国际化,那就需要遵循LoRaWAN协议。
10问:LoRa前景如何?
答:要预判一个年青(才3年)的物联网技术前景是很难的,除了技术外,有商业模式,有政治因素(保证基础数据安全和带动本国就业等)。我们试着把LoRa在国际和国内的竞争对手比较下,可能聪明的您就能看到它的前景。
表1 国际
项目 |
LoRa |
Sigfox |
LTE-M |
商业模式 |
Semtech提供技术 其他公司组成物联网 |
法国Sigfox公司成为 全球物联网运营商 |
改进现有LTE技术 为运营商谋取更多利益 |
部署成本 |
低 |
较高 |
高 |
资金来源 |
出售芯片和收取会费 |
风险投资 |
运营商投资 |
财务风险 |
低,有持续收入 |
极高,资金链断裂致命 |
较低,现有业务支撑 |
表2 国内
项目 |
LoRa |
NB-IoT |
运营者 |
Semtech提供技术 其他公司组成物联网 |
华为公司提供技术 运营商组成物联网 |
终端成本 |
小于5美金 |
5~10美金 |
网关成本 |
塔式基站约1000美金; 工业基站约500美金; |
升级LTE基站不少于15000美金 |
频段与质量 |
免费频段,网络质量稍差 |
授权频段,网络质量好 |
能耗 |
低,特别适合电池供电 |
较低,同步与蜂窝调制有额外能耗 |
部署时间表 |
13年发布芯片 整个产业链相对较为成熟 |
17年上半年发布模块 产业链受频段、运营商等限制 |
技术优势 |
低功耗,低成本,高度灵活 |
较高传输速率和频繁通信 |
适合场景 |
自主区域网络 智慧农业、智能建筑、物流追踪,设备监测等 |
政府公共事业 智能电表、零售终端、自动化制造 |