ZigBee、ZWave注意了:LoRa远距离、低功耗网络技术悄然发展

物联网所需的无线网络通信各类技术似乎处于互补状态,各不同场景下,距离、功耗、容量、成本等指标各有千秋。不过,在远距离、低功耗场景下似乎还没有主流的无线网络技填补空白。今天,物联网智库带您认识这一领域中一项突出的成果——LoRa(Long Range,远程)。

本篇文章是从技术角度揭开LoRa的面纱,后续还会提供商业化和市场角度解读LoRa的文章,让您全面了解这一未来物联网领域新的通信技术

LoRa

LoRa是由升特公司(Semech)发布的一种专用于无线电调制解调的技术,它与其他如FSK(频移键控)、GMSK(高斯最小频移键控)、BPSK(二进制相移键控)及其派生的调制方案形成竞争关系。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有前所未有的性能。此前,只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术,而随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

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“展扩器”中,将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后,可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。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。实际上,当你通过频谱分析仪测量时,这些数据看上去像噪音,但区别在于噪音是不相关的,而数据具有相关性,基于此,数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实,扩频因子越高,越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解调一个信号,其信噪比为-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。为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现,我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量,在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm),接收端灵敏度为-129dBm,总的链路预算为149dB。比较而言,拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术,需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中,大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm,在此状况下,发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W,才能达到与LoRa类似的链路预算值。因此,使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离,这种低功耗广域技术正是我们所需的。

OpenRF协议

目前已有很多“标准化”协议应用于家庭自动化领域,ZigBee和ZWave是两种主流的选择,另外还有6LowPan以及其他协议。大多数协议或多或少依赖无线网格(mesh)组网,有些依赖整体系统来达到合理地传输距离,不过这无法使用电池供电。

LoRa采用点对点通信方式,实现远距离传输的目的,我们无需网格化网络。实际上,我们需要一个“轻量级”协议,适用于长期以电池供电的方式。OpenRF是为电池供电的应用而开发的,例如水表和燃气表数据读取。OpenRF为媒介接入层(MAC Layer)定义了一个标准化的界面,允许其余各种各样射频集成电路装置(RFICs)协同工作。OpenRF还提供了一个支持32位设备地址的统一网络层来保证消息传递,还有多重的网络拓扑结构。理论上来说,OpenRF也可支持无线网格组网,虽然我们目前没有那种功能性要求。OpenRF提供两个接口,其中API接口允许在一个微控制器的嵌入式应用中集成OpenRF,我们用这一界面构建了AngelBlocks的应用。另一接口为指令接口,它允许外部主控制器在串行链路上使用AT指令集来发送和接收数据包。我们的应用开发适配器在一个主机上使用指令接口控制AngelBlocks,其中Arduino和Pi适配器使用一个TTL级别的串行端口,PC/MAC适配器使用一个USB/COM端口,同一指令接口均可使用。


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