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——   【导读】   ——

LoRaWAN的核心技术是LoRa。LoRa是一种Semtech的私有调制技术(2012收购CycleoSAS公司得来)。

LPWAN与LoraWAN的关系

LPWAN或称LPN,全称为LowPower Wide Area Network或者LowPower Network,指的是一种无线网络。这种无线网络强调低功耗与远距离,通常用于电池供电的传感器节点组网。因为低功耗与低速率的特点,这种网络与其他用于商业,个人数据共享的无线网络(如WiFi,蓝牙等)有着鲜明的区别。

应用中,LPWAN可使用集中器组建为私有网络,也可利用网关连到公有网络上去。

LPWAN因为跟LoRaWAN名字类似,再加上最近的LoRaWAN在IoT领域引起的热潮,使得不少人对这两个概念有所混淆。事实上LoRaWAN仅仅是LPWAN的一种,还有几种类似的技术在与LoRaWAN进行竞争。

图1 LPWAN与其他无线网络相比


概括来讲,LPWAN具有如下特点:

  • 双向通信,有应答

  • 星形拓扑(一般情况下不使用中继器,也不使用Mesh组网,以求简洁)

  • 低数据速率

  • 低成本

  • 非常长的电池使用时间

  • 通信距离较远

LPWAN适合的应用:

  •  IoT,M2M

  • 工业自动化

  • 低功耗应用

  • 电池供电的传感器

  • 智慧城市,智慧农业,抄表,街灯控制等等

LoraWAN与Lora的关系


同样是因为名字类似,不少人将LoRaWAN与LoRa两个概念混淆。事实上LoRaWAN指的是MAC层的组网协议。而LoRa只是一个物理层的协议。虽然现有的LoRaWAN组网基本上都使用LoRa作为物理层,但是LoRaWAN的协议也列出了在某些频段也可以使用GFSK作为物理层。从网络分层的角度来讲,LoRaWAN可以使用任何物理层的协议,LoRa也可以作为其他组网技术的物理层。事实上有几种与LoRaWAN竞争的技术在物理层也采用了LoRa。

图2 LoraWAN网络分层(图中物理层使用Lora,但是要注意物理层与MAC层独立,至于无线频段,图中使用的ISM频段,但从技术角度来讲也可使用其他任何频段)

LoraWAN的主要竞争技

     

市场上存在多个同样使用LoRa作为物理层的LPWAN技术,例如深圳艾森智能(AISenz Inc.)的aiCast。aiCast支持单播、多播和组播,比LoRaWAN更加复杂完备。许多LoRaWAN下不可能的应用因此可以实现。

Sigfox使用慢速率的BPSK(300bps),也有一些较有前景的应用案例。

NB-IoT(Narrow Band-IoT)是电信业基于现有移动通信技术的IoT网络。其特点是使用现有的蜂窝通信硬件与频段。不管是电信商还是硬件商,对这项技术热情很高。

关键技术Lora简介 

LoRaWAN的核心技术是LoRa。LoRa是一种Semtech的私有调制技术(2012收购CycleoSAS公司得来)。为了便于不熟悉数字通信技术的读者理解,先介绍两个常见的调制技术FSK与OOK。选用这两个调制方式是因为:

1.这两个是最简单、最基础、最常见的数字通信调制方式

2.在Semtech的SX127x芯片上与LoRa同时被支持,尤其是FSK经常被用来与LoRa比较性能。

OOK

OOK全称为On-Off Keying。核心思想是用有载波表示一个二进制值(一般是1,也可能反向表示0),无载波表示另外一个二进制值(正向是0,反向是1)。

图3 OOK时域波形


在0与1切换时也会插入一个比较短的空的无载波间隔,可以为多径延迟增加一点冗余以便接收端解调。OOK对于低功耗的无线应用很有优势,因为只用传输大约一半的载波,其余时间可以关掉载波以省功耗。缺点是抗噪音性能较差。

FSK

FSK全称为Frequency Shift Keying。LoRaWAN协议也在某些频段写明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用两种频率的载波分别表示1与0。只要两种频率相差足够大,接收端用简单的滤波器即可完成解调。

图4 FSK时域波形


对于发送端,简单的做法就是做两个频率发生器,一个频率在Fmark,另一个频率在Fspace。用基带信号的1与0控制输出即可完成FSK调制。但这样的实现中,两个频率源的相位通常不同步,而导致0与1切换时产生不连续,最终对接收器来讲会产生额外的干扰。实际的FSK系统通常只使用一个频率源,在0与1切换时控制频率源发生偏移。

GFSK是基带信号进入调制前加一个高斯(Gaussian)窗口,使得频率的偏移更加平滑。目的是减少边带(Sideband)频率的功率,以降低对相邻频段的干扰。代价是增加了码间干扰。

CSS-Lora的核心

  

LoRa是一种利用Chirp进行扩频的全新的调制方式,是所有基于LoRa技术的组网技术(包括LoRaWAN,aiCast等等)的最重要组成部分。这种调制方式技术上的名称应该为FM(Chirp)。从实现上来讲,LoRa本身的核心技术是使用分数PLL生成稳定的Chirp信号。

先看一看Chirp这个信号,(注:这个词来源于同名鸟类的叫声的信号特点,对于信号处理来讲也可称作扫频)。Chirp的特点是信号的频率以一定的规律变化,而FSK的信号只会在两个频点切换。


图5 线性Chirp信号时域图


而频谱图上该信号是一条线:

图6 线性Chirp信号频谱图

当然Chirp信号的频率不仅仅只是线性变化,还有其他很多种变化,如指数Chirp,对数Chirp等等。LoRa调制的核心思想是使用这种频率的变化的模式来调制基带信号,Chirp变化的速率也就是所谓的”Chirpness”,在Semtech的数据手册和文档中称之为扩频因子(Spread Factor)。扩频因子越大,传输的距离越远。代价就是数据速率,因为要用更长的chip来表示一个symbol。

图7 LoRa的时域信号

图8 LoRa的频域信号


概括来讲,基于扫频技术的LoRa调制相对于传统的调制方式有几个明显的优点:


1.在接收端与发送端,时间/频域的偏移是相等的。这样大大降低了接收器的设计复杂度。扫频的频率带宽等于信号的频域带宽。

2.扫频扩频产生了处理增益(ProcessingGain),使得接收端可以解调出比噪音的幅度更低的信号。这样在相同的发射功率下,传输的距离大大增加。

处理增益PG就是扩频后的带宽与扩频前的带宽的比值。如何理解处理增益,这里使用一个比喻来说明。某时刻一个收音机因为信号不好,播放的都是类似于噪音的音频,假设你用录音设备在T0时刻录制了一段100ms的音频定义为Audio0(并且记忆Audio0的规律)。那么如果收音机在后面的播放中又播放了与Audio0类似的音频,就可以说接收到了Audio0。实际意义是当某信号低于噪音时,接收器只有撇开所有噪音,使用一个专门的滤波器来寻找此信号时才能找到。这一点是LoRa的接收灵敏度性能的关键所在,比如FSK需要信噪比(SNR)在10dB左右才能稳定接收,而LoRa对信噪比要求则很低:

图9 LoRa收发芯片SX127X的不同扩频因子对应的解调信噪比

1.带宽可伸缩

可用于窄带也可用于宽带。

2.包络恒定/低功耗

与FSK一样是包络恒定的调制方式,所以直接使用已有的FSK的PA,而由于PG(处理增益),能在更低的功耗达到或超过FSK的链路预算。

3.高鲁棒性

因为采用了扩频调制,单个LoRa符号比一般的跳频通信的短突发时段要长,故此对于AM脉冲干扰抑制较强,典型的信道外选择性可达90dB,信道内排斥度可达20dB。对于FSK,这两个参数分别为大约50dB与-6dB。

4.抗多径/衰落

因为单个扫频脉冲的带宽相对较大,所以基本不受多径/衰落影响。

5.抗多普勒效应

多普勒效应造成的频移只会在LoRa的基带信号带来一个基本上可以忽略不计的时间轴平移。

6.大网络容量

从单个Spread Factor来计,LoRa的容量小于FSK。但是由于多个Spread Factor的信道是正交的,所以整个LoRa的网络容量等于所有Spread Factor信道的容量相加。比如对于一个125Khz的带宽:

如果划分给12个窄带FSK信道,每个信道的等效波特率为1200,则:

CapacityFSK = 12 * 1200 =14400 bps


如果同样的带宽分给单个的LoRa信道来调制,因为所有的SF之间正交,所以:

CapacityLoRa= 1 *(SF12 + SF11 + SF10 + SF9 + SF8 + SF7 + SF6)

            =1 * (293 + 537 + 976 + 1757 + 3125 + 5468 + 9375)

            = 21531 bps

往期热文(点击文章标题即可直接阅读):

LoraWAN 基础知识与关键技术
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