簡述LoRaWAN基礎(chǔ)知識

LPWAN或稱LPN，全稱為Low Power Wide Area Network或者LowPower Network，指的是一種無線網(wǎng)絡(luò)。這種無線網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)低功耗與遠(yuǎn)距離，通常用于電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。因?yàn)榈凸呐c低速率的特點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò)與其他用于商業(yè)，個人數(shù)據(jù)共享的無線網(wǎng)絡(luò)(如WiFi，藍(lán)牙等)有著鮮明的區(qū)別。

應(yīng)用中，LPWAN可使用集中器組建為私有網(wǎng)絡(luò)，也可利用網(wǎng)關(guān)連到公有網(wǎng)絡(luò)上去。

LPWAN因?yàn)楦?a href="http://wenjunhu.com/tags/lora/" target="_blank">LoRaWAN名字類似，再加上最近的LoRaWAN在IoT領(lǐng)域引起的熱潮，使得不少人對這兩個概念有所混淆。事實(shí)上LoRaWAN僅僅是LPWAN的一種，還有幾種類似的技術(shù)在與LoRaWAN進(jìn)行競爭。

概括來講，LPWAN具有如下特點(diǎn)：

雙向通信，有應(yīng)答

星形拓?fù)?一般情況下不使用中繼器，也不使用Mesh組網(wǎng)，以求簡潔)

低數(shù)據(jù)速率

低成本

非常長的電池使用時間

通信距離較遠(yuǎn)

LPWAN適合的應(yīng)用：

IoT，M2M

工業(yè)自動化

低功耗應(yīng)用

電池供電的傳感器

智慧城市，智慧農(nóng)業(yè)，抄表，街燈控制等等

LoRaWAN與LoRa的關(guān)系

同樣是因?yàn)槊诸愃?，不少人將LoRaWAN與LoRa兩個概念混淆。事實(shí)上LoRaWAN指的是MAC層的組網(wǎng)協(xié)議。而LoRa只是一個物理層的協(xié)議。雖然現(xiàn)有的LoRaWAN組網(wǎng)基本上都使用LoRa作為物理層，但是LoRaWAN的協(xié)議也列出了在某些頻段也可以使用GFSK作為物理層。從網(wǎng)絡(luò)分層的角度來講，LoRaWAN可以使用任何物理層的協(xié)議，LoRa也可以作為其他組網(wǎng)技術(shù)的物理層。事實(shí)上有幾種與LoRaWAN競爭的技術(shù)在物理層也采用了LoRa。

****△ 圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)分層(圖中物理層使用LoRa,

但是要注意物理層與MAC層獨(dú)立,至于無線頻段,

圖中使用的ISM頻段,但從技術(shù)角度來講也可使用其他任何頻段)

**LoraWAN的主要競爭技術(shù) **

市場上存在多個同樣使用LoRa作為物理層的LPWAN技術(shù)，例如深圳艾森智能（AISenz Inc.）的aiCast。aiCast支持單播、多播和組播，比LoRaWAN更加復(fù)雜完備。許多LoRaWAN下不可能的應(yīng)用因此可以實(shí)現(xiàn)。

Sigfox使用慢速率的BPSK(300bps)，也有一些較有前景的應(yīng)用案例。

NB-IoT(Narrow Band-IoT)是電信業(yè)基于現(xiàn)有移動通信技術(shù)的IoT網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是使用現(xiàn)有的蜂窩通信硬件與頻段。不管是電信商還是硬件商，對這項(xiàng)技術(shù)熱情很高。

關(guān)鍵技術(shù)LoRa簡介

LoRaWAN的核心技術(shù)是LoRa。LoRa是一種Semtech的私有調(diào)制技術(shù)(2012收購CycleoSAS公司得來)。為了便于不熟悉數(shù)字通信技術(shù)的讀者理解，先介紹兩個常見的調(diào)制技術(shù)FSK與OOK。選用這兩個調(diào)制方式是因?yàn)椋?/p>

這兩個是最簡單、最基礎(chǔ)、最常見的數(shù)字通信調(diào)制方式

在Semtech的SX127x芯片上與LoRa同時被支持，尤其是FSK經(jīng)常被用來與LoRa比較性能。

OOK

OOK全稱為On-Off Keying。核心思想是用有載波表示一個二進(jìn)制值(一般是1，也可能反向表示0)，無載波表示另外一個二進(jìn)制值(正向是0，反向是1)。

****△ 圖3 OOK時域波形

在0與1切換時也會插入一個比較短的空的無載波間隔，可以為多徑延遲增加一點(diǎn)冗余以便接收端解調(diào)。OOK對于低功耗的無線應(yīng)用很有優(yōu)勢，因?yàn)橹挥脗鬏敶蠹s一半的載波，其余時間可以關(guān)掉載波以省功耗。缺點(diǎn)是抗噪音性能較差。

FSK

FSK全稱為Frequency Shift Keying。LoRaWAN協(xié)議也在某些頻段寫明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用兩種頻率的載波分別表示1與0。只要兩種頻率相差足夠大，接收端用簡單的濾波器即可完成解調(diào)。

對于發(fā)送端，簡單的做法就是做兩個頻率發(fā)生器，一個頻率在Fmark，另一個頻率在Fspace。用基帶信號的1與0控制輸出即可完成FSK調(diào)制。但這樣的實(shí)現(xiàn)中，兩個頻率源的相位通常不同步，而導(dǎo)致0與1切換時產(chǎn)生不連續(xù)，最終對接收器來講會產(chǎn)生額外的干擾。實(shí)際的FSK系統(tǒng)通常只使用一個頻率源，在0與1切換時控制頻率源發(fā)生偏移。

GFSK是基帶信號進(jìn)入調(diào)制前加一個高斯(Gaussian)窗口，使得頻率的偏移更加平滑。目的是減少邊帶(Sideband)頻率的功率，以降低對相鄰頻段的干擾。代價是增加了碼間干擾。

CSS-Lora的核心

LoRa是一種利用Chirp進(jìn)行擴(kuò)頻的全新的調(diào)制方式，是所有基于LoRa技術(shù)的組網(wǎng)技術(shù)（包括LoRaWAN，aiCast等等）的最重要組成部分。這種調(diào)制方式技術(shù)上的名稱應(yīng)該為FM(Chirp)。從實(shí)現(xiàn)上來講，LoRa本身的核心技術(shù)是使用分?jǐn)?shù)PLL生成穩(wěn)定的Chirp信號。

先看一看Chirp這個信號，（注：這個詞來源于同名鳥類的叫聲的信號特點(diǎn)，對于信號處理來講也可稱作掃頻）。Chirp的特點(diǎn)是信號的頻率以一定的規(guī)律變化，而FSK的信號只會在兩個頻點(diǎn)切換。

****△ 圖4 線性Chirp信號時域圖

而頻譜圖上該信號是一條線:

****△ 圖5 線性Chirp信號頻譜圖

當(dāng)然Chirp信號的頻率不僅僅只是線性變化，還有其他很多種變化，如指數(shù)Chirp，對數(shù)Chirp等等。LoRa調(diào)制的核心思想是使用這種頻率的變化的模式來調(diào)制基帶信號，Chirp變化的速率也就是所謂的”Chirpness”，在Semtech的數(shù)據(jù)手冊和文檔中稱之為擴(kuò)頻因子(Spread Factor)。擴(kuò)頻因子越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。代價就是數(shù)據(jù)速率，因?yàn)橐酶L的chip來表示一個symbol。

概括來講，基于掃頻技術(shù)的LoRa調(diào)制相對于傳統(tǒng)的調(diào)制方式有幾個明顯的優(yōu)點(diǎn):

在接收端與發(fā)送端，時間/頻域的偏移是相等的。這樣大大降低了接收器的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。掃頻的頻率帶寬等于信號的頻域帶寬。

掃頻擴(kuò)頻產(chǎn)生了處理增益（ProcessingGain），使得接收端可以解調(diào)出比噪音的幅度更低的信號。這樣在相同的發(fā)射功率下，傳輸?shù)木嚯x大大增加。

處理增益PG就是擴(kuò)頻后的帶寬與擴(kuò)頻前的帶寬的比值。如何理解處理增益，這里使用一個比喻來說明。某時刻一個收音機(jī)因?yàn)樾盘柌缓?，播放的都是類似于噪音?a target="_blank">音頻，假設(shè)你用錄音設(shè)備在T0時刻錄制了一段100ms的音頻定義為Audio0（并且記憶Audio0的規(guī)律）。那么如果收音機(jī)在后面的播放中又播放了與Audio0類似的音頻，就可以說接收到了Audio0。實(shí)際意義是當(dāng)某信號低于噪音時，接收器只有撇開所有噪音，使用一個專門的濾波器來尋找此信號時才能找到。這一點(diǎn)是LoRa的接收靈敏度性能的關(guān)鍵所在，比如FSK需要信噪比(SNR)在10dB左右才能穩(wěn)定接收，而LoRa對信噪比要求則很低:

****△ 圖8 LoRa收發(fā)芯片SX127X的不同擴(kuò)頻因子對應(yīng)的解調(diào)信噪比

帶寬可伸縮

可用于窄帶也可用于寬帶。

包絡(luò)恒定/低功耗

與FSK一樣是包絡(luò)恒定的調(diào)制方式，所以直接使用已有的FSK的PA，而由于PG（處理增益），能在更低的功耗達(dá)到或超過FSK的鏈路預(yù)算。

高魯棒性

因?yàn)椴捎昧藬U(kuò)頻調(diào)制，單個LoRa符號比一般的跳頻通信的短突發(fā)時段要長，故此對于AM脈沖干擾抑制較強(qiáng)，典型的信道外選擇性可達(dá)90dB，信道內(nèi)排斥度可達(dá)20dB。對于FSK，這兩個參數(shù)分別為大約50dB與-6dB。

抗多徑/衰落

因?yàn)閱蝹€掃頻脈沖的帶寬相對較大，所以基本不受多徑/衰落影響。

抗多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)造成的頻移只會在LoRa的基帶信號帶來一個基本上可以忽略不計(jì)的時間軸平移。

大網(wǎng)絡(luò)容量

從單個Spread Factor來計(jì)，LoRa的容量小于FSK。但是由于多個Spread Factor的信道是正交的，所以整個LoRa的網(wǎng)絡(luò)容量等于所有Spread Factor信道的容量相加。比如對于一個125Khz的帶寬：

如果劃分給12個窄帶FSK信道，每個信道的等效波特率為1200，則:

CapacityFSK = 12 * 1200 =14400 bps

如果同樣的帶寬分給單個的LoRa信道來調(diào)制，因?yàn)樗械腟F之間正交，所以：

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

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

                = 21531 bps