LoRa Basics技術(shù)及應用詳解 LoRa Basics與LoRaWAN協(xié)議解讀

進入2022年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)越來越普及，LPWAN技術(shù)（低功耗廣域網(wǎng)，長距離物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)）憑借信號覆蓋范圍廣、占用帶寬小、終端連接數(shù)量多、功耗低、成本低等優(yōu)點，在全球市場上贏得較高的普及率。

在全球范圍內(nèi)的多種LPWAN技術(shù)中，NB-IoT、LoRa是應用范圍最廣的兩種技術(shù)，在未授權(quán)頻譜技術(shù)中，LoRa處于主導地位。LoRa除了具有網(wǎng)絡容量大、功耗低、信號穿透能力強、高速移動信號穩(wěn)定、可定位等特點外，最大優(yōu)勢在于同等功耗條件下無線射頻通信距離更遠。LoRa可以廣泛應用在工業(yè)控制、城市管理、電網(wǎng)巡檢控制、油氣管道監(jiān)控、農(nóng)業(yè)灌溉、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

據(jù)市場調(diào)查網(wǎng)發(fā)布的《2022-2027年中國LoRa市場監(jiān)測調(diào)研及行業(yè)投資可行性通用研究報告》顯示，國內(nèi)LoRa芯片生產(chǎn)實力不斷增強，有利于LoRa產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。

同時騰訊、阿里等相繼加入LoRa聯(lián)盟，將擴大LoRa生態(tài)圈，這推動了我國LoRa及芯片市場高速增長。2021年，我國LoRa市場規(guī)模約為218億元，預計2022年將增長至283億元左右，增速達到30%。2021年，我國應用于終端領(lǐng)域的LoRa芯片出貨量約為7052億片，預計2022年將增長至9520億片，增速達到35%。

雖然目前國內(nèi)的LoRa應用非常多，不過現(xiàn)有的LoRaWAN協(xié)議不能充分滿足市場中的多種需要。尤其是LoRa在國內(nèi)推動的“自組，安全，可控”的生態(tài)，對于LoRa協(xié)議的要求越來越多。即使LoRa具有足夠的技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)自組網(wǎng)絡的要求，目前市場上國內(nèi)LoRa客戶依然具有以下的需求：

架構(gòu)簡單：不希望使用網(wǎng)絡服務器

低成本：最好使用終端芯片作為網(wǎng)關(guān)

支持終端的通信方式D2D

支持組控和群控

低延遲快速響應

支持下行控制且低功耗

更大的網(wǎng)絡容量

而LoRa Basics就是LoRa為了解決這些需求應運而生的。

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LoRa Basics就是Semtech Corporation基于LoRaWAN協(xié)議推出軟件構(gòu)建模塊。

LoRa Basics提取常用的LoRaWAN功能，即所有終端設備、網(wǎng)關(guān)或基于LoRaWAN解決方案的開發(fā)人員都必須實現(xiàn)的功能，并提供一組與規(guī)范兼容的、免費的、可提供支持的開源軟件套件。該組構(gòu)建模塊代表了基于LoRaWAN的技術(shù)實現(xiàn)的最佳實踐。

這樣開發(fā)人員就可以專注于開發(fā)其解決方案，同時以更低的成本、更快的將應用推向市場。LoRa Basics與LoRa聯(lián)盟（LoRa Alliance）完全兼容，并支持開發(fā)人員及企業(yè)快速地開發(fā)其應用。

在軟件架構(gòu)層面，LoRa Basics與LoRaWAN協(xié)議基本一致：

在設備類別劃分上，LoRa Basics與LoRaWAN協(xié)議有一些區(qū)別：

Class A與LoRaWAN Class A 設備相同：電池供電的傳感器開關(guān)等；

Class C與LoRaWAN Class C 設備相同：長供電的燈家電等；

Class D與LoRaWAN Class B 相似：用于電池供電且具有下行喚醒功能的設備：如門鎖、閥門等(采用異步長前導包喚醒模式)；

C could control C/D；A could control C/D；D could control C/D。

LoRa Basics的信道規(guī)劃，最少需要3個不同的信道（這里的信道指的是不同配置的頻點、BW、SF的組合）：

F1：上行信道

F2：下行信道

F3：喚醒信道

同時還可以進行信道擴展：

多個網(wǎng)關(guān)模塊可以支持多個F1

根據(jù)工作距離和延遲要求不同可以設置多給F2

根據(jù)省電或工作距離要求可以設置多個F3

LoRa Basics支持P2P通信，常見的兩種控制模式：

通過網(wǎng)關(guān)控制（LoRa Basics Station）

直接控制并告知網(wǎng)關(guān)（Modem與Modem之間通信）

LoRa Basics支持兩種控制模式，不過優(yōu)先建議使用第二種，原因如下：

在沒有網(wǎng)關(guān)的時候，該系統(tǒng)依然可以有效進行

具有更低的延遲特性

對上行的信道占用減小，信道容量也會增加

網(wǎng)關(guān)的負載減小

可以擴展F2a和F2b，來應對不同的需求，如更低的延遲或更好的覆蓋范圍，需要通過調(diào)整SF或BW實現(xiàn)

通過網(wǎng)關(guān)通信

節(jié)點與節(jié)點通信

在LoRa Basics中，還有一種比P2P更快捷高效的方案，那就是組控/群控。通過ACK的時隙進行回復和識別確認目標設備。當設備加入群組時，會被分配時隙號，當設備收到群控命令時，根據(jù)時隙號*△t進行延遲，再發(fā)送ACK。不同的群組，可以根據(jù)需求設定不同的信道組合。不僅僅是節(jié)點，網(wǎng)關(guān)也可以參與組控。

下圖為Class C的設備群控案例，對于Class D設備的組控是一樣的，只是需要增加一個長前導。如果一個設備的ACK丟失，網(wǎng)關(guān)或者主控設備會通過P2P的方式進行再次確認。

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隨著社會智能化、信息化的發(fā)展，LoRa的現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)無法滿足日新月異的技術(shù)更新需求，為了解決層出不窮的客戶實際需要，LoRa在LoRa Basics的基礎上衍生出了兩款平臺供客戶開發(fā)使用。

LoRa Basics Station（網(wǎng)關(guān)平臺）

LoRa Basics Station是LoRa數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器的實現(xiàn)。LoRa 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器是在基于 LoRa 的網(wǎng)關(guān)（帶或不帶 GPS）的主機上運行的程序。它通過安全的IP鏈路將集中器（上行鏈路）接收到的RF數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到LoRaWAN網(wǎng)絡服務器（LNS）。它還將 LNS（下行鏈路）通過同一安全 IP 發(fā)送的射頻數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭粋€或多個設備。此外，它可以傳輸用于網(wǎng)絡內(nèi)時間協(xié)調(diào)設備的信標信號。這些信標可以在整個網(wǎng)絡上以GPS同步傳輸。

相關(guān)開發(fā)平臺有SX1302芯片平臺，我們成都億佰特提供了基于SX1302開發(fā)的E106系列模組：

470MHz頻段：E106-470G27P2（詳細參數(shù)，請點擊查閱）

868MHz頻段：E106-868G27P2（詳細參數(shù)，請點擊查閱）

915MHz頻段：E106-915G27P2（詳細參數(shù)，請點擊查閱）

該系列使用Mini PCI-E標準接口封裝，方便用戶集成到自家網(wǎng)關(guān)設備。

LoRa Basics Modems（終端節(jié)點平臺）

LoRa Basics調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品可以基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備與Semtech的LoRa云服務進行通信。LoRa Basics調(diào)制解調(diào)器是一個開源軟件庫，它利用2.4GHz頻段實現(xiàn)全球互操作性。

LoRa Basics Modem-E提供與Semtech云服務的開箱即用集成，例如用于定位現(xiàn)場設備的地理位置功能。它使用sub-GHz頻段，旨在支持歐盟和美國頻率的LoRaWAN區(qū)域參數(shù)。

相關(guān)開發(fā)平臺有LR1110、LR1120芯片平臺，是一個集LoRa+GPS+WiFi2.4GHz通信的LoRa Basics Modems開發(fā)平臺。GPS定位功能和Wi-Fi定位功能，使得用戶可以更好的進行資產(chǎn)管理。