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LoRa是什么,都有哪些特点

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  很多人不清楚LoRa是什么,而且对于“LoRa是什么”这个问题可能很难去回答,这是因为LoRa可能不仅仅意味着是一件事:

  技术上来说,LoRa是一种无线电调制方案——利用Chirp的多符号格式调制无线电信号的方法;

  LoRa也指支持调制的系统,包括LoRa芯片和网关;

  有时在物联网应用中称为LoRa通信网络。

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  从本质上讲,LoRa芯片价格低,但具有较高的接收灵敏度和较低的误码率(BER)。这意味着在低速应用场景中,使用LoRa比使用其他同等价格的无线电技术可以实现更长的传输距离。

  LoRaWAN

  LoRaWAN是基于LoRa的媒体访问控制(MAC)层协议,采用Semtech的LoRa调制方案(LoRa只是物理层协议)。然而,LoRaWAN更适合于公共广域网,因为所有信道都调制到同一频率;对于私有网络,为了避免冲突,最好只有一个网络运行。

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  上图为LoRaWAN网络架构图。网络中的所有网关都绑定到同一服务器。服务器决定哪个网关应该响应传输。在大型网络中,任何给定的传输通常由多个接收器检测到;然后服务器通知一个网关响应,而其他网关忽略该传输。这个过程有助于避免上行链路和下行链路的冲突,因为只有一个网关在传输,而重叠的网关可以简单地监听其他传输。

  很多人没有意识到的是,有一种方法可以在不使用LoRaWAN的情况下使用LoRaWAN的底层技术(又名LoRa)。例如,Link Labs的Symphony Link在Semtech的芯片上使用了一个专有的MAC层,使其更适合需要将物联网设备安全连接到云上的企业和工业客户。此外,许多公司在其他协议中使用LoRa芯片。

  技术上回答“什么是LoRa”

  从技术角度来看,LoRa是一种独特的调制方法。

  Semtech的RF组件(SX1272、SX1276/7/8收发器芯片)集成了LoRa调制技术(该技术为私有调制技术,目前技术细节尚未公开)。这种技术被称为调频(FM)Chirp。LoRa的核心技术是利用分数锁相环(PLL)产生稳定的Chirp信号。其他调制格式包括频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。一个重要的观点是:LoRa本身并没有描述物理(RF介质)层之上的系统功能。

  首先看Chirp信号(这个术语是从同名鸟类的信号特征中派生出来的,也可以称为信号处理的扫频)。Chirp的特点是信号的频率变化具有一定的规律性,而FSK信号只在两个频点上进行切换。下图是线性Chirp信号的时域图。

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  LoRa物联网协议

  2012年,Semtech以500万美元收购了法国Cycleo SAS,从而收购了LoRa 无线技术。

  调制解调器在处理LoRa信息时可以对Chirp信号进行滤波,从而获得额外的处理增益,提高接收灵敏度。为了“锁定”LoRa信号,需要发送一个长的“恒定Chirp”信号(见下图)。这就是LoRa独特之处,它使用较低价格的芯片和晶体就可以用来实现非常高的接收灵敏度。

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  这个前导信号可以设置为可变数目的“符号”,即Chipr的数目。可以想象,不同的LoRa发射器的前导信号之间没有选择性,但是LoRa解调器可以监听恒定的Chirp信号(无论它是否来自预定的系统)。一个LoRa接收系统在面对常规的功率干扰和LoRa干扰时的抗干扰性能是非常重要的,这也是Symphony Link的关键技术。

  一旦LoRa modem被“锁定”到前导码,前导码的末端由图中所示的“反向Chirp”发出。然后开始数据传输,它有一系列的“符号”,这些符号的功能与M-ARY FSK符号很相似,但发生在Chirp上,见下图。

  LoRa的另一个强大特性是能够解调多个“正交”或同时的同频信号,只要它们具有不同的Chirp变化率。在数据表中,LoRa Chirp变化率称为扩频因子(Spread Factor)。扩频因子越高,Chirp变化越慢。Semtech的SX1301芯片支持这一特性,能够同时解码许多同时的LoRa Chirp。此功能使创建大型网络成为可能。

  LoRa特点

  LoRa联盟成立于2015年,旨在标准化LoRaMAC的功能。LoRa联盟开发了LoRaWAN协议,允许移动网络运营商使用未经授权的频谱与网络中的物联网设备进行通信。

  LoRaWAN是一种多访问协议的服务器端实现,旨在减少与大量端点的冲突。需要一个服务器应用程序在网络连接上运行MAC功能;

  LoRaWAN网络结构通常采用星型拓扑结构,其中网关是在终端设备和后端中央网络服务器之间中继消息的透明桥;

  客户端逻辑内置于web服务器中;

  它主要是为具有多个端点的仅上行应用程序设计的,或者只需要少量下行消息的应用程序(受应用程序或端点数量的限制);

  同一网络中的网关需要同步;

  终端设备和网关之间的通信分布在不同的频率和数据速率上。传输距离和数据速率之间需要权衡(也就是说,传输距离越远,数据速率越低);

  许多行业正在利用开放的LoRaWAN物联网设备标准,包括农业(用于灌溉/水位监测和虫害控制)、公用事业(用于智能电表、照明和能源管理场景)和建筑施工(用于建筑门窗传感器和建筑结构健康应用)。

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