LoRaWAN 基础知识与关键技术

来源:艾森智能 2017-07-12 18:58

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的主要竞争技术

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

O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

OFSK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

    2. 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