首先应该是先避免掉接收不正确的数据,这种错误的数据发生概率很低,但是数据是错误的,不应进行接收处理,接收处理错误的数据可能会影响我们的应用,所以应该抛去。
LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术,其实也是诸多LPWAN通信技术中的一种, LoRa主要在ISM频段运行,主要包括433、868、915 MHz等。
2009年9月17日,一家法国公司Cycleo向人们展示了一种创新的半导体技术-LoRa,给无线数据传输带来了前所未有的距离。基于这种颠覆性的专利技术,LoRa以最低的成本实现了前所未有的低功率远程无线通信。10mW RF输出功率可提供超过25km视线距离。LoRa技术作为一个低功耗数字IP,不到50K门,可以运行在纽扣或AA电池上。
2012年3月,Semtech公司收购了无线长距离IP服务商Cycleo。Cycelo技术并入到了Semtech RF平台。
2015年2月,LoRa联盟成立于巴塞罗那移动世界大会。 LoRaMAC被重新命名为“LoRaWAN”,成为LoRa联盟成员的规范。LoRa调制解调:LoRa? (Long Range,远距离)是一种调制技术,与同类技术相比,提供更长的通信距离。调制是基于扩频技术,线性调制扩频(CSS)的一个变种,具有前向纠错(FEC)。LoRa显著地提高了接受灵敏度,与其他扩频技术一样,使用了整个信道带宽广播一个信号,从而使信道噪声和由于使用低成本晶振而引起频率偏移的不敏感性更健壮。LoRa可以调制信号19.5dB低于底噪声,而大多数频移键控(FSK)在底噪声上需要一个8-10dB的信号功率才可以正确调制。LoRa调制是物理层(PHY),可为不同协议和不同网络架构所用-Mesh、Star、点对点等等
LoRaWAN:LoRa调制解调是PHY,LoRaWAN是MAC协议,用于大容量远距离低功耗的星型网络,LoRa联盟正在对低功耗广域网(LPWAN)进行标准化。LoRaWAN协议针对低功耗、电池供电的传感器进行了优化,包括了不同级别的终端节点以优化网络延迟和电池寿命间的平衡关系。它是完全双向的,由安全专家构建确保了可靠性和安全性。LoRaWAN架构还可轻松定位移动目标用于资产跟踪,这是物联网增长量最快的应用。主要的电信运营商正在将LoRaWAN部署为全国网络,LoRa联盟正在标准化LoRaWAN以确保不同的国家网络是可以互操作的。
LoRaWAN? 是一种低功耗广域网络(LPWAN)规范,面向在地区、国家或全球网络中电池供电的无线设备。LoRaWAN 针对物联网的关键要求,如安全的双向通讯、移动化和本地化服务。LoRaWAN规范提供智能设备间无缝的互操作性,不需要复杂的本地安装,给用户、开发者、企业以自由,使其在物联网中发挥作用。
LoRaWAN网络结构通常部署成一个星型拓扑结构,其中网关是一个透明桥接,在终端设备和后台中央网络服务器之间中继消息。网关通过标准IP连接连接到网络服务器,而终端设备使用单跳无线通信到一个或多个网关。所有终端节点通信一般都是双向的,但还支持如组播操作实现软件空中升级(OTA)或其他大量信息分发以减少空中通信时间。
终端设备和网关之间的通信在不同频道和数据速率上传播。数据速率的选择需要在通信距离和消息持续时间上做一个权衡。由于扩频技术,不同数据速率的通信不会相互干扰,并创建一组“虚拟”通道以增加网关容量。LoRaWAN的数据速率范围从0.3kbps到50kbps。为最大限度地提高终端设备的电池寿命和整体网络容量,LoRaWAN网络服务器通过自适应数据速率(ADR)的方案单独管理每个终端设备的数据速率和RF输出。
针对物联网的全国范围网络,如重要的基础设施、保密的个人数据或社会对安全通信有特殊需求的社会重要功能。这已通过几层的加密解决了。
唯一网络密钥(EU164),确保网络层安全
唯一应用密钥(EU164),确保应用层端到端的安全
设备专用密钥(EUI128)
LoRaWAN有几种不同类型的终端设备以解决广泛应用中的不同需求:
双向通讯终端设备(A类):A类的终端设备允许双向通信,因此每个终端设备的上行链路传输跟着两个短的下行链路接受窗口。传输时隙由终端设备基于其自身的通讯需求安排,根据随机时基有一个小的变化(ALOHA类型协议)。在终端设备发送一个上行链路传输后,对仅简短地要求服务器的下行链路通讯的应用来说,这种A类操作是功耗最低的终端设备系统。在其他任何时间来自服务器的下行链路通讯必须等到下一个调度的上行链路通讯。
具备调度接受时隙的双向通讯终端设备(B类):除A类随机的接受窗口外,B类设备还在预定时间打开接受窗口。为使终端设备在预定时间打开接受窗口,它接受网关的一个时间同步信标。这使得服务器知道终端设备什么时候在侦听。
具备最大接受时隙的双向通讯终端设备(C类):C类终端设备几乎是连续地打开接受窗口,仅在发送时关闭。
在这之前,我们通过《从陌生到认识——LoRa技术》知道了LoRa,在这之后,我们或许可以将LoRa技术落地应用。
首先,什么是LoRa网关? 网关功能和大小都和WIFI路由器差不多,它用来接收节点(终端)发射的数据,然后通过互联网把数据转送到LoRa应用服务器。
常用的LoRa网关芯片有:
以 Dragino 网关为例,Dragino LG08 网关使用了一个网关芯片(SX1301),两个射频前端芯片(SX1257),可以同时监听8路+1路LoRa信号,接收灵敏度为 -140dBm,支持LoRaWAN协议标准。
大部分网关的设计都可以同时接收8 路不同射频频率的信号
因为,LoRa网关有8个LoRa信号接收信道,这信道好比马路上的车道,如果马路有八条车道,即可以同时实现八辆车并排通行,如果要求每一种类型的车仅能行驶在固定的车道,那么,八车道的马路同时并排的八辆车必须是不同类型的,LoRa网关也如是,它只能同时接八种不同类的信号(频率和SF不同),如果同一时间有大量节点发射数据,网关的信道被占满后,会放弃其他多余的信号。
LoRa信道冲突是很常见的,所以节点发射信号要有协议规定,例如信号占空比,每个节点每次发射信号占用的时间不能超过规定的时间,否则视为不遵守规则。 网关可以通过硬件设计方式,例如添加节点芯片,实现LBT——listen-before-talk,LBT的作用是监控信道是否被占用,在某些国家(日、韩)是强制要求网关实现这个功能的,因为这些国家面积小,人口又比较多,通信频道容易拥塞,使用LBT能提高信道效率。
网关容量的计算比较复杂,如果终端按每3分钟发射一次数据,数据长度为50B去估算,网关接纳终端的数量是900个左右。
具体要计算网关接纳终端的容量,受很多因素制约,其中至关重要的是通道多址接入控制协议,多址接入协议分类有:
1.固定多址接入,典型的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、 码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。
2.随机多址接入,靠随机数控制,典型的协议有ALOHA, CSMA。
3.基于预约的多址接入,数据发射前先进行通道预约,原理和日常预约挂号差不多。
LoRaWAN一般有8路信道,每路信道是相互独立的,我们只要分析其中一路信道,计算其容量,再乘以8就可以计算出网关的容量。
以Dragino LG08网关的其中一个信道为例进行分析,首先,需要统计网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具(计算公式)计算出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率,并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间,然后进行加权平均和数据处理。
处理方法如下:
很明显LoRa的网关容量是足够大的,物联网节点设备每天的发包率大多数都很低,一个Dragino LG08网关每天可以支持几十万(粗略估算 )条上行数据,计算公式: 。
如果考虑下行数据,上行的数据包总量会有所减少,大概会减少 20%~50%的上行数据容量。
如果使用Dragino的新款网关LIG16(SX1302方案),上述数据容量会明显增大,1302的信道的吞吐量要比1301大 倍。
基本上,LoRaWAN网络的信道容量是足够的,网关布置的关键是要考虑信号的覆盖问题。
LoRa节点芯片亦发展到了第二代,第一代为SX127X系列,第二代为SX126X系列,新产品性能必须要比旧产品性能好,SX126X对比旧版的优势有:
可以通过使用温补晶体或电路开槽的方案解决。
空中飞行时间可以通过公式计算得到:
是单个码元的时间, 是数据包码元总数。
数据包长度值最小是1B,最大长度需要满足国家地区无线电规范。 需要注意的是,每增加1B长度的数据,其空中飞行时间不会连续增加,而是增加一定字节的数据后一次性增加时间。
这是因为数据发射前要经过LoRa芯片的交织编码处理,而交织编码器有一定的容余空间。
例如在 SF = 7 的配置下,交织器的容量是,其中有 是有效载荷, 发送1B~3B的数据都是用5个码元,发送4B数据时,就要10个码元数,而10个码元可以容纳56b(7B)有效载荷。
LoRa通过无线电波传输,无线电波从发射天线发出,沿不同途径和方式到达接收天线,传输到达的距离远近和电波的频率、极化方式、传播的路径等有关。
电波的理想路径是在真空传输,没有阻挡,舒舒服服。
在实际的应用环境中存在各种障碍物,使电波的传播产生反射、绕射和衍射等非理想传输方式,造成距离计算的多样性和复杂性。
无线电波极限距离可以用公式表达为:
弗里斯传输方程是讨论,在自由空间的一个射频发射和接收系统中,发射功率、接收功率与天线增益、传输距离之间的关系。
当发射天线与接收天线的方向系数 都为1时,设发射天线辐射功率 与接收天线的最佳接收功率 的比值为 , 得公式:
D=1时,无方向性发射天线的功率密度:
D=1时,无方向性接收天线的接收面积:
该天线的接收功率为:
于是自由空间传播损耗为:
当电波频率提高一倍或距离增加一倍时,自由空间传播损耗分别增加6dB 。
如果考虑天线增益影响,发射天线增益系数为 , 接收天线为 ,可以导出公式:
这就是弗里斯传输公式 ,它还有很多变形,利用公式可计算收发设备间的最远工作距离 。
电磁波传播过程中存在额外衰减,定义为衰减因子:
相应的衰减损耗为:
A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。
基本传输损耗:
在路径传输损耗 为客观存在的前提下,降低链路传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。
链路预算用来估算信号能成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。
一个系统中链路预算等于其发射机的最大输出功率与接收机最高灵敏度的差值,用dB表示。当系统的链路预算大于路径损耗时,可以实现通信。
接收信号强度(RSSI)常用 表示, 用来判断链接质量,其表达式为:
理论上两颗简单的SX1262芯片就可以实现地球和月球之间的无线通信。
实际应用可以通过增大发射功率或者改善天线架设环境等措施去增加无线传输距离。
LoRa技术的性能大体讨论到这里,更高深的知识还待去学习更新。
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