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
 
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
FSK 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
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