LoRaWAN 基础知识与关键技术

yesdayoncemore · 发表于 2017-7-21 21:59:02

LPWAN与LoRaWAN的关系

LPWAN或称LPN，全称为Low Power 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：

这两个是最简单、最基础、最常见的数字通信调制方式
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:

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。
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: