LoRa Basics技术及应用详解 LoRa Basics与LoRaWAN协议解读

RF/无线

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进入2022年,物联网技术在各行各业越来越普及,LPWAN技术(低功耗广域网,长距离物联网无线通信技术)凭借信号覆盖范围广、占用带宽小、终端连接数量多、功耗低、成本低等优点,在全球市场上赢得较高的普及率。

在全球范围内的多种LPWAN技术中,NB-IoT、LoRa是应用范围最广的两种技术,在未授权频谱技术中,LoRa处于主导地位。LoRa除了具有网络容量大、功耗低、信号穿透能力强、高速移动信号稳定、可定位等特点外,最大优势在于同等功耗条件下无线射频通信距离更远。LoRa可以广泛应用在工业控制、城市管理、电网巡检控制、油气管道监控、农业灌溉、环境监测等领域。

据市场调查网发布的《2022-2027年中国LoRa市场监测调研及行业投资可行性通用研究报告》显示,国内LoRa芯片生产实力不断增强,有利于LoRa产业发展壮大。

同时腾讯、阿里等相继加入LoRa联盟,将扩大LoRa生态圈,这推动了我国LoRa及芯片市场高速增长。2021年,我国LoRa市场规模约为218亿元,预计2022年将增长至283亿元左右,增速达到30%。2021年,我国应用于终端领域的LoRa芯片出货量约为7052亿片,预计2022年将增长至9520亿片,增速达到35%。

LoRa

LoRa

虽然目前国内的LoRa应用非常多,不过现有的LoRaWAN协议不能充分满足市场中的多种需要。尤其是LoRa在国内推动的“自组,安全,可控”的生态,对于LoRa协议的要求越来越多。即使LoRa具有足够的技术优势实现自组网络的要求,目前市场上国内LoRa客户依然具有以下的需求:

架构简单:不希望使用网络服务器

低成本:最好使用终端芯片作为网关

支持终端的通信方式D2D

支持组控和群控

低延迟快速响应

支持下行控制且低功耗

更大的网络容量

而LoRa Basics就是LoRa为了解决这些需求应运而生的。

 

 

LoRa

LoRa Basics就是Semtech Corporation基于LoRaWAN协议推出软件构建模块。

LoRa Basics提取常用的LoRaWAN功能,即所有终端设备、网关或基于LoRaWAN解决方案的开发人员都必须实现的功能,并提供一组与规范兼容的、免费的、可提供支持的开源软件套件。该组构建模块代表了基于LoRaWAN的技术实现的最佳实践。

这样开发人员就可以专注于开发其解决方案,同时以更低的成本、更快的将应用推向市场。LoRa Basics与LoRa联盟(LoRa Alliance)完全兼容,并支持开发人员及企业快速地开发其应用。

LoRa

在软件架构层面,LoRa Basics与LoRaWAN协议基本一致:

LoRa

在设备类别划分上,LoRa Basics与LoRaWAN协议有一些区别:

Class A与LoRaWAN Class A 设备相同:电池供电的传感器开关等;

Class C与LoRaWAN Class C 设备相同:长供电的灯家电等;

Class D与LoRaWAN Class B 相似:用于电池供电且具有下行唤醒功能的设备:如门锁、阀门等(采用异步长前导包唤醒模式);

C could control C/D;A could control C/D;D could control C/D。

LoRa Basics的信道规划,最少需要3个不同的信道(这里的信道指的是不同配置的频点、BW、SF的组合):

F1:上行信道

F2:下行信道

F3:唤醒信道

同时还可以进行信道扩展:

多个网关模块可以支持多个F1

根据工作距离和延迟要求不同可以设置多给F2

根据省电或工作距离要求可以设置多个F3

LoRa

LoRa Basics支持P2P通信,常见的两种控制模式:

通过网关控制(LoRa Basics Station)

直接控制并告知网关(Modem与Modem之间通信)

LoRa Basics支持两种控制模式,不过优先建议使用第二种,原因如下:

在没有网关的时候,该系统依然可以有效进行

具有更低的延迟特性

对上行的信道占用减小,信道容量也会增加

网关的负载减小

可以扩展F2a和F2b,来应对不同的需求,如更低的延迟或更好的覆盖范围,需要通过调整SF或BW实现

LoRa

通过网关通信

LoRa

节点与节点通信

在LoRa Basics中,还有一种比P2P更快捷高效的方案,那就是组控/群控。通过ACK的时隙进行回复和识别确认目标设备。当设备加入群组时,会被分配时隙号,当设备收到群控命令时,根据时隙号*△t进行延迟,再发送ACK。不同的群组,可以根据需求设定不同的信道组合。不仅仅是节点,网关也可以参与组控。

LoRa

下图为Class C的设备群控案例,对于Class D设备的组控是一样的,只是需要增加一个长前导。如果一个设备的ACK丢失,网关或者主控设备会通过P2P的方式进行再次确认。

LoRa

 

LoRa

随着社会智能化、信息化的发展,LoRa的现有技术已经无法满足日新月异的技术更新需求,为了解决层出不穷的客户实际需要,LoRa在LoRa Basics的基础上衍生出了两款平台供客户开发使用。

LoRa Basics Station(网关平台)

LoRa Basics Station是LoRa数据包转发器的实现。LoRa 数据包转发器是在基于 LoRa 的网关(带或不带 GPS)的主机上运行的程序。它通过安全的IP链路将集中器(上行链路)接收到的RF数据包转发到LoRaWAN网络服务器(LNS)。它还将 LNS(下行链路)通过同一安全 IP 发送的射频数据包传输到一个或多个设备。此外,它可以传输用于网络内时间协调设备的信标信号。这些信标可以在整个网络上以GPS同步传输。

相关开发平台有SX1302芯片平台,我们成都亿佰特提供了基于SX1302开发的E106系列模组:

470MHz频段:E106-470G27P2(详细参数,请点击查阅)

868MHz频段:E106-868G27P2(详细参数,请点击查阅)

915MHz频段:E106-915G27P2(详细参数,请点击查阅)

该系列使用Mini PCI-E标准接口封装,方便用户集成到自家网关设备。

LoRa

LoRa Basics Modems(终端节点平台)

LoRa Basics调制解调器产品可以基于LoRa的物联网(IoT)设备与Semtech的LoRa云服务进行通信。LoRa Basics调制解调器是一个开源软件库,它利用2.4GHz频段实现全球互操作性。

LoRa Basics Modem-E提供与Semtech云服务的开箱即用集成,例如用于定位现场设备的地理位置功能。它使用sub-GHz频段,旨在支持欧盟和美国频率的LoRaWAN区域参数。

相关开发平台有LR1110、LR1120芯片平台,是一个集LoRa+GPS+WiFi2.4GHz通信的LoRa Basics Modems开发平台。GPS定位功能和Wi-Fi定位功能,使得用户可以更好的进行资产管理。

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