在當代物聯網組網場景中,隨著傳感器網絡規模的不斷擴大與入網設備數量的持續增長,信道擁擠、信道干擾與信號失真等現象已愈發凸顯,且同一場景下往往還存在著多種通信速率需求,傳統通信技術已越來越難以支撐規?;奈锫摼W組網需求,因此在綜合考慮建設成本、運行功耗、傳輸距離與網絡容量等因素下,LPWAN(低功耗廣域網)技術應運而生。

LoRaWAN的通信協議棧
其中,LoRaWAN作為LPWAN 技術的典型代表,在物理層中采用了線性調頻擴頻調制技術 CSS(Chirp Spread Spectrum),用以進行可靠的低功耗無線通信,在眾多物聯網場景中展現出了巨大的應用潛力,是應對當前物聯網規模化組網通信困境的有效解決方案之一。
LoRaWAN 協議,物聯網無線通信的“潛力股”
關于LoRaWAN所采用的 CSS 技術,其原理為將數據信號在頻域上進行擴展,可簡單理解為將一個數據信號分為多個部分(信號擴展),而后將其分布在不同頻率中進行傳輸。
CSS 技術不僅能有效提升信號的抗干擾能力,且即使在傳輸過程中有部分信號受到干擾,接收端也能通過其他部分的信號還原出完整的數據信號,具備在低信噪比環境中實現穩定通信的能力。

擴頻因子簡示圖
LoRaWAN所傳輸的數據信號主要攜帶在不同的 chirp(線性調頻)信號中,chirp信號指頻率線性增加/降低的無線信號,而不同擴頻因子(SF6~SF12)可表示不同chirp信號中可進行數據傳輸的比特量。
如上圖所示,在帶寬、頻率、發射功率、編碼率和傳輸數據量相同條件下,擴頻因子越大,則其數據進行傳輸的時間越長,因此數據傳輸率越低,但擴頻因子越大同時也意味著數據傳輸更可靠,數據傳輸距離更遠,數據傳輸所需的信噪比更低。在相同帶寬下,擴頻因子SF6的數據率最高,擴頻因子SF12 的數據率最低。

LoRaWAN還可調制信道帶寬,通常而言,增大帶寬可增加數據傳輸速率,但會犧牲部分接收靈敏度。目前LoRaWAN最低可支持調至7.8kHz,低于62.5kHz必須要使用TCXO以確保精度,在中國大陸,LoRaWAN常用的信道帶寬為125KHz、250KHz和500KHz。

擴頻因子12所對應的其他通信參數
值得一提的是,由于LoRa信號可在不同擴頻因子中進行傳輸(SF6~SF12),且不同擴頻因子還可以使用相同的信道(不同的擴頻序列之間是正交的,因此頻率可以復用),因此LoRaWAN協議可靈活適應不同速率與不同傳輸距離的物聯網組網需求。
從成本角度上看,由于 LoRa 技術的廣泛應用,LoRaWAN 終端設備和LoRaWAN網關的價格已較為親民。
同時,由于 LoRa 技術使用的是免費的非授權頻段(ISM頻段:433MHz、868MHz、915MHz 與2.4GHz),且其只需少量的網關就可實現較大范圍的部署規模,網絡建設成本較低。
而在維護方面,由于LoRa模塊具有深度休眠和喚醒功能,可在不通信時進入休眠模式,因此其電池更換頻率低,維護成本也相對較低。
LoRaWAN 協議,精準賦能物聯網
憑借著遠距離通信、低功耗、低成本與強抗干擾能力等顯著優勢,LoRa 技術已被廣泛應用在工業自動化、智慧城市、智慧農業與智慧物流等多個領域中,為各行業的數字化與智能化發展提供了有力支持。

LoRaWAN 協議應用在工業領域中的優勢 圖源:LoRa聯盟官網
LoRaWAN的網絡架構采用星型拓撲結構,其中網關在終端設備與中央網絡服務器之間進行消息中繼。網關通過標準IP連接進行通信,其核心功能是將射頻數據包與IP數據包進行雙向轉換。
憑借LoRa物理層的遠距離傳輸特性,終端設備與網關之間僅需單跳鏈路即可實現通信。該系統支持雙向數據傳輸,并具備組播尋址功能,這使得在固件無線升級(FOTA)等操作中能夠實現高效的頻譜利用率。

LoRaWAN 網絡架構簡示圖 圖源:LoRa聯盟官網
此外,LoRaWAN協議中還定義了LoRaWAN終端設備的三種工作模式,它們分別是Class A、Class B與Class C,這三種工作模式基本覆蓋了物聯網所有的應用場景。
其中,Class A模式為雙向異步通信,上行傳輸后開啟2個短暫下行窗口接收響應,功耗最低。
Class B模式主要通過Beacon同步時間,額外開放預定義接收窗口,平衡通信延遲與功耗。Class C模式則持續監聽下行鏈路,延遲最低但功耗最高,適用于緊急控制場景。

LoRaWAN 終端設備的三種工作模式
例如,RFM6601就是一款用于構建LoRa網絡的低功耗LoRa模塊,其采用了先進的數?;旌显O計,基于獨創自適應速率算法,可高效連接物聯網并延長LoRaWAN設備的使用壽命,并已通過FCC認證。
RFM6601具有低功耗,高靈敏度,遠距離通信,高性價比等優點,同時能夠提供豐富的外設功能,包括多個通用GPIO,32.768 KHz外部晶體振蕩器,信道偵聽,高精度RSSI,以及12位高速ADC及DAC等。

展望未來,隨著物聯網技術的不斷進步,LoRa 技術也將會不斷完善與創新,其數據通信速率、網絡容量等性能指標有望得到進一步提升,以滿足不斷增長的物聯網應用需求。我們相信,LoRa技術在未來將會繼續推動工業系統的創新和發展,為用戶提供更加智能、便捷、舒適的使用體驗。
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