5 物联网通信 5.3 低功耗广域网通信技术-LoRa

5.物联网通信物联网概论主讲教师：15.物联网通信5.25.1短距离通信技术5.3低功耗广域网通信技术长距离通信技术现有移动通信技术@物联网：痛点分析应用需求：通信覆盖物联网设备被部署于复杂的建筑环境或者人员稀少的地方，传统无线技术难以穿透或者抵达。应用需求：电力供应很多物联网应用场景（比如地磁传感器、自来水表）缺乏持续供电的条件。技术现实：长距离与低功耗的矛盾在长距离和低功耗之间，存在矛盾，不可兼得。短距离无线电技术不支持长距离传输。蜂窝通信技术可以提供更大的覆盖范围，但消耗了过多的设备能量。3物联网对网络连接性的需求终端设备：低功耗、能量自给灾情防控智慧农业…网络及终端：低成本部署终端模块：5美金以下现有网络基础设施简单升级，尽量避免或减少大规模新硬件部署4支持增强覆盖、广覆盖位于建筑物的地下室、混凝土墙后、以及电梯内部等复杂室内环境的智能电表位于人迹罕至处的智慧农业传感器、灾害监控传感器等支持海量设备连接终端设备数量：呈指数级增长终端设备部署密度：未必均匀物联网应用需求推动LPWAN出现LPWAN，是指专门为解决物联网应用中出现的低功耗、远距离（广域连接）、海量连接场景而诞生的物联网通信技术。123Low-PowerWide-AreaNetwork远距离农村地区提供长达10-40公里的远程通信，城市地区提供1-5公里的远程通信。高能效电池寿命10年以上。低成本无线芯片组成本低于2欧元，单台设备每年的运行成本约为1欧元。5速率vs距离：无线技术对比示意6LPWAN非常适合于仅需要在远程传输少量数据的物联网应用。主流LPWAN技术（标准尚未固定）非授权频段LoRaSigfox授权频段NB-IoT7LPWAN技术——LoRaLoRa：由法国初创公司Cycleo在2009年开发的专网LPWAN系统，并于三年后由美国的Semtech公司收购，是基于非授权频谱的广域网通信技术，需单独建立基站。工作频段：433/470/868/915MHz传输速率：几百到几十kbps。LoRa吸引了不少移动运营商如法国Bouygues和Orange、荷兰KPN以及南非的FastNet等的投资。2015年，LoRa被LoRa联盟标准化。Now：143家LoRa运营商@161个国家。2016年，中国LoRa应用联盟成立，国内LoRa网络部署全面开展。8LoRa的技术特征与优势（1-3）使用未授权ISM频段欧洲@868MHz北美@915MHz亚洲@433MHz9支持双向通信Chirp扩频调制有与传统频移键控（FSK）调制方式相同的低功耗特性，能显著增加通信范围。可以将窄带信号传播到更宽的信道带宽上。产生的信号具有低噪声水平，具有较高的抗干扰能力，并且难以检测或干扰。扩展因子：SF7-SF12扩展因子越高，距离越长，数据传输速率越低，反之亦然。根据扩展因子和信道带宽，LoRa数据速率介于300bps和50kbps之间。使用不同扩展因子传输的信息可以同时被LoRa基站接收。每条消息的最大有效负载长度为243字节。LoRa的技术特征与优势（4-5）广域覆盖一个单一LoRa网关或基站可以覆盖数百平方公里。10海量连接单个Lora网关或基站理论可以支持5万到10万台设备在线连接。实际可以支持的设备数量则与设备发送数据包的频次、数据包大小、扩展因子、无线网络环境、平台处理能力等因素相关，也与LoRa网关的类型、网关提供的信道数量等有关，需要综合考虑。覆盖比利时的LoRaProximus网络11LoRaWAN：基于LoRa设计的一套通讯协议和系统架构。12LoRaWAN协议栈：由LoRa联盟负责标准化和维护工作LoRaWAN：远距离星型组网13LoRaWAN：冗余式消息接收机制14终端设备发送的每一条信息都被该范围内的所有基站接收。提高了成功接收消息的比率。（这一功能的实现要求在终端设备附近建设多个基站，这可能会增加网络部署成本。）可以利用同一消息的多次接收来定位终端设备。（采用基于到达时差（TimeDifferenceofArrival,TDOA）的定位技术，要求多个基站之间有非常精确的时间同步。）避免移动中的网关（或基站）切换。LoRaWAN：异步通信机制蜂窝网络：节点需要频繁被“唤醒”，以保证与网络的同步并检查消息。这样的同步机制会消耗可观的能量，也是电池寿命缩短的重要原因。LoRaWAN：异步通信机制支持网络实现低功耗运行：通信是异步进行的，即，节点只在准备好发送数据时通信，不论这种通信是事件驱动还是预先调度好的，避免节点被频繁唤醒。15LoRaWAN：

自适应数据速率/多通道多调制收发——实现大网络容量影响网络容量的关键因素：并发信道的数量、空口数据传输速率、有效载荷长度以及节点发送频率。Chirp扩频调制方式：使用不同的扩展因子（SF）确保信号彼此正交。SF的变化会改变有效数据传输速率。LoRa网关充分利用这一点，实现同一时间在同一信道上接收来自多个节点的不同数据速率的信息，还会根据终端节点和网关之间链路情况的好坏，自适应地调整数据速率。自适应数据速率调整：优化节点功耗，延长电池寿命。部署LoRa网络的策略：可以先以尽量少的基础设施实现，并在扩展网络容量的需要出现时，通过添加更多网关实现网络容量扩增6到8倍。如此，LoRaWAN网络实现了大容量，以及较好的伸缩性。16LoRaWAN的设备的类型17设备分类设备操作设备特征及适用的应用A类终端允许双向通信，调度基于终端设备的通信需求，上行传输后跟随两个短的下行接收窗口。来自服务器的下行通信只是发生在下一个被调度的上行通信之后是功耗最低的设备类型，比如以电池驱动、用于数据收集的传感器。适用于只在终端设备上行传输发生不久后需要从服务器处获取下行通信的应用B类终端允许双向通信，除参照A类操作外，还会在预定时间打开额外的下行接收窗口。为此，终端设备会从网关接收时间同步信标，以便服务器知道终端设备何时在监听功耗较低的设备类型，比如以电池驱动、接收下行指令做出操作的执行器。适用于对下行通信可容忍一定延迟的应用C类终端允许双向通信，除非做上行发送外，几乎始终连续地打开下行接收窗口，用于接收的时隙是最多的功耗相对较大的设备类型，能够持续收听，下行通信无延迟LoRa基站（网关）的类型通信方式应用场景遵循标准室内型室外型全双工半双工完全符合LoRaWAN不完全符合LoRaWAN对一些具体的项目、特别是来自企业的私网需求，LoRa私有协议比LoRaWAN更加的灵活，成本更低。18LoRa适合的物联网应用：远距离/低数据量/长久运行/电池供电设备数据采集系统位置相对固定、密度相对集中无线抄表（电、水、气、热等）缓慢变化物理量（温