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分享 | 如何選擇LoRa產品?

18年08月02日     成都億佰特

[導讀]現在,國內很多企業和高校,掀起建設LoRa物聯網的高潮。如何選擇最合適的LoRa產品,成為物聯網的頂層設計……

LoRa以其“長距離,低功耗”的優勢,成為物聯網通信技術的后起之秀。LoRaWAN以其明顯的優勢:大容量、全球統一的標準、免費頻段、低成本與靈活性,和WiFi一樣,成為“私有物聯網”的首要選擇(NB-IoT,和GPRS一樣,是“公有物聯網”的方案)。現在,國內很多企業和高校,掀起建設LoRa物聯網的高潮。如何選擇最合適的LoRa產品,成為物聯網的頂層設計。為此,我們一起探討。

1.建設要素

需求,是項目的源頭!同理,建設一個物聯網,首先需要規劃以下需求:

1.1 距離

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因為長距離的特性,LoRa物聯網的主流是“星型網絡”,這意味著,距離是指:最遠的節點與網關之間的通信距離,如上圖所示。

在“發射功率+通信速率+天線”相同的條件下,LoRa的通信距離嚴重依賴于地形和環境,如:高空氣象氣球通信達到40km;2個山頭或鐵塔通信達到15km,較空曠地區通信達到5km…因為無線通信環境各異,只能以“空曠視距”為基準;其他環境,以實測為準。

如果通信距離不夠,怎么辦?一般有3個方法:

降低通信速率,可以提高接收靈敏度;

更換高增益天線,調整天線的方向;

增加網關,有效地覆蓋信號盲區。

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LinkLabs公司,公布了一個計算LoRa網絡距離的方法,如上圖所示,它非常有趣,拖動左邊的一些變量,右邊會自動計算有效通信距離。

該方法的鏈接是:https://www.link-labs.com/symphony

1.2 規模

規模是“節點數目”的通俗說法,這是一個容易統計的變量。

1.3 帶寬

此處的帶寬,更通俗的名稱是“網絡吞吐量”的需求,它的單位是“比特每秒”。

如:100個節點,每個節點,每60秒上報37字節,因為LoRaWAN協議一般需要添加13字節的“元數據”(幀頭和檢驗),那么需要的“帶寬”為:

(37 + 13) x 8 bit / 60 s x 100 = 667 bps

1.4 功耗

如果終端和傳感器(或致動器)由電池供電,那么節能將是一個重要的指標。

得益于LoRaWANClass A的“無同步”特性,終端的節能十分優異。

一般地,能耗是由“模式+電流+時長”來計算。

以銳米通信的LoRaWANNode為例,它在不同工作模式,功耗如下:

休眠=1.6uA,偵聽=13mA,發射(17dBm)=88mA。

設一LoRaWAN終端,大約10分鐘發送一次數據幀,約1000ms;按協議,發送完畢后,1秒內能喚醒,偵聽時長為160ms,接收時長為1000ms;其他時間都處于Sleep休眠。以10分鐘(600秒)為單位,能耗如下:

發送:1000ms *88mA = 88mA.s

接收:1160ms *13mA = 15.08mA.s

休眠:(600 – 1 -1.16)s* 1.6uA = 0.96mA.s

平均功耗:(88 +15.08 + 0.96)mA.s / 600s = 0.17mA

2節AA電池(南孚或雙鹿)總電能約為2400mAH,能工作的時間為:2400mAH / 0.17mA = 14118H =1.6年。

1.5 拓撲

當網絡節點的規模增大后,這需要更多的網關來支撐,這會把“多個星型”網絡級聯,詳細請參考下文的“中/大型LoRaWAN”。

1.6 成本

成本是一個比較復雜的話題,它除了有形成本(采購設備,部署施工等),還有無形成本(開發調試,技術支持等)。

計算成本一個簡單的方法是,把一個LoRa物聯網所有費用(有形成本+無形成本),除以節點的數目,可以得到“單點建設費用”。

LoRa物聯網成本有2個基本原則:

量大從優  :這是市場經濟的基本道理,不解釋。

行業成熟度:行業前期較高,因為成本(研發/制造/營銷/支持等)沒有被“攤薄”。

2.點對點(單細胞動物)

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LoRa點對點系統在現實中有少量的應用場景,如:使用手持機“點名”抄能源表計(電/水/氣/熱表計),遠程控制閥門等。當然,它的局限性是很明顯的:

1. 沒有避免沖突機制:沒有LBT(ListenBefore Talk)機制,如果2個或多個節點同時發送,無線電信號將受損,導致通信失敗;

2. 接收節點無法低功耗:接收節點必須隨時等待發送節點的信號,無法休眠;

3. 無法自動組網:解決不了避免沖突和低功耗偵聽,組網也就成了空中樓閣。

3.TDMA(魚類時代)

如果組網的需求,符合以下條件,那么可以使用LoRa-TDMA系統。

1)節點數目較少;

2)上報和下發通信具有定時規律;

3)對帶寬的要求很低。

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LoRa-TDMA的優點是:低成本實現小規模組網。

同時,它的缺點也明顯:網絡容量有限,延時隨節點數目線性增長。如下圖所示,當N=10時,某節點需要等待(10 x slot)時長,才允許上報;當N=100時,則需要等待(100 x slot)時長,才允許上報。

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4.小型LoRaWAN(恐龍時代)

如果節點數目較少,但是對實時性和吞吐量有要求,那么選擇小型LoRaWAN是一個合適的方案。

它的優點是:8通道,允許同時 8個節點上報;標準統一,各廠商的設備可以互連互通。

仔細觀察下圖,會發現:LoRaWAN架構中,總是有LoRaWAN Server的存在。它帶來了復雜性,盡管使用云服務器,也只能有限地降低復雜性。

小型LoRaWAN:Server本地化

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小型LoRaWAN:Server云

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5.中型LoRaWAN(哺乳動物)

當需要提高“實時性”或“網絡容量”時,增加LoRaWAN網關,是一個不錯的選擇。

如下圖所示,在一個LoRaWAN網絡中,增加一個或多個網關,這不會帶來任何沖突。因為,它只有一個“大腦”—LoRaWAN Server,它會執行如下“聰明”的邏輯:

上報去冗余:如果一個數據包,被多個網關接收,Server會根據ID和FCnt識別這個“重復”數據包,只接收其中一個副本。

下發選網關:Server總是挑選合適的網關(往往是“信號強度最佳“),讓它發射下行數據幀。

中型LoRaWAN:Server本地化

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中型LoRaWAN:Server云

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6.   大型LoRaWAN(現代人類)

LoRaWAN的初衷--為地區和國家乃至全球提供“電信級”的物聯網,這是一個雄心勃勃的計劃。

如下圖所示,借助3G/4G技術,將眾多的LoRaWAN網關接入Server;CustomerServer提供海量存儲和智能計算;為授權終端(PC,智能手機,平板等)提供便捷的數據訪問和交互。

目前,LoRa與NB-IoT(中國)、eMTC(美國)、SigFox(法國)等電信級方案存在強烈競爭;同時,它為“大規模物聯網”建設提供了有價值的方案。

大型LoRaWAN:Server本地化

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大型LoRaWAN:Server云

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