|
LoRa以其“長距離，低功耗”的優(yōu)勢，成為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的后起之秀。LoRaWAN以其明顯的優(yōu)勢：大容量、全球統(tǒng)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(lián)網(wǎng)”的首要選擇（NB-IoT，和GPRS一樣，是“公有物聯(lián)網(wǎng)”的方案）。現(xiàn)在，國內(nèi)很多企業(yè)和高校，掀起建設(shè)LoRa物聯(lián)網(wǎng)的高潮。如何選擇最合適的LoRa產(chǎn)品，成為物聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計。為此，我們一起探討。 1.建設(shè)要素需求，是項目的源頭！同理，建設(shè)一個物聯(lián)網(wǎng)，首先需要規(guī)劃以下需求： 1.1 距離 因為長距離的特性，LoRa物聯(lián)網(wǎng)的主流是“星型網(wǎng)絡(luò)”，這意味著，距離是指：最遠的節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的通信距離，如上圖所示。 在“發(fā)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(huán)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(qū)通信達到5km…因為無線通信環(huán)境各異，只能以“空曠視距”為基準；其他環(huán)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(diào)整天線的方向； 增加網(wǎng)關(guān)，有效地覆蓋信號盲區(qū)。  LinkLabs公司，公布了一個計算LoRa網(wǎng)絡(luò)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(guī)模規(guī)模是“節(jié)點數(shù)目”的通俗說法，這是一個容易統(tǒng)計的變量。 1.3 帶寬此處的帶寬，更通俗的名稱是“網(wǎng)絡(luò)吞吐量”的需求，它的單位是“比特每秒”。 如：100個節(jié)點，每個節(jié)點，每60秒上報37字節(jié)，因為LoRaWAN協(xié)議一般需要添加13字節(jié)的“元數(shù)據(jù)”（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(jié)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(jié)能十分優(yōu)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(fā)射（17dBm）=88mA。 設(shè)一LoRaWAN終端，大約10分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，約1000ms；按協(xié)議，發(fā)送完畢后，1秒內(nèi)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(fā)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(jié)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的規(guī)模增大后，這需要更多的網(wǎng)關(guān)來支撐，這會把“多個星型”網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，詳細請參考下文的“中/大型LoRaWAN”。 1.6 成本成本是一個比較復(fù)雜的話題，它除了有形成本（采購設(shè)備，部署施工等），還有無形成本（開發(fā)調(diào)試，技術(shù)支持等）。 計算成本一個簡單的方法是，把一個LoRa物聯(lián)網(wǎng)所有費用（有形成本+無形成本），除以節(jié)點的數(shù)目，可以得到“單點建設(shè)費用”。 LoRa物聯(lián)網(wǎng)成本有2個基本原則： 量大從優(yōu) ：這是市場經(jīng)濟的基本道理，不解釋。 行業(yè)成熟度：行業(yè)前期較高，因為成本（研發(fā)/制造/營銷/支持等）沒有被“攤薄”。 2.點對點（單細胞動物） LoRa點對點系統(tǒng)在現(xiàn)實中有少量的應(yīng)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(jié)點同時發(fā)送，無線電信號將受損，導(dǎo)致通信失敗； 2. 接收節(jié)點無法低功耗：接收節(jié)點必須隨時等待發(fā)送節(jié)點的信號，無法休眠； 3. 無法自動組網(wǎng)：解決不了避免沖突和低功耗偵聽，組網(wǎng)也就成了空中樓閣。 3.TDMA（魚類時代）如果組網(wǎng)的需求，符合以下條件，那么可以使用LoRa-TDMA系統(tǒng)。 1）節(jié)點數(shù)目較少； 2）上報和下發(fā)通信具有定時規(guī)律； 3）對帶寬的要求很低。 LoRa-TDMA的優(yōu)點是：低成本實現(xiàn)小規(guī)模組網(wǎng)。 同時，它的缺點也明顯：網(wǎng)絡(luò)容量有限，延時隨節(jié)點數(shù)目線性增長。如下圖所示，當N=10時，某節(jié)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。 4.小型LoRaWAN（恐龍時代） 如果節(jié)點數(shù)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(yōu)點是：8通道，允許同時 8個節(jié)點上報；標準統(tǒng)一，各廠商的設(shè)備可以互連互通。 仔細觀察下圖，會發(fā)現(xiàn)：LoRaWAN架構(gòu)中，總是有LoRaWAN Server的存在。它帶來了復(fù)雜性，盡管使用云服務(wù)器，也只能有限地降低復(fù)雜性。 小型LoRaWAN：Server本地化 小型LoRaWAN：Server云 當需要提高“實時性”或“網(wǎng)絡(luò)容量”時，增加LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，是一個不錯的選擇。 如下圖所示，在一個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，增加一個或多個網(wǎng)關(guān)，這不會帶來任何沖突。因為，它只有一個“大腦”—LoRaWAN Server，它會執(zhí)行如下“聰明”的邏輯： 上報去冗余：如果一個數(shù)據(jù)包，被多個網(wǎng)關(guān)接收，Server會根據(jù)ID和FCnt識別這個“重復(fù)”數(shù)據(jù)包，只接收其中一個副本。 下發(fā)選網(wǎng)關(guān)：Server總是挑選合適的網(wǎng)關(guān)（往往是“信號強度最佳“），讓它發(fā)射下行數(shù)據(jù)幀。 中型LoRaWAN：Server本地化 中型LoRaWAN：Server云 LoRaWAN的初衷--為地區(qū)和國家乃至全球提供“電信級”的物聯(lián)網(wǎng)，這是一個雄心勃勃的計劃。 如下圖所示，借助3G/4G技術(shù)，將眾多的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)接入Server；CustomerServer提供海量存儲和智能計算；為授權(quán)終端（PC，智能手機，平板等）提供便捷的數(shù)據(jù)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(guī)模物聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)提供了有價值的方案。 大型LoRaWAN：Server本地化 大型LoRaWAN：Server云 |
