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【醫(yī)生護(hù)士站主機(jī)系統(tǒng)廠家】LoRa和LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)

2023-10-21 09:24

什么是LoRa?

        LoRa是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的事實上的無線平臺。Semtech的LoRa芯片組將傳感器連接到云,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)和分析的實時通信,可用于提高效率和生產(chǎn)力。LoRa設(shè)備支持智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,解決地球面臨的一些最大挑戰(zhàn):能源管理、自然資源減少、污染控制和基礎(chǔ)設(shè)施效率。

什么是LoRaWAN?

        LoRaWAN開放規(guī)范是一種基于Semtech的LoRa設(shè)備的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)標(biāo)準(zhǔn),利用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段中的未授權(quán)無線電頻譜。該LORAAlliance合作,一個非營利性協(xié)會和快速增長的技術(shù)聯(lián)盟,推動規(guī)范化和LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)全球統(tǒng)一。 

    業(yè)界預(yù)測到2020年物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點(diǎn)達(dá)到500億個,由于耗電和成本等方面的問題,無線節(jié)點(diǎn)中只有不到10%的使用GSM技術(shù)。盡管電信運(yùn)營商具有建設(shè)和管理這樣一個大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最突出的優(yōu)勢,但是需要一個遠(yuǎn)距離、大容量的系統(tǒng)以鞏固在依靠電池供電的無線終端細(xì)分市場——無線傳感網(wǎng)、智能城市、智能電網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、安防設(shè)備和工業(yè)控制等方面的地位。對于物聯(lián)網(wǎng)來說,只有使用一種廣泛的技術(shù),才可能使得電池供電的無線節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到預(yù)計的規(guī)模。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)的一種長距離通信技術(shù),近些年受到越來越多的關(guān)注。

     LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種,是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折中考慮方式,為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、節(jié)點(diǎn)容量大的系統(tǒng),進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前,LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行,包括433MHz.868MHz.915MHz等。

     LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、窄帶低功耗(電池壽命長)、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性,適合各種政府網(wǎng)、專網(wǎng)、專業(yè)網(wǎng)、個人網(wǎng)等各種應(yīng)用靈活部署。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端(可內(nèi)置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(基站)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器四部分組成,如圖3-16所示。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

    傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響傳感網(wǎng)絡(luò)特性的三個主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將影響電池壽命;工作頻段的選擇要折中考慮頻段和系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo);而在FSK系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇將影響傳輸距離和系統(tǒng)需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。LoRa融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù),性能較好。

     前向糾錯編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息,這樣,數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求,且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性,這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個“擴(kuò)展器”中,將每一比特時間劃分為眾多碼片。LoRa抗噪聲能力強(qiáng)。

    LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后,可劃分的范圍為64?4096碼片/比特,最高可使用4096碼片/比特中的最高擴(kuò)頻因子。相對而言,ZigBee僅能劃分的范圍為10?12碼片/比特。通過使用高擴(kuò)頻因子,LoRa技術(shù)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。擴(kuò)頻因子越高,越多數(shù)據(jù)可從噪聲中提取出來。在…個運(yùn)轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)若要可靠地解調(diào)出信號,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa解調(diào)一個信號所需信噪比為一20dB,GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB,這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多。在戶外環(huán)境下,6dB的差距就可以實現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。

物聯(lián)網(wǎng)采用LoRa技術(shù),才能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離,而這種低功耗廣域技術(shù)方向正是未來降低物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本,實現(xiàn)萬物互聯(lián)所必需的。

帶寬與范圍 

LoRaWAN適用于長距離傳輸小尺寸有效載荷(如傳感器數(shù)據(jù))。與其他競爭性無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相比,LoRa調(diào)制以低帶寬提供了更大的通信范圍。下圖顯示了一些可用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)及其預(yù)期傳輸范圍與帶寬的關(guān)系。

為什么LoRaWAN這么好? 
  • 超低功耗-LoRaWAN終端設(shè)備經(jīng)過優(yōu)化,可在低功耗模式下運(yùn)行,使用單個紐扣電池可持續(xù)使用長達(dá)10年。
  • 遠(yuǎn)距離-LoRaWAN網(wǎng)關(guān)可以在農(nóng)村地區(qū)超過10公里的距離內(nèi)傳輸和接收信號,在人口稠密的城市地區(qū)則高達(dá)3公里。
  • 室內(nèi)深度穿透——LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)可以提供室內(nèi)深度覆蓋,輕松覆蓋多層建筑。
  • 免許可頻譜-您無需支付昂貴的頻譜許可費(fèi)用即可部署LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。
  • 地理定位-LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)可以使用三角測量確定終端設(shè)備的位置,而無需GPS。如果至少三個網(wǎng)關(guān)接收到LoRa終端設(shè)備的信號,則可以定位LoRa終端設(shè)備。
  • 高容量-LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器處理來自數(shù)千個網(wǎng)關(guān)的數(shù)百萬條消息。
  • 公共和私有部署-使用相同的硬件(網(wǎng)關(guān)、終端設(shè)備、天線)和軟件(UDP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器、基站軟件、終端設(shè)備的LoRaWAN堆棧)可以輕松部署公共和私有LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。
  • 端到端安全-LoRaWAN使用AES-128加密確保終端設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器之間的安全通信。
  • 無線固件更新-您可以遠(yuǎn)程更新單個終端設(shè)備或終端設(shè)備組的固件(應(yīng)用程序和LoRaWAN堆棧)。
  • 漫游-LoRaWAN終端設(shè)備可以執(zhí)行從一個網(wǎng)絡(luò)到另一個網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。
  • 低成本——最少的基礎(chǔ)設(shè)施、低成本的終端節(jié)點(diǎn)和開源軟件。
  • 認(rèn)證計劃-LoRa聯(lián)盟認(rèn)證計劃對終端設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證,并讓最終用戶確信設(shè)備可靠且符合LoRaWAN規(guī)范。
  • 生態(tài)系統(tǒng)-LoRaWAN擁有非常龐大的設(shè)備制造商、網(wǎng)關(guān)制造商、天線制造商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商和應(yīng)用程序開發(fā)商生態(tài)系統(tǒng)。

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