LPWAN與LoraWAN的關(guān)系 LPWAN的特點(diǎn)

LPWAN或稱LPN，全稱為LowPower Wide Area Network或者LowPower Network，指的是一種無線網(wǎng)絡(luò)。這種無線網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)低功耗與遠(yuǎn)距離，通常用于電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。因?yàn)榈凸呐c低速率的特點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò)與其他用于商業(yè)，個(gè)人數(shù)據(jù)共享的無線網(wǎng)絡(luò)(如WiFi，藍(lán)牙等)有著鮮明的區(qū)別。

應(yīng)用中，LPWAN可使用集中器組建為私有網(wǎng)絡(luò)，也可利用網(wǎng)關(guān)連到公有網(wǎng)絡(luò)上去。

LPWAN因?yàn)楦鶯oRaWAN名字類似，再加上最近的LoRaWAN在IoT領(lǐng)域引起的熱潮，使得不少人對(duì)這兩個(gè)概念有所混淆。事實(shí)上LoRaWAN僅僅是LPWAN的一種，還有幾種類似的技術(shù)在與LoRaWAN進(jìn)行競(jìng)爭。

圖1 LPWAN與其他無線網(wǎng)絡(luò)相比

概括來講，LPWAN具有如下特點(diǎn)：

雙向通信，有應(yīng)答

星形拓?fù)?一般情況下不使用中繼器，也不使用Mesh組網(wǎng)，以求簡潔)

低數(shù)據(jù)速率

低成本

非常長的電池使用時(shí)間

通信距離較遠(yuǎn)

LPWAN適合的應(yīng)用:

IoT，M2M

工業(yè)自動(dòng)化

低功耗應(yīng)用

電池供電的傳感器

智慧城市，智慧農(nóng)業(yè)，抄表，街燈控制等等

同樣是因?yàn)槊诸愃?，不少人將LoRaWAN與LoRa兩個(gè)概念混淆。事實(shí)上LoRaWAN指的是MAC層的組網(wǎng)協(xié)議。而LoRa只是一個(gè)物理層的協(xié)議。雖然現(xiàn)有的LoRaWAN組網(wǎng)基本上都使用LoRa作為物理層，但是LoRaWAN的協(xié)議也列出了在某些頻段也可以使用GFSK作為物理層。從網(wǎng)絡(luò)分層的角度來講，LoRaWAN可以使用任何物理層的協(xié)議，LoRa也可以作為其他組網(wǎng)技術(shù)的物理層。事實(shí)上有幾種與LoRaWAN競(jìng)爭的技術(shù)在物理層也采用了LoRa。

圖2 LoraWAN網(wǎng)絡(luò)分層(圖中物理層使用Lora,但是要注意物理層與MAC層獨(dú)立,至于無線頻段,圖中使用的ISM頻段,但從技術(shù)角度來講也可使用其他任何頻段)

LoraWAN的主要競(jìng)爭技術(shù)    

市場(chǎng)上存在多個(gè)同樣使用LoRa作為物理層的LPWAN技術(shù)，例如深圳艾森智能（AISenz Inc.）的aiCast。aiCast支持單播、多播和組播，比LoRaWAN更加復(fù)雜完備。許多LoRaWAN下不可能的應(yīng)用因此可以實(shí)現(xiàn)。

Sigfox使用慢速率的BPSK(300bps)，也有一些較有前景的應(yīng)用案例。

NB-IoT(Narrow Band-IoT)是電信業(yè)基于現(xiàn)有移動(dòng)通信技術(shù)的IoT網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是使用現(xiàn)有的蜂窩通信硬件與頻段。不管是電信商還是硬件商，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)熱情很高。

LoRaWAN的核心技術(shù)是LoRa。LoRa是一種Semtech的私有調(diào)制技術(shù)(2012收購CycleoSAS公司得來)。為了便于不熟悉數(shù)字通信技術(shù)的讀者理解，先介紹兩個(gè)常見的調(diào)制技術(shù)FSK與OOK。選用這兩個(gè)調(diào)制方式是因?yàn)椋?/p>

1.這兩個(gè)是最簡單、最基礎(chǔ)、最常見的數(shù)字通信調(diào)制方式

2.在Semtech的SX127x芯片上與LoRa同時(shí)被支持，尤其是FSK經(jīng)常被用來與LoRa比較性能。

OOK

OOK全稱為On-Off Keying。核心思想是用有載波表示一個(gè)二進(jìn)制值(一般是1，也可能反向表示0)，無載波表示另外一個(gè)二進(jìn)制值(正向是0，反向是1)。

圖3 OOK時(shí)域波形

在0與1切換時(shí)也會(huì)插入一個(gè)比較短的空的無載波間隔，可以為多徑延遲增加一點(diǎn)冗余以便接收端解調(diào)。OOK對(duì)于低功耗的無線應(yīng)用很有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹挥脗鬏敶蠹s一半的載波，其余時(shí)間可以關(guān)掉載波以省功耗。缺點(diǎn)是抗噪音性能較差。

FSK

FSK全稱為Frequency Shift Keying。LoRaWAN協(xié)議也在某些頻段寫明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用兩種頻率的載波分別表示1與0。只要兩種頻率相差足夠大，接收端用簡單的濾波器即可完成解調(diào)。

圖4 FSK時(shí)域波形

對(duì)于發(fā)送端，簡單的做法就是做兩個(gè)頻率發(fā)生器，一個(gè)頻率在Fmark，另一個(gè)頻率在Fspace。用基帶信號(hào)的1與0控制輸出即可完成FSK調(diào)制。但這樣的實(shí)現(xiàn)中，兩個(gè)頻率源的相位通常不同步，而導(dǎo)致0與1切換時(shí)產(chǎn)生不連續(xù)，最終對(duì)接收器來講會(huì)產(chǎn)生額外的干擾。實(shí)際的FSK系統(tǒng)通常只使用一個(gè)頻率源，在0與1切換時(shí)控制頻率源發(fā)生偏移。

GFSK是基帶信號(hào)進(jìn)入調(diào)制前加一個(gè)高斯(Gaussian)窗口，使得頻率的偏移更加平滑。目的是減少邊帶(Sideband)頻率的功率，以降低對(duì)相鄰頻段的干擾。代價(jià)是增加了碼間干擾。