分享 | 如何选择LoRa产品?
智能家居

分享 | 如何选择LoRa产品?

2018年08月02日     成都亿佰特

[导读]现在,国内很多企业和高校,掀起建设LoRa物联网的高潮。如何选择最合适的LoRa产品,成为物联网的顶层设计……

LoRa以其“长距离,低功耗”的优势,成为物联网通信技术的后起之秀。LoRaWAN以其明显的优势:大容量、全球统一的标准、免费频段、低成本与灵活性,和WiFi一样,成为“私有物联网”的首要选择(NB-IoT,和GPRS一样,是“公有物联网”的方案)。现在,国内很多企业和高校,掀起建设LoRa物联网的高潮。如何选择最合适的LoRa产品,成为物联网的顶层设计。为此,我们一起探讨。

1.建设要素

需求,是项目的源头!同理,建设一个物联网,首先需要规划以下需求:

1.1 距离

1

因为长距离的特性,LoRa物联网的主流是“星型网络”,这意味着,距离是指:最远的节点与网关之间的通信距离,如上图所示。

在“发射功率+通信速率+天线”相同的条件下,LoRa的通信距离严重依赖于地形和环境,如:高空气象气球通信达到40km;2个山头或铁塔通信达到15km,较空旷地区通信达到5km…因为无线通信环境各异,只能以“空旷视距”为基准;其他环境,以实测为准。

如果通信距离不够,怎么办?一般有3个方法:

降低通信速率,可以提高接收灵敏度;

更换高增益天线,调整天线的方向;

增加网关,有效地覆盖信号盲区。

2

LinkLabs公司,公布了一个计算LoRa网络距离的方法,如上图所示,它非常有趣,拖动左边的一些变量,右边会自动计算有效通信距离。

该方法的链接是:https://www.link-labs.com/symphony

1.2 规模

规模是“节点数目”的通俗说法,这是一个容易统计的变量。

1.3 带宽

此处的带宽,更通俗的名称是“网络吞吐量”的需求,它的单位是“比特每秒”。

如:100个节点,每个节点,每60秒上报37字节,因为LoRaWAN协议一般需要添加13字节的“元数据”(帧头和检验),那么需要的“带宽”为:

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

1.4 功耗

如果终端和传感器(或致动器)由电池供电,那么节能将是一个重要的指标。

得益于LoRaWANClass A的“无同步”特性,终端的节能十分优异。

一般地,能耗是由“模式+电流+时长”来计算。

以锐米通信的LoRaWANNode为例,它在不同工作模式,功耗如下:

休眠=1.6uA,侦听=13mA,发射(17dBm)=88mA。

设一LoRaWAN终端,大约10分钟发送一次数据帧,约1000ms;按协议,发送完毕后,1秒内能唤醒,侦听时长为160ms,接收时长为1000ms;其他时间都处于Sleep休眠。以10分钟(600秒)为单位,能耗如下:

发送: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节AA电池(南孚或双鹿)总电能约为2400mAH,能工作的时间为:2400mAH / 0.17mA = 14118H =1.6年。

1.5 拓扑

当网络节点的规模增大后,这需要更多的网关来支撑,这会把“多个星型”网络级联,详细请参考下文的“中/大型LoRaWAN”。

1.6 成本

成本是一个比较复杂的话题,它除了有形成本(采购设备,部署施工等),还有无形成本(开发调试,技术支持等)。

计算成本一个简单的方法是,把一个LoRa物联网所有费用(有形成本+无形成本),除以节点的数目,可以得到“单点建设费用”。

LoRa物联网成本有2个基本原则:

量大从优  :这是市场经济的基本道理,不解释。

行业成熟度:行业前期较高,因为成本(研发/制造/营销/支持等)没有被“摊薄”。

2.点对点(单细胞动物)

3

LoRa点对点系统在现实中有少量的应用场景,如:使用手持机“点名”抄能源表计(电/水/气/热表计),远程控制阀门等。当然,它的局限性是很明显的:

1. 没有避免冲突机制:没有LBT(ListenBefore Talk)机制,如果2个或多个节点同时发送,无线电信号将受损,导致通信失败;

2. 接收节点无法低功耗:接收节点必须随时等待发送节点的信号,无法休眠;

3. 无法自动组网:解决不了避免冲突和低功耗侦听,组网也就成了空中楼阁。

3.TDMA(鱼类时代)

如果组网的需求,符合以下条件,那么可以使用LoRa-TDMA系统。

1)节点数目较少;

2)上报和下发通信具有定时规律;

3)对带宽的要求很低。

4

LoRa-TDMA的优点是:低成本实现小规模组网。

同时,它的缺点也明显:网络容量有限,延时随节点数目线性增长。如下图所示,当N=10时,某节点需要等待(10 x slot)时长,才允许上报;当N=100时,则需要等待(100 x slot)时长,才允许上报。

5

4.小型LoRaWAN(恐龙时代)

如果节点数目较少,但是对实时性和吞吐量有要求,那么选择小型LoRaWAN是一个合适的方案。

它的优点是:8通道,允许同时 8个节点上报;标准统一,各厂商的设备可以互连互通。

仔细观察下图,会发现:LoRaWAN架构中,总是有LoRaWAN Server的存在。它带来了复杂性,尽管使用云服务器,也只能有限地降低复杂性。

小型LoRaWAN:Server本地化

6

小型LoRaWAN:Server云

7

5.中型LoRaWAN(哺乳动物)

当需要提高“实时性”或“网络容量”时,增加LoRaWAN网关,是一个不错的选择。

如下图所示,在一个LoRaWAN网络中,增加一个或多个网关,这不会带来任何冲突。因为,它只有一个“大脑”—LoRaWAN Server,它会执行如下“聪明”的逻辑:

上报去冗余:如果一个数据包,被多个网关接收,Server会根据ID和FCnt识别这个“重复”数据包,只接收其中一个副本。

下发选网关:Server总是挑选合适的网关(往往是“信号强度最佳“),让它发射下行数据帧。

中型LoRaWAN:Server本地化

8

中型LoRaWAN:Server云

9

6.   大型LoRaWAN(现代人类)

LoRaWAN的初衷--为地区和国家乃至全球提供“电信级”的物联网,这是一个雄心勃勃的计划。

如下图所示,借助3G/4G技术,将众多的LoRaWAN网关接入Server;CustomerServer提供海量存储和智能计算;为授权终端(PC,智能手机,平板等)提供便捷的数据访问和交互。

目前,LoRa与NB-IoT(中国)、eMTC(美国)、SigFox(法国)等电信级方案存在强烈竞争;同时,它为“大规模物联网”建设提供了有价值的方案。

大型LoRaWAN:Server本地化

10

大型LoRaWAN:Server云

11

声明:凡注明为其它来源的信息均转自其它平台,目的在于传递更多信息,并不代表本站观点及立场和对其真实性负责。若有侵权或异议请联系我们删除。

千家智客微信公众号

扫描下方二维码,关注千家智客微信公众号(qianjiacom),随时随地知晓智能行业天下事!

编辑:nicle

相关推荐

100/100字符

全部评论(0)

千家智客APP

千家智客app

千家智客客户端 千家智客客户端

在这里,读懂智能行业!

相关资讯