ZigBee?ZWave?不,物联网更需要LoRa

本篇文章是从技术角度揭开LoRa的面纱，后续还会提供商业化和市场角度解读LoRa的文章，让您全面了解这一未来物联网领域新的通信技术。

LoRa

LoRa是由升特公司（Semech）发布的一种专用于无线电调制解调的技术，它与其他如FSK（频移键控）、GMSK（高斯最小频移键控）、BPSK（二进制相移键控）及其派生的调制方案形成竞争关系。

LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。

一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中，将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子（12）。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实，扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。

在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。

AngelBlocks的发射功率为100mW(20dBm)，接收端灵敏度为-129dBm，总的链路预算为149dB。比较而言，拥有灵敏度-110dBm（这已是其极好的数据）的GFSK无线技术，需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。

因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。

OpenRF协议

目前已有很多“标准化”协议应用于家庭自动化领域，ZigBee和ZWave是两种主流的选择，另外还有6LowPan以及其他协议。

大多数协议或多或少依赖无线网格（mesh）组网，有些依赖整体系统来达到合理地传输距离，不过这无法使用电池供电。

LoRa采用点对点通信方式，实现远距离传输的目的，我们无需网格化网络。实际上，我们需要一个“轻量级”协议，适用于长期以电池供电的方式。

OpenRF是为电池供电的应用而开发的，例如水表和燃气表数据读取。OpenRF为媒介接入层（MACLayer）定义了一个标准化的界面，允许其余各种各样射频集成电路装置（RFICs）协同工作。OpenRF还提供了一个支持32位设备地址的统一网络层来保证消息传递，还有多重的网络拓扑结构。理论上来说，OpenRF也可支持无线网格组网，虽然我们目前没有那种功能性要求。

OpenRF提供两个接口，其中API接口允许在一个微控制器的嵌入式应用中集成OpenRF，我们用这一界面构建了AngelBlocks的应用。另一接口为指令接口，它允许外部主控制器在串行链路上使用AT指令集来发送和接收数据包。我们的应用开发适配器在一个主机上使用指令接口控制AngelBlocks，其中Arduino和Pi适配器使用一个TTL级别的串行端口，PC/MAC适配器使用一个USB/COM端口，同一指令接口均可使用。