物联网无线电通信的智能系统解决方案

A Smart System Solution for IoT Radio Communications

IMST GmbH，Kamp-Lintfort, Germany

物联网（IoT）是公认的下一步无处不在的机器、设备网络。智能应用与小型、轻量化设备相结合，对基础的无线通信产生全新的需求。这些设备的材料成本往往低于10美元，因此，无线通信部件的价格就非常关键。经典的ISM频段是合适的选择，免许可证的无线电通信利用这种廉价的无线电收发器可与WLAN解决方案或蜂窝无线技术相比。然而，在网络中只有几米的传输距离是一个显著的障碍。

为了解决这一个问题，半导体公司“Semtech”开发了一个新的叫“LoRa™（远距离的意思）”的无线电收发前端技术，已经成熟并获得专利。与经典的ISM无线电前端频段相比，它允许更远的距离，达到15km。这个长距离的通信是基于视距条件的，基于收发器前端的扩展频谱的相关机制实现，同时以牺牲比特率为代价。

一个覆盖许多平方千米的蜂窝系统是可能实现的。根据设想的应用，成百上千的终端节点将会在一个通信单元内处理。因此，中央通信点——集中器作为LoRa网关的无线电部分——必须能够大规模地并行接收很多通道，每一个都单独配置特定的距离和比特率。

这样的免许可的远距离蜂窝通信机制可以支持许多的应用，像农业、工业、物流、智能环境、智能电表、智能城市和智能家居。公共电信运营商以及私营企业目前正在对相应的接入网络和必要的IT基础设施实施基于LoRa技术的系统解决方案。通过LoRa联盟组织LoRa技术的部署，联盟成员有半导体公司、无线电设备制造商、硬件和软件提供商、移动运营商、IT公司和测试厂商。他们协同工作完成LoRa生态系统的建立，包括所需的质量程序和系统认证。

空中接口的新颖之处主要是扩展因子（spreading factor）的引入，它表示传输时间和比特率的关系，归结于前面提到的扩频传输。它利用125 kHz、250 kHz或500 kHz的带宽（在ISM频段，在欧洲是868 MHz）和频率选择和跳频选项在可用带宽内传输由特有的发射器产生的跳频代码，这样可用于区分用户。传输通道的主要特征是扩展因子和频率。配置参数空间是通过利用这两个参数的两个重要维度来增强的。

然而终端节点只能在一个通道上传输数据包，当前IMST集中器模块iC880A能够接收8个不同通道上的终端节点的数据。IMST LoRa iC880A集中器模块（图1）通过了欧洲R&TTE认证，为媒介访问和连网提供一组全面的固件选项。iC880A运行在868 MHz频段，尺寸为79.8 x 67.3毫米，其关键特性包括：灵敏度可低至-138 dBm；输出功率达到20 dBm；USB或SPI界面，GPS可选；基带处理器SX1301；2 x SX1257 Tx/Rx前端；49 x LoRa解调器，1(G)FSK解调器，以及8+1+1的LoRa和GFSK并行解调路径。一个完整的LoRa开发工具可用于网络试验；LoRaWAN™和IMST LR_Base / LR_Starnet固件是可用于MAC和网络功能的最佳选择。

图1. IMST LoRa iC880A集中器模块

集中器体系结构是可扩展的，可适应更多的通道，但是要以额外的硬件成本为代价。如果为每个用户引入一个运行周期，若干个用户可在时域上共享一个通道。这个并行接收的能力使处理大型LoRa蜂窝与数以百计的终端节点是可行的和易于维护的。

然而一个格形网络结构总是会加重协议开销，不适合轻量实施的概念。在蜂窝的中心带有一个中央通信节点的星形结构似乎是正确的管理终端节点的方式：中央控制、有效的同步和最低的协议开销（图2）。

图2. 一个LoRa网络的典型架构，有不同的应用和不同的扩展因子（SF）和频道（F）。集中器是LoRa网关的核心无线电部件。

协议栈固件必须应对这些新的和有前途的架构与特定的用户场景和用例。通信能力必须优化——相比传统的短距离无线通信的低比特率，这尤为重要。此外，MAC（媒体访问控制）必须在以下条件下实现：无线电频道的碰撞数量最小；使用的传输功率和传播因子设置为实际所需的最小值，取决于数据速率和终端节点到蜂窝中间的集中器的距离。

这是以一种自适应数据速率(ADR)访问方案实现的。第一个MAC仅仅实现很简单的随机信道访问，之后实现了更复杂的MAC设计。在监管要求下，“自适应频率捷变”（AFA）和“先听后说”（LBT）是两种避免ISM频段运行周期限制的策略。中央控制和中央同步旨在实现系统容量最大化，同时尽量降低传感器的能耗，让终端节点的电池可以长期工作。

基于LoRa的通信系统将以一个理想的方式补充移动网络——不会产生通话费用，设备成本低，可以远距离通信。在集中器处建立的网关将使通信路径到达互联网，或者通过移动蜂窝技术、DSL用户线、以太网，或者通过无线LAN连接。

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