《NB-IoTLoRa窄带物联网技术》课件-第7章-初始LoRa技术

NB-IoT/LoRa窄带物联网技术第7章初识LoRa技术教学目标知识目标了解LoRa发展历程掌握LoRa网络架构掌握LoRa关键技术了解LoRa应用场景能力目标具备开阔、灵活的思维能力具备积极、主动的探索精神具备严谨、细致的工作态度7.1初识LoRa窄带物联网LoRa概述CLAA：中国LoRa物联网生态圈LoRa商业模式7.1.1

LoRa概述LoRa是LongRange的简称，意思是长距离通信，作为LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频调制技术（CSS：ChirpSpreadSpectrum）的超远距离无线传输方案。相对传送信号，调制信号的速率增加很多倍，信道带宽相应也增加很多倍；扩频信号在处理增益上收益很大，这样传输距离大大增加；例如SF7的处理增益达到10Log128=24dB;SF12的处理增益达到10Log4096=36dB；LoRaAlliance联盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特（Semtech）等多家厂商共同发起创立，LA联盟制定了LoRaWAN标准规范，主要完成的是MAC层规范以及对物理层相关参数的约定。LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。基于ISM（非授权）频段来运营：欧洲（433M，868M），美洲（915M～928M），中国（470M～510M)7.1.1

LoRa概述7.1.1

LoRa概述LoRaWAN设计了一套LoRaMAC协议，包括ClassA，B，C三个子选项，分别对应三种终端类型（低功耗，功耗响应折中，实时响应），适用于不同应用场景7.1.2

CLAA概述中兴克拉科技有限公司（中兴通讯股份有限公司控股子公司）作为LoRaAlliance联盟董事会成员，是中国运营级LoRa产业链的主导者，主导CLAA（ChinaLoRaApplicationAlliance）物联网生态圈，CLAA作为一个公益性技术标准组织，是全球最大的LoRa物联网生态圈，2016年1月28日成立，截止2018年11月已发展至1200多家正式会员。7.1.2

CLAA概述CLAA针对中国CN470ISM频段，定义一套网络平台运营规范，将LoRaWAN网络提升为运营级物理层：LoRa三者是相互依存的关系；LoRa是一个物理层信号调制技术；由Semtech公司拥有技术专利和芯片IP；LoRaWAN：是一个MAC层技术，由LoRaAlliance定义并维护；LoRaAlliance是15年由Semtech/IBM/Actility等公司发起，中兴通讯16年5月加入成为最高级别成员；CLAA：由中兴通讯2016年联合Semtech等公司发起成立，致力于LoRa技术在中国的应用发展；CLAA规范聚焦于LoRaWAN网络在中国应用实际部署需要解决的问题；MAC层：LoRaWAN+CLAA扩展

应用层：CLAA规范+各应用层规范

7.1.3

LoRa商业模式MSP(网络平台）各类应用服务器CLAAIWGCLAAIWGCLAAGWCLAAIWG无线或固网宽带IP广域网APP1APP2APPn终端通过LoRa星型接入基站基站通过宽带IP网络星型接入云化核心网应用服务通过IP网络星型接入核心网CLAA网络由LoRa基站，网络平台，应用服务器组成基站--网络平台--应用服务器间可以解耦，由不同角色承担7.1.3

LoRa商业模式这样CLAA网络形成如下商业模式：独立运营商：提供全套解决方案，支持客户建网，并与CLAA共享物联网互联互通，网络可以交给第三方代维。大型合作伙伴：共享共建CLAA网络，多个城市大范围覆盖，享受全网整体收益，CLAA承担网络平台运维，合作伙伴负责本地建网和业务运营。中小型客户：直接采购设备和全套解决方案，CLAA协助建网和部署，城市级、区域级或项目级覆盖，通过上CLAA公有云，CLAA可以承担网络平台运维成本。渠道合作伙伴：直接采购设备和方案，渠道自行拓展客户，由渠道合作伙伴或客户项目级建网，CLAA协助客户运营，客户承担运维费用7.2

LoRa关键技术轻量级网络架构广覆盖能力极低功耗低成本大连接能力扩频抗干扰能力自适应速率技术工作频段LoRaWAN技术优势7.2.1

LoRa的网络架构

基站：LoRa信号收发器，实现LoRa信号的收发，并转发给NS；

网络服务器：实现对LoRa终端的认证和管理，MAC层协议处理，应用数据的分发功能；

应用服务器：实现应用层功能，包括数据解析，呈现，命令下发，业务逻辑等功能；

容灾：终端数据可以通过多基站接收，基站间备份；

安全：实现端到端AES加解密；7.2.2

LoRa的广覆盖无线信号传播能力由链路预算决定，链路预算由发射功率和信号接收灵敏度来决定。LoRa信号的接收灵敏度和扩频因子SpreadFactor（SF）相关，SF越长，接收灵敏度越高，但速率越低，当采用SF12时，LoRa信号的最大链路预算为159dB；在城区环境下信号传播距离为3Km，农村空旷区域能达到30Km；信号穿墙能力达到穿越12堵墙；7.2.3

LoRa的低功耗LoRa将功耗降低到极致；终端功耗=信号发送功耗+信号接收功耗+休眠功耗，LoRa实现了休眠最大化；终端电池持续时间和电池容量与终端发包频率密切相关（不同技术需要在相同条件下比较）；典型地：对于LoRa燃气表，2小时发包一次，采用SF9时，4节5号电池可以使用7.5年7.2.4

LoRa的低成本LoRa技术是基于ISM频段部署，总TCO成本极低；

TCO成本=网络建设成本+网络维护成本；

LoRa网络建设成本=终端成本+基站成本+NS成本+AS成本+站址获取成本；

LoRa终端芯片成本1美金，模组成本5美金；基站成本<1000美金；NS/AS都基于云化部署，成本低；同时协议栈简单，开发成本低；

LoRa基站很小，和WiFiAP类似，站址获取容易，挂墙，挂杆即可；

LoRa运维成本=基站回传成本+设备维护成本；基站回传采用普通的以太网或3/4G网络；综合计算，LoRa技术的TCO成本是公网的1/10；7.2.5

LoRa的大连接LoRa网关芯片支持多路多SF并发接收，目前1301单芯片可以并发接收8路信号；

LoRa网络的容量和下面因素有关：

网关的数量和每网关的信道数量；网关的工作模式：半双工还是全双工；终端的话务模型：上下行发包比例，上下行发包频率，平均帧长；网络覆盖质量：终端在不同SF下的分布比例等；网关间的覆盖重叠比例；

案例：在单网关8个信道上行，终端每小时发一个包，无下行，包长30字节情况下，单网关上行的最大容量为8万个终端7.2.6

LoRa的扩频技术LoRa信号采用扩频技术发送，具有极强的抗干扰能力，信号比噪音弱100倍时也能检出；通过扩频编码，发送侧将信号的频带扩展了N倍，接收侧重新恢复信号时，通过扩频码的相关计算，信号强度增加N倍，但噪音没有变化，这样信噪比提升N倍，能够有效检出信号7.2.7

LoRa的速率自适应技术

LoRa网络可以基于信号接收强度自动调整发射功率和扩频因子，控制信号传播质量。网络提升SF，降低发射功率；终端降低SF，增加发射功率；

ADR是个持续调整过程，当终端信号稳定后，会处于稳定；终端NSADR估算算法（根据芯片的接收灵敏度，Mote推算的RSSI，SNR，保留链路预算余量来选择合适的SF）

累计的RSSI，SNR信息，SFRSSI，SNR，SF如果计算SF和当前SF不同，那么生成ADRMAC命令下发收到ADRMAC命令包后，调整SF和TxPower为命令指示数值如果当前SF和TxPower发确认帧无法得到确认，则主动先提升功率，再降级重发，直至SF12；如果发非确认帧，则每隔一定帧数，发起ADRACKREq过程，要求NS回应答，如果没收到，则主动先提升功率，再降级重发，直至SF12；ADR较适合静态终端，对于动态终端，由于无线信道不断变化，NS无法推算合适的SF7.2.8

LoRa的工作频段

在不同国家，ISM频段不同，LoRa针对不同国家的ISM频段制定不同的信道规划；欧盟区域：EU433MHz，EU863-870MHz；北美区域：US902-928MHz；澳大利亚：Australia915-928MHz；中国区域：CN433、470-510MHz；亚太区域：AS923MHz；7.2.9

LoRa技术优势LoRaWAN是专为物联网优化设计的协议

广覆盖：户外：3-5km；室内：1km；空旷地域：15公里；整体覆盖范围超过传统蜂窝网络。

低功耗：终端电池供电可以支撑数年以上。

高容量：对于低频物联网终端，单基站可支持几万个终端连接。

网络通信成本极低：网关汇聚所有终端数据再从运营商IP网络回传，不需要每个终端都安装物联网卡，如果私网部署，则无成本；

高安全：终端接入时网络和终端双向认证，对数据包进行完整性保护，采用AES端到端加密；7.3

LoRa应用领域智慧社区智慧消防智慧农林7.3.1智慧社区推进智慧社区建设，是党中央、国务院立足于我国信息化和新型城镇化发展实际，本着以人为本执政核心，为提升基层社会治理和城市管理服务水平而做出的重大决策。公布第二批智慧城市试点，并明确将智慧社区作为重点考核内容，已有将近300个试点城市开展智慧社区建设探索。2016年12月15日《关于印发“十三五”国家信息化规划的通知》2016.2《关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》推动新型城市建设，建设以居家为基础，社区为依托，机构为补充的多层次养老服务体系。2014.5《智慧社区建设指南》2012~13《关于开展国家智慧城市试点工作的通知》指导各地开展智慧社区建设，完善智慧社区建设标准，并推进智慧社区试点建设工作。*来源：国务院、住建部官网和公开资料等推进智慧社区建设，完善城乡社区公共服务综合信息平台，建设网上社区居委会，发展线上线下结合的社区服务新模式，提高社区治理和服务水平。7.3.1智慧社区物业管理复杂人力成本居高传统社区内管理复杂，工作内容多，保洁、维修、停车管理、水电费代收、安防、消防管理等，耗费大量物业人员，管理效率低，效果差。社区是重点安防、消防管理场所隐患多、管理复杂社区内人口密集，老人小孩多，居民资产多，是安防、消防重点关注区域。外来人员频繁，缺乏有效管理手段；消防需及时预警，消除隐患。管理难隐患多体验差社区居民体验差，信息化服务亟需提升社区内信息化服务内容少，各类交付主要依靠人工抄表、纸质单据等传统方式。社区环境和信息不透明，不能及时传递，居民体验不好。运维难传统社区运维依靠大量人力，运维成本高社区内目前主要依靠大量人力定期巡检；社区垃圾清理需要专人定时巡查打扫，时效低；水电气表需专人上门查抄，耗时繁琐，成本高。7.3.1智慧社区7.3.1智慧社区7.3.1智慧社区社区消防安全管理社区综合治理社区停车管理社区基础设施智慧化社区便民公共服务智慧消防独立式烟感可燃气体探测器电气火灾监控消防栓压力监测防火门门磁消防通道占用监测综合治理智能门禁无盲区视频监控系统社区智能巡检社区信息大屏发布系统智慧无感停车车牌快速自动识别闸道停车诱导停车便利支付业主固定车位锁基础设施智慧化远程智能抄表：水电气智慧垃圾桶智能井盖（位移、开启监测）智慧照明自动节能控制环境监测（PM2.5、噪音、温湿度等大屏发布）便民体验感知智慧养老二次供水水质监测（水位、PH值等）绿化带智能喷灌（土壤温湿度、水泵远程控制）7.3.1智慧社区1社区消防管控2出租屋管理3特殊人员定位管理4社区信息发布独立式烟感、可燃气体探测器、电气火灾监控、消防栓压力监测、防火门门磁、消防通道占用监测等门禁管理、独立式烟感等LoRa定位终端、蓝牙手环等大屏信息发布等社区公共安全及综合治理应用7.3.1智慧社区1远程智能抄表2智慧养老3智能家居4环境、水质监测智能LoRa水表、电表、燃气表等红外人体移动侦测（PIR）、一键求助SOS、独立式烟感、可燃气体探测器、温湿度传感器、智能门磁等智能门磁、门锁、开关、插座、红外人体移动监测传感器、空气质量温湿度、PM2.5监测、水浸传感器、一键求助SOS等微型气象站（含扬尘、噪声等）、二次供水水质监测、水位监测、河道水质水位监测等土壤墒情(温湿度)、绿化带滴灌控制等应用厕位占用、异味监测、水表、电表、一键呼叫、智能开关、温湿度、智能照明、垃圾桶监测、积水监测等5土壤监测、智能灌溉6智慧公厕社区民生公共服务应用7.3.1智慧社区1智能停车2智能井盖3智能环卫4照明管理地磁传感器、车位摄像头等窨井井盖与水位监测一体化传感器等垃圾桶监测等智能单灯控制器等智能计量开关等应用5能耗监测社区基础设施-智能化公共管理应用01020304“九小场所”、“三合一”场所消防安全责任意识淡薄，消防投入不足，是城市消防监控的盲点，而且这些地区建筑复杂，布线困难。大量消防监控盲点的安全隐患7.3.2智慧消防电器线路的安全隐患电气线路分布范围广，隐患周期长，监管难度大，由于线路老化或破损、过负荷、接触不良而造成的电弧放电、高温、短路或漏电等原因，极易造成电气火灾。可燃气泄漏爆炸的安全隐患大小商户及家庭可燃气泄漏导致的爆炸起火等灾情，造成财产损失及人身伤害。无法及时知道市政消火栓、建筑喷淋系统、室内消火栓系统的水压状况，可能会出现水压不足或无水，当火灾来临时不能及时扑灭火灾，造成灾难扩大。“哑”消防设施的安全隐患城市消防存在大量安全隐患7.3.2智慧消防互联网应用拓展催化剂技术支撑基础大数据源于物联网应用促进发展衡量指标子模块重要组成部分物联网大数据智慧城市智慧消防智慧公共安全公安部解释：“智慧消防”就是立足火灾防控“自动化”、灭火救援“智能化”、日常执法“系统化”、部队管理“精细化”的实际需求，大力借助和推广大数据、云计算、物联网、GIS等新一代信息技术，创新消防管理模式，实施智慧防控、智慧作战、智慧执法、智慧管理。物联网技术作为互联网应用的拓展，正处于大力发展阶段；物联网是大数据产生的催化剂，大数据的发展源于物联网的应用，并用于支撑智慧城市的发展；物联网是智慧城市的基础，为智慧城市的发展提供技术支撑，但智慧城市的范畴相比物联网而言更为广泛；智慧消防是隶属于智慧公共安全板块，是智慧城市在城市消防领域的具体应用。可燃气体探测报警器烟感

智慧消防管理云平台消防管理人员用户报警应用网关

报警监控管理

报警服务数据统计信息推送火情处理监控管理实时监测报警定位自检上报通知公告电话短信邮件APP链接人与人电气火灾探测器消防水位采集器专兼职消防管理人员链接人与事链接人与数据消息和群组通信录组织架构报警监控消防巡检监督管理在线培训数据查询政策法规

数据分析

数据展现

火灾预防消防栓压力探测器手报声光警报器防火门门磁7.3.2智慧消防终端接入平台管理应用管理大数据连接管理平台设备管理平台消防应用平台和其他管理系统对接定制化应用开发和数据挖掘地磁温感智慧空开

7.3.2智慧消防在“九小场所”部署独立式烟感，探测火灾并及时报警，同时，报警信息会推送到业主/物业/消防网格员等手机。解决了传统烟感遇到的一系列问题，诸如：布线困难，施工成本高；设备人工巡检，维护成本高；无法与人交互，误报率高等。当烟感探测到烟雾报警或者人为按下手动火灾报警按钮，平台会启动相关联的声光报警器，发出声光报警，提示人员撤离。独立式烟感LoRaMSP多业务平台3G/4G/FEIP网络智慧消防管理平台业主/物业/消防网格员火情实时通知云化核心网平台网关IWG200终端层网络层平台层应用层火灾声光报警器手动火灾报警按钮

7.3.2智慧消防网关IWG200数据中心智慧用电管理服务平台LoRa3G/4G/FEIPBackhaulCLAA云化虚拟核心网ABCN温度传感器电流互感器剩余电流互感器温度传感器电气火灾探测器电气火灾探测器采用220VAC供电，能够采集三相电压、三相电流、1路漏电流、4路温度，实现温度报警、漏电报警、电压报警、电流报警、设备报警等多项安全隐患。智慧用电在线监测解决方案7.3.2智慧消防消防水池/水箱水位监测：远程实时监测消防水池/高位水箱水位变化，水位超过阀值则产生报警信息，及时通知消防监测中心或者维保单位/个人。消防管网水压监测：实时监测消防管网压力动态，压力过高或者过低都会产生报警信息，保证消防末端（如屋顶消火栓、喷淋装置）在任何时刻都有正常水压。MSP多业务平台3G/4G/FE消防物联网平台消防喷淋泵房消防水箱/水池压力传感器RS485LoRa网关LoRaLoRaLoRaLoRa网关投入式液位计室外消火栓压力变送器GSP20GSP20GSP20压力传感器

给水可视化解决方案

7.3.2智慧消防LoRaMSP多业务平台3G/4G/FEIP网络燃气物联网管理平台手机APP云化核心网平台网关IWG200可燃气体探测报警器LoRa短信告警运营监控中心值班电脑第三方平台燃气管道切断阀钢瓶切断阀报警功能：对可燃气体浓度进行实时采集，当超过安全阀值时，报警器会启动声光报警，提醒现场用户及时处理险情。同时，报警信息会通过短信、微信等形式推送到业主手机上。联动功能：当报警器报警时，可以联动排风扇，排除有害气体，或者联动电磁阀、机械手切断有害气源。可燃气体探测报警解决方案传统农业人经验分散现代农业信息技术知识规模化标准化信息化产业化7.3.3智慧农林传统农业与现代农业对比7.3.3智慧农林农业是人类社会生存和发展的前提，也是其他产业发展的基础。随着信息社会的到来，现代信息技术正向农业渗透，在对传统农业进行改造的同时，也将从根本上提高农业生产技术水平和科学管理水平，最终增加农产品的科技含量，提高农业的整体效益。农业信息化是指通过先进的农业信息技术在农村社会、经济和农业生产各个领域的全面推广应用，加速改造传统农业，大幅度提高农业生产效率和生产力水平，全面促进农业可持续发展，大力推进农业现代化进程的发展过程。7.3.3智慧农林CLAA云平台LPWAN用户APP农业生产管理系统农业生产服务平台农产品追溯系统农业电子商务平台浊度大田种植大棚种植畜牧养殖水产养殖定位终端室内空气温湿度GSP通用传感器平台水质PH综合信息平台室外气象站土壤温湿度传感器自保持电磁阀光照度窗磁CO2