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LoRaWAN和Wi-Fi是天生绝配?

时间:2020-01-23 作者:Remi Lorrain, Semtech全球LoRaWAN网络总监 阅读:
在各种物联网应用中,Wi-Fi和LoRaWAN作为从云端到边缘的端对端解决方案时,能够发挥极具吸引力的加乘综效…
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如果您目前正在实施物联网(IoT),那么您可能已经花了很多时间在研究无线连接解决方案,因为这毕竟有太多的选择。然而,Wi-Fi和LoRaWAN这两种技术在作为从边缘到云端的端对端解决方案时,能够发挥极具吸引力的加乘综效。因此,从工业设施到全世界各大城市的种种应用,也都可以搭配使用这两种技术。为了深究其因,让我们先了解二者之间如何协同运作。

物联网需要从边缘装置(例如各种类型传感器)到因特网(Internet)的连接能力。在边缘,典型的协议选择是从基于802.15.4的标准、蓝牙或Wi-Fi之中择其一,因为每一种标准都具有网状网络(mesh)功能。数据就透过该技术标准传送到网关,然后再透过蜂巢式或低功耗无线局域网络(LPWAN)传送到因特网。

Wi-Fi是唯一可提供极高数据速率的协议。然而,其缺点在于接取点消耗大量功率,其可视范围(LoS)也仅约200公尺,使用20MHz或更高的通道带宽,并可在2.4GHz和5GHz的频率下运行,但无法穿透结构,其频率也较低。

2018年全球Wi-Fi提供的经济价值接近2兆美元,预计这一数字到2023年时将成长到近3.5兆美元。(来源:Wi-Fi Alliance)

相形之下,使用LoRaWAN的边缘装置仅消耗微安培(uA)的电流,使用钮扣电池即可持续运作好几年。该协议使用非常窄的500kHz或更小通道宽度以及20dBm (50mW)的最大发射功率。此外,在北美,采用从914MHz到928MHz的频率范围运作,不仅可穿透结构,同时还支持更长的传输距离。

LoRaWAN系统架构图。(来源:LoRa Alliance)

对于一项发射功率极小且天线经常“电气短接”(electrically short)的技术而言,“长距离覆盖范围”这项特性似乎有悖于直觉。但是,由于LoRa无线电使用线性调频频谱调变和基于频段扩展的相关机制,因此,即使远低于噪声级的19.5dB极其微弱讯号,也可以由接收器进行解调。业余爱好者曾对此进行测试,其结果令人印象深刻或甚至“惊艳”,也就不足为奇了。今年7月,西班牙的一支工程师团队使用气球安装的定向天线,搭配Hope Electronics的RFM95W收发器以14 dBm (25mW发射功率)的RF输出,写下了766公里的世界纪录。

从西班牙Alfamen发射7个不同大小的气球,使用LoRaWAN的气球以25nW发射功率达到距离766公里的世界纪录。

那为什么不直接使用LoRaWAN就好?

当然,认定单独使用LoRaWAN就足够而不必非得与Wi-Fi搭配使用,也是很合理的,因为它毕竟提供了端对端解决方案的一切必要条件,而且LoRaWAN网络也已经成功地用于全球140多个国家了。然而,Wi-Fi能够达到LoRaWAN无法提供的传输速率和低延迟性能。这意味着在越来越多的情况下,这两种截然不同的技术得以连手产生一些Wi-Fi和LoRaWAN无法单独提供的解决方案。因此,这种强大的组合开启了一系列更广泛的应用。

而且整合这两种技术也非常容易。多家装置制造商都打造了可同时支持Wi-Fi和LoRaWAN的收发器和网关,也提供可插入LoRaWAN网关的Wi-Fi接取点配接器。兼容LoRaWAN/Wi-Fi的最新网关尺寸比起其前代产品更小,通常只有两支智能型手机堆栈在一起的大小,而且其成本正逐渐降低,甚至降到比标准消费性Wi-Fi接取点还要低。许多产品还提供对于蓝牙、GPS和LoRaWAN各种功能的支持,并包括不同的安全等级。设定支持这种双协议的网关也非常简单,只需透过网关提供的软件或智能型手机应用程序(App)即可。

LoRaWAN和Wi-Fi的智能家庭(消费)应用。(来源:Wireless Broadband Allice、LoRa Alliance)

将LoRaWAN传感器产生的资料移至Wi-Fi的过程几乎可以立即完成,而且还可加以调整以便在特定情况下启动。例如,当使用LoRaWAN的摄影机检测到动作并开始录制视频时,可以将传输功能切换成Wi-Fi,才有足够的带宽和速度将视频影片传送上云端。

另一个例子是定位和追踪,可以透过LoRaWAN传感器“嗅探”Wi-Fi接取点,并将符合要求的几个接取点传送到LoRaWAN云端,然后再透过三角测量和精确的时间戳来实现地理定位。即使是单个IoT装置也可能在室内实现约10公尺的Wi-Fi地理定位精确度,具体取决于有多少可用的Wi-Fi接取点。例如,具有五个强大Wi-Fi讯号的垂直标高定位约为5公尺,而在市区的户外约为20公尺。

LoRaWAN和Wi-Fi相辅相成。(来源:Wireless Broadband Allice、LoRa Alliance)

当采用IEEE 802.11mc标准提供精密的定时测量(也称为往返时间或RTT)时,也可以提高准确性。IEEE 802.11mc在精确定位技术方面的最新进展较鲜为人知,因为它一直到最近才引起媒体关注,但它其实已经整合至Android P操作系统,可望在未来几年开始看到更广泛的部署。IEEE 802.11mc可以将定位精度提高到大约1公尺,并提供垂直(Z轴)位置信息,这些都在过去是无法实现的。

Wi-Fi RTT能够让三轴的位置误差均降低到大约1公尺,而实现达到1公尺的定立精度。例如让第一个出动救援的人员更快定位到需要帮助的人、使用智能型手机拨打911,以及在多层建筑物的公寓中精确地定位。而当启用RTT的Wi-Fi接取点和LoRaWAN一起使用时,还可以将这样的精确确度扩展到远程位置。

LoRaWAN和Wi-Fi能有效地协同运作,这并不是其他无线通信技术(无论是短距离还是长距离)所能实现的。蜂巢式网络可以完成LoRaWAN的大部份工作,但还需要更多的基础设施,而且部署成本更高,消耗更多的装置电池寿命,使得对于IoT通讯网络的控制受限。因此,LoRaWAN崛起成为最广泛部署的LPWAN技术,而且由于Wi-Fi可在短距离内提供极高的数据传输速率,超越其他所有解决方案更高一个数量级。LoRaWAN和Wi-Fi共同打造了独特的解决方案。

编译:Susan Hong    责编:Yvonne Geng

(参考原文:LoRaWAN and Wi-Fi: Made for Each Other,by Remi Lorrain)

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