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新增2.4GHz和近地卫星通信S频段,LoRa如何用一颗芯片玩转全球定位?

时间:2022-04-30 08:58:03 作者:刘于苇 阅读:
LoRa Edge LR1120芯片组中已实现物联网应用的直接卫星通信,LoRa Edge设备到云端的地理定位平台中增加2.4GHz和用于卫星通信的授权S频段,支持地面和卫星网络,同时具备LoRa技术超低功耗的特点,能够帮助供应链管理和物流行业在全球范围内部署互联互通、低功耗的地理定位设备。
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近地卫星是如今的大热门,据ResearchAndMarkets的一份报告,低轨卫星市场预计将从2021年的96亿美元增长到2026年的198亿美元,2021-2026年期间复合增长率为15.5%。

4月20日,美国国家航空航天局(NASA)授予6家美国卫星通信(SATCOM)供应商合同,它们将共同开发和验证下一代近地空间通信服务,为未来的机构任务提供支持。该机构的“通信服务项目”(CSP)资助合同协议的总价值为2.785亿美元,其中SpaceX获得了获得的资金额度最高,该公司目前在近地卫星轨道上运行着很多颗卫星。

中国国内也有很多机构发射了大量的低轨近地卫星,这促使近地卫星网络形成了良好部署。随着新技术的发展和更多的卫星部署上线,卫星数据的数量和应用范围在未来将继续增长,从而应用到更多场景中,特别是各类定位应用。

满足刚需,LoRa Edge加入2.4GHz卫星S频段

2020年,Semtech曾发布第一款面向地理定位应用的LoRa Edge LR1110芯片。不少用户在使用后反馈,希望增加近地卫星通信、以及支持2.4GHz全球频段的需求。

据估计,地面网络连接仅覆盖了全球约10%的地表面积,世界上仍有许多地方没有运营商网络信号覆盖,也无法建立基站,例如海洋、沙漠。而卫星物联网通过在物联网设备与卫星之间实现直接通信,有助于填补上述连接空白。

在日前Semtech的线上媒体沟通会上,Semtech中国区销售副总裁黄旭东表示,在全新的 LoRa Edge LR1120芯片组中已实现物联网应用的直接卫星通信,“LoRa Edge设备到云端的地理定位平台中增加2.4GHz和用于卫星通信的授权S频段,支持地面和卫星网络,同时具备LoRa技术超低功耗的特点,能够帮助供应链管理和物流行业在全球范围内部署互联互通、低功耗的地理定位设备。”

LoRa Edge LR1120的主要特点:

  • LoRa 多频段收发通信功能(sub-GHz、2.4GHz 和用于卫星通信的授权S频段),以及多种地理定位技术融合(如室外使用GNSS,在室内及卫星信号弱的区域使用Wi-Fi)
  • LoRa Cloud 地理定位计算由设备端转移至云端解析,电池仅需一次部署就可以拥有长达数年的寿命
  • 支持GPS 和北斗等全球卫星导航系统
  • 硬件加密引擎,增强安全性

Semtech中国区LoRa市场战略总监甘泉介绍了LR1120与LR1110的主要不同点,升级主要体现在收发通信技术上,LR1120增加了卫星通信S频段和2.4GHz LoRa两个频段。

2.4GHz频段支持LoRa调制和FSK调制,卫星通信S频段则覆盖从1.9 GHz到2.2 GHz的频率。此外,LR1120还保留了常见的 Sub-GHz LoRa频段,以及GNSS扫描以及Wi-Fi扫描这两个全球功耗最低的定位技术。

为什么Sub-GHz还不够,要加上2.4GHz和卫星频段?因为全球级的应用需要完全的互操作性。

首先Sub-GHz的频段在全球各个区域的频率和频点规范不同,只能在一个国家或特定区域内工作,一旦到其他区域,就需要对频率进行调整,即其无法在全球范围内实现全覆盖部署,具体应用时较为复杂。而2.4GHz的LoRa在全球的频段完全一样,在部署全球各个领域的应用时更为便捷。

同时,卫星频段也可以全球通用,设备在全球任何一个被卫星覆盖的地方,都可以与卫星进行通信。尤其是在沙漠、海洋和高空等没有网关和基站的区域中,如果想实现物联网无缝覆盖,就只能使用卫星通信技术。

单用+组合,多频段玩转全球定位

对于具体每个频段的应用场景,主要看每种通信技术的工作主频率。频率越高,波长就越短,绕射能力或者远距离传输能力就会越弱。

甘泉表示,当前卫星技术频段包括卫星通信S频段和Sub-GHz ISM频段。“1.9-2.2GHz是专用的卫星频段,在LR1120芯片发布之前,LoRa在近地卫星的应用只能采用Sub-GHz的ISM频段,虽然传得更远、覆盖更大、具备‘全球无死角’ 的能力,但缺点是现在的卫星覆盖不够多,且实时性较差。因此,Sub-GHz频段只适合在某个LoRa Sub-GHz已实现高覆盖率的区域。”

但如果需要对在不同国家航行的海运设备进行实时追踪,则在全球频段完全一样的2.4GHz的频率更适合进行追踪和通信。此外,2.4GHz的主频比Sub-GHz高,有效带宽也较高,还可以支持传输相对高数据速率的场景。

“在实际应用场景中,如果我们要实现实时响应、快速传感以及快速控制,建议使用2.4GHz的 LoRa。而如果我们要做一个远距离且少量数据的传感,就建议用Sub-GHz的LoRa来做传输。”甘泉说道,例如目前部分智慧工厂会选择同时使用两种LoRa频段。对于工厂内大范围覆盖的传感器,如温感、湿度控制等,可以选择Sub-GHz来进行传输;而对于机器自动化生产等需要快速控制和感应的场景,比较适合用2.4 GHz的LoRa来进行传输;同时,LR1120芯片内的Wi-Fi和GNSS定位也可实现一些传输。

三种频段的通信技术有机组合后,可以有效覆盖制造、分销、航运/海运、海关、入库、陆地运输和抵达客户等各个环节,并且实现高效率、低功耗和低成本。同时,因为整套的网络都通过同一个芯片支持,实现所有的功能不会增加成本。

据介绍,LoRa通信最常用到的近地卫星距离大约为200-1500千米,LoRa可在这一范围内进行长距离传输。在实际的场景中,LoRa终端上传到卫星的过程并不需要特别大的天线和功率。只要将传统的LoRa传感器放置在露天场景中,就可以跟近地卫星进行通讯。如果使用S频段,则可以有更好的频段资源,受到的干扰更小,传输的效果也会更好。

甘泉介绍道,在LoRa芯片支持S频段之前, LoRa在国内外已经被部署在了很多近地卫星通信的场景中,但是现阶段这种方式存在一定的局限性:“首先,LoRa设备只有等到近地卫星在其上方通过时才能上传数据,如果近地卫星的数量不够多则无法持续上传;其次,如果使用的是 ISM频段,卫星会受到很多干扰。S频段的使用则可以有效解决ISM频段干扰的问题,更多高质量的解决方案也应运而生。”

那么数据从设备转移到云端解析,会影响定位的速度吗?

对此甘泉表示,实现定位功能,并不是追踪器“知道自己在哪”,而是后台的管理者通过云平台和服务器,获取追踪器的具体位置。传统的GNSS定位是在本地计算了之后,把位置信息“告诉”管理者,传输到云端。而LoRa Edge则是把卫星数据先传输到云平台,在云端计算后,将结果传到管理者的云平台。两种方式所需要花费的时间理论上是一样的。

而传统GPS定位芯片需要30秒左右的冷启动时间,启动后才能够计算出所处的位置;LoRa Edge在实现冷启动定位功能时不需要这30秒,只需要进行扫描,将卫星数据回传到云端,两三秒内就可以完成计算。“因此从这个角度来说,LoRa Edge实现定位功能的延迟更少,速度会更快。”

LR1120完全替代上代产品LR1110

从芯片组成来看,LR1110包括保证芯片安全的加密引擎;Sub-GHz频段的LoRa收发器(如常用的SX1276和SX1262芯片);Wi-Fi无源扫描接口;全球导航卫星系统(GNSS)扫描接口等。其中,卫星定位数据会通过各种协议发送到LoRa Cloud,在云端被解析成为定位数据。

甘泉表示,同样用芯片做成接收卫星数据的模组或产品,收到卫星或Wi-Fi数据后,LR1110传输到后台只能通过LoRa Sub-GHz一种方式。而LR1120提供了更多的传输手段。“此外,还能通过LR1120接收来自于LoRa Sub-GHz、卫星和 2.4GHz的数据,相当于从原先的单个收发机升级成了三组收发机,系统也拥有了更高的扩展性。”

从LR1110和LR1120的架构框图对比可以看出,两者在尺寸和引脚方面完全一致,可以完全兼容。“如果开发完LR1110方案后再把LR1120贴上去,上也是可以使用的。但若是将LR1110用到开发完成LR1120的设计上,则无法实现2.4GHz和卫星通信功能。”甘泉补充道。

而且在实际应用中,并不一定需要同时使用LR1120芯片的所有功能。客户可以根据实际需求来进行不同的组合,例如Sub-GHz和2.4GHz的组合, Wi-Fi和2.4GHz的组合,或是Sub-GHz和GNSS的组合。

以定位领域为例,已有不少LoRa与其他技术进行融合的方案,如常见的LoRa + 蓝牙Beacon定位,以及LoRa + UWB室内高精度定位。其中UWB用来测距, LoRa用做回传,精度可以达到几十厘米。用LoRa传输GNSS差分信息,也可以实现高精度定位。LR1120的推出,将进一步提高技术融合能力。

支持卫星通信将进一步拓展LoRa市场

其实在创立之初,LoRa技术就凭借远距离的优势受到卫星通讯领域的关注,在国内外都已经有相关卫星通信应用落地。在卫星通讯方面,LoRa技术已经被应用于畜牧业、环境管理、森林防火以及航运等领域。

Strategy Analytics射频及无线元件服务总监Christopher Taylor表示:“LoRa与小型、相对低成本的近地轨道卫星通信相结合,将推动LoRa以及物联网行业的变革。在LoRa中增加用于卫星通信的S频段,将帮助其取代传统的SCADA监控,拓展新的应用与市场,特别是其在偏远地区的部署。目前,LoRa技术已受到数家卫星通信解决方案提供商的青睐,包括EchoStar和Lacuna。”

据悉,在没有网络建设的海事或自然保护区的偏远地区中,对LoRa近地卫星通信的应用存在非常大的需求。随着技术的不断进步,和近地卫星行业的发展,相信今后会有大量的应用会采用卫星通信以及LoRa技术,尤其是没有网络覆盖的海运物流管理方面。

黄旭东表示,在当前的海运行业中,全球货柜箱数量预计将达到五千多万个。“LoRa Edge LR1120是唯一一个可以全球通用的且支持卫星通信S频段的LoRa芯片,同时具有低功耗的优势。海运客户对货柜箱的追踪有很大的需求,所以我们预估相关市场需求可以达到亿万级。”

责编:Luffy
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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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