低功耗廣域網路串起物聯網裝置(2):LoRa LoRa是種專為依賴電池提供電力的無線設備所設計的低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network,簡稱LPWAN)規範,它的目標在於滿足物聯網系統所需的長距離雙向通訊,並簡化裝置的安裝程序,讓使用者、開發者以及商業應用能掌握更高的自主性。

智慧城市物聯網的通訊管道

LoRa的名字來源是Long Range的字首縮寫,其意思就是長距離,想當然爾它的特色就是具有極長的通訊距離,能夠讓單一閘道或基地台覆蓋整個城市或數百平方公里的區域。在運作的過程中,所有終端裝置會先連線至閘道,多個閘道則會透過一般的網路系統相互連接,在這種架構下,即便2個終端裝置位於不同區域、連線至不同閘道,也能互相傳送資料,進一步提升資料傳輸的範圍。

根據LoRa聯盟發行的A technical overview or LoRa and LoRaWAN白皮書,內文指出沒有1種技術能夠滿足所有所有應用情境,目前現存的Wi-Fi無線網路與低功耗藍牙都相當適合用於個人裝置,在家中室內範圍使用,而行動通訊技術則能滿足長距離、高流量的需求,但是耗電量相對也高出許多。LoRa則具有省電的特性,能夠透過電池提供多年運作續航力,但是因為資料傳輸速度很慢的關係,所以適合用於感應器等物連網裝置。

低功耗廣域網路串起物聯網裝置(2):LoRa

▲LoRa相當適合用於智慧城市的物聯網裝置。(圖片來源:A technical overview or LoRa and LoRaWAN,下同)

低功耗廣域網路串起物聯網裝置(2):LoRa

▲與Wi-Fi無線網路、低功耗藍牙、行動通訊比較之下,LoRa有著低成本、省電的特性,但資料傳輸量是罩門。

降低通訊量以節省電力

現今大多數的網路系統都採用網狀拓樸,然而在這種網路中,為了要提升覆蓋範圍,當節點在傳送資料時,往往需要透過其他節點中際傳輸,如此一來整體網路的複雜性與耗電量都會提升。

LoRa則採用星狀拓樸,讓所有節點直接連接到閘道,閘道再網後連接至中央主機整合,若需要與其他節點溝通,也是經由閘道傳輸。因為閘道設備只需在定點設置後,就可以覆蓋廣大範圍,不像節點需要計較施工與維護的便利性,所以可以連接電源與一般的有線網路系統,不需特別考慮耗電量與資料後送的問題。如此一來,節點就可以將消耗電力較高的工作,交由閘道與中央主機負責,將傳輸量最小化以提高續航力。

另一方面,雖然LoRa可以支援雙向傳輸功能,但是它也將傳輸方式劃分為3種不同的等級,Class A為最省電的級別,但是裝置平常會關閉資料傳輸功能,在裝置上傳資料後(例如回傳監控資料),會短暫執行2次接收資料的動作,然後又會再次關閉傳輸,雖然能夠大量節省電力,但是無法即時從中央主機遙控或傳送資料,其中會有較長的延遲。

Class B的耗電量則較大,能夠在設定的時間定期開啟下載功能、接收資料,這樣能降低傳輸延遲,也能讓中央主機能夠透過排程知道可以傳送資料的時間。Class C則會在上傳資料以外的時間,持續開啟下載功能,雖然能夠大幅降低延遲,但也會進一步增加耗電。

再舉上篇提到的例子來說,在下水道設置的水位偵測器,就可以利用Class A的規範,只在水位異常的時候,將資料上傳至中央主機,如此一來就能達到節省電力、延長續航力的功效。

低功耗廣域網路串起物聯網裝置(2):LoRa

▲在LoRa網路中,每個節點並不會比此相連,都需先連至閘道後,才能連回中央主機,或是透過中央主機將資料傳到另一個節點。

低功耗廣域網路串起物聯網裝置(2):LoRa

▲LoRa將傳輸方式分為Class A、B、C等3種不同規範,Class A最為省電,但下載資料的延遲也最明顯。

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