多频段连接,Semtech推出可实现全球覆盖的物联网芯片LR1120
作者 | 电子发烧友2022-05-15

近年来,物联网开始从示范项目步入到了商业化项目阶段,不少物联网项目已经是真正的商业需求在驱动了。我们可以从物联网技术的部署情况来窥见一二,据Semtech透露,截止到2021年12月,全球已经部署了270多万个基于LoRa的网关,2.25亿个基于LoRa的终端节点,LoRa或LoRaWAN的部署覆盖了171个国家和地区。

从应用方面来看,LoRa应用已经在智慧园区及楼宇、表计、消防安防、智慧农业、工业控制、物流及资产追踪、环境节能,以及健康医疗等领域有广泛的应用。尤其是2021年,在国内的电网、消防安防、智慧工厂、智慧楼宇、智慧农业等垂直市场呈现了倍速的增长。

产品方面,Semtech在2020年推出了LoRa Edge™超低功耗定位平台和配套的LR1110芯片组,该芯片组可以软件设置定义。据其官方介绍,LR1110是一套地理定位解决方案,其特色是低功耗Wi-Fi和GNSS扫描功能,结合简单易用且经济高效的LoRa Cloud™地理定位以及设备管理服务,可显著降低采用物联网来定位和监测资产的成本和复杂性。

在LR1110推出两年后,Semtech近期发布了其新一代LR1120芯片组。新的LR1120增加了2.4GHz频段和用于卫星通信S频段的收发通信功能。

LR1120的主要特点

LR1120是LoRa Edge地理定位平台的一部分,支持全球部署。据Semtech中国区LoRa市场战略总监甘泉介绍,LR1120的核心优势有:首先,最大的特点是可以支持地面和卫星通信网络;其次,它具有LoRa技术超低功耗的特点,拥有长达数年的电池寿命,而且与传统的定位技术不同,LR1120的定位是在云端进行解析的;三是LR1120同样具有覆盖距离更远、带宽更大、非常适合物联网应用等优势。

多频段连接,Semtech推出可实现全球覆盖的物联网芯片LR1120

与其上一代产品LR1110对比来看,LR1120增加了2.4GHz和用于卫星通信的授权S频段。甘泉解释说,增加了2.4GHz频段,也就是支持2.4GHz频段的LoRa调制和FSK调制;同时加入了卫星通信的S频段后,可以覆盖从1.9GHz到2.2GHz的频率。此外,LR1120还保留了常见的 Sub-GHz LoRa频段,以及LR1110的GNSS扫描以及Wi-Fi扫描这两个特有的低功耗定位技术。

甘泉特别强调,LR1120最主要的升级体现在收发技术上,比如说LR1110只有Sub-GHz一种收发通信技术,而LR1120则增加了卫星通信S频段和2.4GHz两种收发通信技术。

好处是,如果用芯片做成一个模组或产品,用于接收卫星数据,收到卫星或者Wi-Fi数据后,原来的LR1110只能通过LoRa Sub-GHz一种方式传输到后台,而LR1120可以提供更多的传输手段,它既可以使用2.4GHz的无线通道把数据传出去,也可以通过S频段传出去。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。

多频段连接,Semtech推出可实现全球覆盖的物联网芯片LR1120

虽然增加了两种传输方式,但是LR1120与LR1110在尺寸和引脚方面都是完全一样的,而且完全兼容,也就是说,如果原来开发的方案是基于LR1110开发的,可以直接使用LR1120来进行替换,而无需做任何更改。不过,如果用LR1110来替换基于LR1120开发的方案的话,就无法实现2.4GHz和卫星通信功能了。

谈到为何增加这两种收发通信技术,甘泉的解释是,首先,Sub-GHz和2.4GHz是不同的。Sub-GHz的频段在全球各个区域的频率和频点规范不同。而2.4GHz的LoRa在全球的频段是完全一样的。所以,如果有一个可在全球使用的2.4GHz LoRa器件,那它在全球各个领域的应用也都是一样的,比如使用2.4GHz频段的追踪器可在全球范围内使用。同时,卫星频段也可以全球通用,只要设备是在全球任何一个被卫星覆盖的地方,就可以与卫星进行通信。因此,LR1120芯片就具有完全的互操作性。

如何体现多种无线通信技术的优势?

与手机通信方式类似,物联网的无线通信在不同国家和地区也有不同的工作频段。但物联网设备与手机的区别,在于手机的协议规范中规定了蜂窝网络的入网方式,且协议较为复杂。而LoRa的组网协议相对简单,且应用中一般根据当地的无线电规范和项目需求设置工作频点,常见的LoRaWAN协议中使用8路上行信道。

虽然LoRa的Sub-GHz芯片的频段支持150MHz到960MHz频段,在一般的应用中,客户会根据当地的无线电规范设计对应频率的电路,但是一旦设定好了之后,就只能在固定的工作频段工作。也就是说,Sub-GHz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。同时,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。

多频段连接,Semtech推出可实现全球覆盖的物联网芯片LR1120

“现在的卫星技术频段包括卫星通信S频段和Sub-GHz ISM频段。1.9~2.2 GHz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,缺点是会受到较大的干扰。”甘泉对<电子发烧友网>表示,LoRa的卫星通信具备“全球无死角”的能力,其缺点是现在的卫星覆盖不够多,且实时性较差。

如果LoRa Sub-GHz在某个特定区域实现了高覆盖率,那么这个时候就可以使用Sub-GHz进行通信。而当需要对在不同国家航行的海运设备进行实时追踪时,使用2.4GHz的频率进行追踪和通信则更加合适。

多频段连接,Semtech推出可实现全球覆盖的物联网芯片LR1120

在卫星通讯方面,通常来说,LoRa通信使用的是近地卫星,它的距离大概是200~1500千米。LoRa可以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。

在LoRa芯片支持S频段之前, LoRa设备在国内外已经被部署在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,LoRa设备则无法持续上传。其次,如果使用的是 ISM频段,卫星会受到很多干扰。“而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。” 甘泉补充道。

甘泉总结道,LR1120集成了通信S频段、Sub-GHz以及2.4GHz频段,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。

不同无线连接方式的选择

LR1120具有多种无线连接方式,那么在具体的应用案例中该如何选择呢?甘泉的建议是,由于Sub-GHz和2.4GHz的LoRa工作的主频率不一样,而频率越高,波长越短,绕射能力或者远距离传输的能力就会越弱,因此想要传得更远、覆盖范围更大,传输的数据量较少的时候,就需要选择Sub-GHz的LoRa。

而如果在实际应用中,需要实现实时响应、快速传感,以及快速控制的时候,他建议使用2.4GHz的LoRa。

多频段连接,Semtech推出可实现全球覆盖的物联网芯片LR1120

最主要的还是要看实际应用,甘泉举例说,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2.4GHz的LoRa来进行传输。

而工厂内定位、物流管理解决方案都可以使用LR1120芯片,因为它既可以实现远距离、低数据量的、抗干扰性强的Sub-GHz数据传输,又可以使用相对中距离的2.4G的LoRa来控制、管理实时数据。同时,LR1120芯片内的Wi-Fi和GNSS定位也可实现一些传输,整体功能可以说是非常强大。

当然,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。

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