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LoRa和LoRaWAN技术概览

技术交流2019年03月27日 13:22来源£º 物联网世界
¡¡¡¡本文的目的是针对LoRa和LoRaWAN做一个介绍性的技术概览¡£低功耗广域网(LPWAN)预计将会支持物联网预测的数十亿设备的一个主要部分¡£LoRaWAN自下而上设计£¬为电池寿命¡¢容量¡¢距离和成本而优化了LPWAN¡£对于不同地区给出了一个LoRaWAN规范概要£¬以及在LPWAN空间竞争的不同技术的高级比较¡£(内容与原文相比有删减和改动)
 
¡¡¡¡LoRa是什么?
 
¡¡¡¡LoRa是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路¡£许多传统的无线?#20302;?#20351;用频移键控(FSK)调制作为物理层£¬因为它是一种实现低功耗的非常?#34892;?#30340;调制¡£LoRa是基于线性调频扩频调制£¬它保持了像FSK调制相同的低功耗特性£¬但明显地增加了通信距离¡£线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年£¬由于其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性£¬但是LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现¡£
 
¡¡¡¡长距离 (LoRa)
 
¡¡¡¡LoRa的优势在于技术方面的长距离能力¡£单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平?#28966;?#37324;范围¡£在一个给定的位置£¬距离在很大程度上取决于环境或障碍物£¬但LoRa和LoRaWAN有一个链路预算优于其他任何标准化的通信技术¡£链路预算£¬通常用分贝(dB为单位)表示£¬是在给定的环境中决定距离的主要因素¡£下面是部署在比利时是Proximus网络覆盖图¡£随着小量的基础设施建设实施£¬可以容易地覆盖到整个国家¡£
 
¡¡¡¡LPWAN适合在那里?
 
¡¡¡¡一种技术不能满足物联网所有项目应用和量¡£WiFi和BTLE是被广泛采用的标准£¬非常好地满足了与个人设备通讯相关的应用¡£蜂窝技术非常适合那些需要较高数据吞吐量并配有电源的应用¡£LPWAN提供多年的电池寿命£¬是专为那些需要发送少量数据的传感器和应用而设计£¬从不同环境中通过长距离每小时发?#22270;?#27425;¡£
 
¡¡¡¡LPWAN中最关键的因素是£º
 
¡¡¡¡网络架构
¡¡¡¡通信距离
¡¡¡¡电池寿命或低功耗
¡¡¡¡干扰的鲁棒性
¡¡¡¡网络容量(网络中的最大节点数)
¡¡¡¡网络安全
¡¡¡¡单向与双向通信
¡¡¡¡各种服务应用
 
¡¡¡¡LoRaWAN是什么?
 
¡¡¡¡LoRaWAN定义了网络的通讯协议和?#20302;?#26550;构£¬而LoRa物理层能够使长距离通讯链路成为可能¡£协议和网络架构对节点的电池寿命¡¢网络容量¡¢服务质量¡¢安全性¡¢网络的各种应用服务质量等影响最大¡£
 
¡¡¡¡网络架构
 
¡¡¡¡许多现有部署的网络采用了网状网络架构¡£在网状网络中£¬个别终端节点转发其他节点的信息£¬以增加网络的通信距离和网络区域规模大小¡£虽然这增加了范围£¬但也增加了复杂性£¬降低了网络容量£¬并降低了电池寿命£¬因节点接受和转发来自其他节点的可能与其不相关的信息¡£当实现长距离连接时£¬长距离星?#22270;?#26500;最有意义的是保护了电池寿命¡£
 
¡¡¡¡在LoRaWAN网络中£¬节点与专用网关不相关联¡£相反£¬一个节点传输的数据通常是由多个网关收到¡£每个网关将从终端节点接所接受到的数据包通过一些回程 (蜂窝¡¢ 以太网¡¢ 卫星或 Wi-Fi)转发?#20132;?#20110;云计算的网络服务器¡£智能化和复杂性放到了服务器上£¬服务器管理网络和过滤冗余的接受到的数据£¬执行安全检查£¬通过网关进行调度确认£¬并执行自?#35270;?#25968;据速率等¡£如果一个节点是移动的或正在移动£¬不需要从网关到网关切换£¬这是一个重要的功能£¬可以应用于资产跟踪---物联网一个主要的目标垂直应用¡£
 
¡¡¡¡电池寿命
 
¡¡¡¡在LoRaWAN网络中的节点是异步的通信的£¬当其要发送的数据准备好的时候通信£¬无论是?#24405;?#39537;动还是时间调度¡£这种类型的协议通常称为Aloha方法¡£在网状网络或同步网络£¬如蜂窝£¬节点必须经常唤醒以同步网络£¬并检查消息¡£这个同步明显消耗能量£¬是减少电池寿命第一推手¡£在最近一项研究中£¬GSMA对不同解决LPWAN空间的技术进行了比较£¬LoRaWAN比其他技术选择有3到5倍的优势¡£
 
¡¡¡¡网络容量
 
¡¡¡¡为了使远距离星型网络能够实现£¬网关必须具有非常高的容量或性能£¬从大量的节点接收消息¡£高网络容量利用自?#35270;?#30340;数据速率和网关中的多通道多调制收发器实现£¬因此可以在多信道上同时接受消息¡£影响容量的关键因素是并发通道数¡¢数据速率(空中时间)¡¢负载长度以及节点如何经常发送数据¡£因为LoRa是基于扩频调制£¬当使用不同扩频因子时£¬信号实际上是彼此正交¡£当扩频因子的发生变化£¬?#34892;?#30340;数据速率也会发生变化¡£网关利用了这个特性£¬能够在同一时间相同信道上接受多个不同的数据速率¡£如果一个节点有一个好的连接并靠近网关£¬它没有理由总是使用最低的数据速率£¬填满可用的频谱?#20154;?#38656;要的时间更长¡£数据传输速率越高£¬在空气中的时间就越短£¬可以为其他要传送数据的节点开放更多的潜在空间¡£自?#35270;?#25968;据速率也优化了节点的电池寿命¡£为使自?#35270;?#30340;数据速?#20351;?#20316;£¬对称的上行链路和下行链路要求有足够的下行链路容量¡£这些特点使得LoRaWAN有非常高的容量£¬网络更具有可扩展性¡£用最少量的基础设施可以部署网络£¬当需要容量时£¬可以添加更多网关£¬变换数据速率£¬减少串音?#38382;ý£?#21487;扩展6~8倍网络容量¡£其他LPWAN技术没有LoRaWAN的可扩展性£¬缘于技术上的权衡£¬其限?#23631;?#19979;行链路的容量£¬使下行链路距离与上行链路距离不对称¡£
 
¡¡¡¡设备类 – 并非所有节点都相同
 
¡¡¡¡终端设备服务不同的应用£¬有不同的要求¡£为优化各种终端应用规范£¬LoRaWAN使用了不同的设备类别¡£设备类别权衡了网络下行通信延迟与电池寿命¡£在控制或执行器类型应用中£¬下行链路通信延迟是一个重要因素¡£
 
¡¡¡¡双向终端设备(A类)£ºA类的终端设备?#24066;?#21452;向通信£¬因此每个终端设备的上行链路传输跟随两个短的下行链路接受窗口¡£传输时隙由终端设备调度£¬基于其自身的通讯需求并有一个基于随机时基的微小变化(ALOHA类型协议)¡£对于在终端设备已发送一个上行链路传输后£¬仅需要从服务器下行链路简短地通讯的应用来说£¬这种A类操作是最低功耗的终端?#20302;场?#22312;任何其他时间从服务器下行链路通讯必须等下一个调度的上行链路¡£
 
¡¡¡¡具备调度接受时隙的双向终端设备(B类)£º除A类随机接受窗口外£¬B类设备在调度时间上打开了额外的接受窗口¡£为使终端设备在调度时间上打开其接受窗口接受网关同步信标一次¡£这?#24066;?#26381;务器知道什么时候终端设备在侦听¡£
 
¡¡¡¡具备最大接受时隙的双向终端设备(C类)£ºC类终端设备几乎是连续地打开节接受窗口£¬仅在发送时关闭¡£
 
¡¡¡¡安全
 
¡¡¡¡加入安全对于任何的LPWAN来说是极其重要的¡£ LoRaWAN使用了两层安全£º一个是网络层安全;另一个是应用层安全¡£网络安全保证了网络节点的可靠性£¬而应用层的安全性确保了网络运营商不能访?#25163;?#31471;用户的应用数据¡£密钥?#25442;?#20351;用了AES加密的IEEE EUI64标识符¡£每种技术选择都会有所所权衡£¬ 但LoRaWAN在网络架构中的特性£¬设备类别£¬安全性£¬容量可扩展性以及为移动优化满足了各种各样的潜在的物联网应用¡£
 
¡¡¡¡5¡¢LoRaWAN区域概述
 
¡¡¡¡LoRaWAN 规范根据不同的地区频谱分配和监管要求而略有不同¡£?#20998;?#21644;北美已制定了LoRaWAN 规范£¬但其他区域仍在由技术委员会制定中¡£加入LoRa联盟作为贡献者成员并参与技术委员会£¬对以亚洲市场解决方案为目标的公?#23621;?#26126;显的优势¡£
 
¡¡¡¡LoRa WAN协议介绍
 
¡¡¡¡物联网应用中的无线技术£¬除城域网的2G/3G/4G外£¬还有局域网和短距的多种通信技术£¬比如2.4G 频段的WiFi£¬蓝牙¡¢Zigbee和Sub-Ghz等等¡£这些短距无线技术£¬优缺点也都非常明显¡£而且从无线应用开发和工程运维人员角度来看£¬一直以来都存在这样一个两难问题£º即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一¡£而采用LoRa技术之后£¬设计人员现在可做到两者?#25216;?#39038;£¬尽量实现更长距离的通信与更低的功耗£¬同时还可节省额外的中继器成本¡£
 
¡¡¡¡一般说来£¬传输速率¡¢工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要?#38382;ý¡?#20256;输速率的选择将决定?#20302;?#30340;传输距离和电池寿命¡£工作频段的选择要折?#38053;?#34385;频段和?#20302;?#30340;设计目标¡£而在FSK?#20302;?#20013;网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和?#20302;?#38656;要的节点数目来决定的¡£升特(Semtech)公司采用新的扩频技术的的高性价比收发机方案将会改变以往的折?#38053;?#34385;方式£¬为用户提供一种简单的?#20302;?#32780;又能实现远距离¡¢长电池寿命并增加?#20302;?#23481;量£¬进而扩展你的传感网络£¬于是LoRa技术应运而生了¡£
 
¡¡¡¡LoRa融合了数字扩频¡¢数?#20013;?#21495;处理和前向?#26469;?#32534;码技术£¬拥有?#20843;?#26410;有的性能¡£此前£¬只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术£¬而随着LoRa的引入£¬嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变¡£
 
¡¡¡¡前向?#26469;?#32534;码技术是给待传输数据序列?#24615;?#21152;了一些冗余信息£¬这样£¬数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及?#26412;?#27491;¡£这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求£¬且在解决由多?#31471;?#33853;引发的突发性误码中表现良好¡£
 
¡¡¡¡一旦数据包分组建立起来且注入前向?#26469;?#32534;码以保障可靠性£¬这些数据包将被送到数字扩频调制器中¡£这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中£¬将每一比特时间划分为众多码片¡£LoRa调制解调器经配置后£¬可划分的范围为64-4096码片/比特¡£AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)¡£相对而言£¬ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特¡£
 
¡¡¡¡通过使用高扩频因子£¬LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去¡£实际上£¬当你通过频谱分析仪测量时£¬这些数据看上去像噪音£¬但区别在于噪音是不相关的£¬而数据具有相关性£¬基于此£¬数据实际上可?#28304;?#22122;音中被提取出来¡£其实£¬扩频因子越高£¬越多数据可从噪音中提取出来¡£
 
¡¡¡¡在一个运转良好的GFSK接收端£¬8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号£¬采用配置AngelBlocks的方式£¬LoRa可解调一个信号£¬其信噪比为-20dB£¬GFSK方?#25509;?#36825;一结果差距为28dB£¬这相当于范围和距离扩大了很多¡£在户外环境下£¬6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离¡£
 
¡¡¡¡为了?#34892;?#22320;对比不同技术之间传输范围的表现£¬我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标¡£链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量£¬在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度¡£
 
¡¡¡¡AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)£¬接收端灵敏度为-129dBm£¬总的链路预算为149dB¡£比较而言£¬拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术£¬需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值¡£在实践中£¬大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm£¬在此状况下£¬发射端发射频?#26102;?#39035;为46dBm或者大约36W£¬才能达?#25509;ëLoRa类似的链路预算值¡£
 
¡¡¡¡因此£¬使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离£¬这种低功耗广域技术正是我们所需的¡£
 
¡¡¡¡传输速率和距离
 
¡¡¡¡传输速率是?#20302;成?#35745;中一个关键的可变因素£¬它将决定整个?#20302;?#25972;体性能的很多属性¡£无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功?#20351;?#21516;决定£¬两者之间的差值我们称之为链路预算¡£输出功?#36866;?#38480;于标准规范£¬所以只有通过提高灵敏度来增加距离£¬而灵敏度?#36136;?#25968;据速率非常重要的影响¡£对所有的调?#21697;?#24335;来说£¬越低的速率£¬接收机的带宽越窄£¬接收灵敏度就越高¡£在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调?#21697;?#24335;是FSK或者GFSK¡£要进一步减小FSK?#20302;?#30340;接收机带宽£¬唯一可行的办法就是提高参考晶体的精?#33539;取?#22312;等同的数据速率条件下£¬商用的低成本扩频调?#21697;?#24335;可以获得比传统FSK调?#21697;?#24335;高8-10dB的灵敏度¡£升特(Semtech)公司将推出一款新的收发机£¬这款收发机集成了一种名为LoRa的扩频调?#21697;?#24335;和传统的GFSK调?#21697;?#24335;¡£如图展示了在GFSK调制和LoRa扩频调?#23631;?#31181;?#20302;?#20013;灵敏度相对数据速率的关?#30331;?#32447;¡£
 
¡¡¡¡与FSK?#20302;?#30456;比£¬使用同样低成本的晶体时这?#20013;?#30340;扩频方式在灵敏度上改?#23631;?0dB£¬理论上相当于增加了5倍的传输距离¡£
 
¡¡¡¡网络架构和协议
 
¡¡¡¡选择星型网还是网状网是影响整个无线网络?#20302;?#24615;能优劣的一个关键因素¡£星型网是具有最低延迟的最简单的网络结构¡£远距离¡¢共信道同步传输¡¢共信道抑制的改善和高选择性£¬这些扩频方式的优点为传感网络提供了一种可供选择的高性能的?#20302;?#35299;决方案£¬而这是传统FSK调?#21697;?#24335;无法达到的¡£
 
¡¡¡¡在相同速率下扩频调?#21697;?#24335;所具备的优势可以轻易地用于改善现有网状网的性能£¬而星形网也会达?#25509;?#33391;的?#20302;?#24615;能¡£利用星型网在郊区环?#26216;ÉÒ源?#21040;8-16km距离的情况下£¬我们不再需要很庞大的网状网结构来覆盖这么宽的范围¡£
 
¡¡¡¡一个多通道¡¢多调制解调方式的集中器可以?#35270;?#19981;同节点的不同速率和不同的功率£¬这样就可以获得最大的网络容量和最长的电池寿命¡£使用不同的扩频因子就可以改变扩频?#20302;?#30340;传输速率¡£可变的扩频因子提高了整个网络的?#20302;?#23481;量£¬因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存¡£借助网络仿真工具£¬我们可以很容易观察到£¬与传统采用固定速率的FSK?#20302;?#30456;比£¬采用上述技术的星型网能容易地获得很多优势£¬诸如95%的节点只?#21152;?0%的总能耗£¬同时整个?#20302;?#30340;容量也将提高5-6倍¡£
 
¡¡¡¡总的来说£¬与其他无线?#20302;?#30456;比£¬LoRa技术拥有如?#24405;?#22823;优势¡£它使用扩频调制技术£¬可解调低于20 dB的噪声¡£这确保了高灵敏度¡¢可靠的网络连接£¬同时提高了网络效?#20160;?#28040;除了干扰¡£而相比于网状网络£¬LoRaWAN协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数£¬因而降低了功耗并可?#24066;?#22810;个并发应用程序在网络?#26174;?#34892;¡£同时£¬LoRa技术实现的通信距离比其他无线协议?#23478;?#38271;得多£¬这使得LoRa?#20302;?#26080;需中继器即可工作£¬从而降低了整体拥有成本¡£?#36865;â£?#30456;较于3G和4G蜂窝网络£¬LoRa技术对嵌入?#25509;?#29992;而言可扩展性更强£¬性价比更高¡£
 
¡¡¡¡LoRaWAN是由LoRa联盟推出的一个低功耗广域网规范£¬这一技术可以为电池供电的无线设备提供区域¡¢国?#19968;?#20840;球的网络¡£LoRaWAN瞄准了物联网中的一些核心需求£¬如安全地双向通讯¡¢移动化和本地服务¡£该技术无需本地复?#20248;?#32622;£¬即可以让智能设备实现无缝互操作性£¬给物联网领域的用户¡¢开发者和企业自由操作权限¡£
 
¡¡¡¡LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构£¬在这个网络架构中£¬LoRa网关是一个透明的中继£¬连接前端终端设备和后端中央服务器¡£网关与服务器通过标准IP连接£¬而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信£¬所有的节点均是双向通信¡£
 
¡¡¡¡终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的£¬数据速率选择需要在传输距离和消息时延之间权衡¡£由于采用了扩频技术£¬不同数据传输速率通信不会互相干扰£¬?#19968;?#21019;建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量¡£LoRaWAN网络数据传输速率范围为0.3 kbps至50 kbps£¬为了最大化终端设备电池寿命和整个网络容量£¬LoRaWAN网络服务器通过一种速?#39318;允视?ADR)方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出¡£?#35270;?#20110;物联网的覆盖全国的网络需要解决诸如关键性基础设施¡¢机密的个人数据或社会公共服务等安全通信的问题£¬这方面一般采用多层加密的方式来解决£º
 
¡¡¡¡唯一网络密钥(EU164)并保证网络层安全;
¡¡¡¡唯一应用密钥(EU164)并保证应用层端到端的安全¡£
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