LoRa WAN協(xié)議

1、LoRa WAN協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線技術(shù)，除城域網(wǎng)的2G/3G/4G外，還有局域網(wǎng)和短距的多種通信技術(shù)，比如2.4G 頻段的WiFi，藍(lán)牙、Zigbee和Sub-Ghz等等。這些短距無線技術(shù)，優(yōu)缺點(diǎn)也都非常明顯。而且從無線應(yīng)用開發(fā)和工程運(yùn)維人員角度來看，一直以來都存在這樣一個(gè)兩難問題：即設(shè)計(jì)人員在更長的距離和更低的功耗兩者之間只能二選一。而采用LoRa技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可做到兩者都兼顧，最大程度地實(shí)現(xiàn)更長距離的通信與更低的功耗，同時(shí)還可節(jié)省額外的中繼器成本。一般說來，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響傳感網(wǎng)絡(luò)特性的三個(gè)主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將決定系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命。

2、工作頻段的選擇要折衷考慮頻段和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。而在FSK系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來決定的。升特(Semtech)公司采用新的擴(kuò)頻技術(shù)的的高性價(jià)比收發(fā)機(jī)方案將會(huì)改變以往的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的系統(tǒng)而又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命并增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而擴(kuò)展你的傳感網(wǎng)絡(luò)，于是LoRa技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生了。LoRa融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級(jí)的工業(yè)無線電通信會(huì)融合這些技術(shù)，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)

3、程中注入的錯(cuò)誤碼元在接收端就會(huì)被及時(shí)糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯(cuò)編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個(gè)“展擴(kuò)器”中，將每一比特時(shí)間劃分為眾多碼片。LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特。AngelBlocks配置調(diào)制解調(diào)器可使用4096碼片/比特中的最高擴(kuò)頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa技術(shù)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸

4、出去。實(shí)際上，當(dāng)你通過頻譜分析儀測量時(shí)，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，基于此，數(shù)據(jù)實(shí)際上可以從噪音中被提取出來。其實(shí)，擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來。在一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調(diào)信號(hào)，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個(gè)信號(hào)，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實(shí)現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。為了有效地對比不同技術(shù)之間傳輸范圍的表現(xiàn)，我們使用一個(gè)叫做“鏈路預(yù)算”的定量指標(biāo)。鏈路預(yù)算包括影響接收端信號(hào)強(qiáng)度的

5、每一變量，在其簡化體系中包括發(fā)射功率加上接收端靈敏度。AngelBlocks的發(fā)射功率為100mW (20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預(yù)算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數(shù)據(jù)）的GFSK無線技術(shù)，需要5W的功率(37dBm)才能達(dá)到相同的鏈路預(yù)算值。在實(shí)踐中，大多GFSK無線技術(shù)接收端靈敏度可達(dá)到-103dBm，在此狀況下，發(fā)射端發(fā)射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達(dá)到與LoRa類似的鏈路預(yù)算值。因此，使用LoRa技術(shù)我們能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術(shù)正是我們所需的。傳輸速率和距離傳輸速率是系統(tǒng)

6、設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的可變因素，它將決定整個(gè)系統(tǒng)整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機(jī)靈敏度和發(fā)射機(jī)輸出功率共同決定，兩者之間的差值我們稱之為鏈路預(yù)算。輸出功率受限于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所以只有通過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數(shù)據(jù)速率非常重要的影響。對所有的調(diào)制方式來說，越低的速率，接收機(jī)的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現(xiàn)今高性價(jià)比無線收發(fā)機(jī)中應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方式是FSK或者GFSK。要進(jìn)一步減小FSK系統(tǒng)的接收機(jī)帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度。在等同的數(shù)據(jù)速率條件下，商用的低成本擴(kuò)頻調(diào)制方式可以獲得比傳統(tǒng)FSK調(diào)制方式高8-10dB的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發(fā)

7、機(jī)，這款收發(fā)機(jī)集成了一種名為LoRa的擴(kuò)頻調(diào)制方式和傳統(tǒng)的GFSK調(diào)制方式。如圖展示了在GFSK調(diào)制和LoRa擴(kuò)頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。與FSK系統(tǒng)相比，使用同樣低成本的晶體時(shí)這種新的擴(kuò)頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當(dāng)于增加了5倍的傳輸距離。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議選擇星型網(wǎng)還是網(wǎng)狀網(wǎng)是影響整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵因素。星型網(wǎng)是具有最低延遲的最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)距離、共信道同步傳輸、共信道抑制的改善和高選擇性，這些擴(kuò)頻方式的優(yōu)點(diǎn)為傳感網(wǎng)絡(luò)提供了一種可供選擇的高性能的系統(tǒng)解決方案，而這是傳統(tǒng)FSK調(diào)制方式無法達(dá)到的。在相同速率下擴(kuò)頻調(diào)制方式所具備的優(yōu)勢可以輕易地用

8、于改善現(xiàn)有網(wǎng)狀網(wǎng)的性能，而星形網(wǎng)也會(huì)達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。利用星型網(wǎng)在郊區(qū)環(huán)境可以達(dá)到8-16km距離的情況下，我們不再需要很龐大的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)來覆蓋這么寬的范圍。一個(gè)多通道、多調(diào)制解調(diào)方式的集中器可以適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)的不同速率和不同的功率，這樣就可以獲得最大的網(wǎng)絡(luò)容量和最長的電池壽命。使用不同的擴(kuò)頻因子就可以改變擴(kuò)頻系統(tǒng)的傳輸速率?？勺兊臄U(kuò)頻因子提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，因?yàn)椴捎貌煌瑪U(kuò)頻因子的信號(hào)可以在一個(gè)信道中共存。借助網(wǎng)絡(luò)仿真工具，我們可以很容易觀察到，與傳統(tǒng)采用固定速率的FSK系統(tǒng)相比，采用上述技術(shù)的星型網(wǎng)能容易地獲得很多優(yōu)勢，諸如95%的節(jié)點(diǎn)只占用10%的總能耗，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的容量也將提高5

9、-6倍?？偟膩碚f，與其他無線系統(tǒng)相比，LoRa技術(shù)擁有如下幾大優(yōu)勢。它使用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，可解調(diào)低于20 dB的噪聲。這確保了高靈敏度、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾。而相比于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，LoRaWAN協(xié)議的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了同步開銷和跳數(shù)，因而降低了功耗并可允許多個(gè)并發(fā)應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。同時(shí)，LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信距離比其他無線協(xié)議都要長得多，這使得LoRa系統(tǒng)無需中繼器即可工作，從而降低了整體擁有成本。此外，相較于3G和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，LoRa技術(shù)對嵌入式應(yīng)用而言可擴(kuò)展性更強(qiáng)，性價(jià)比更高。LoRaWAN是由LoRa聯(lián)盟推出的一個(gè)低功耗廣域網(wǎng)規(guī)范，這一技術(shù)可以為電池供

10、電的無線設(shè)備提供區(qū)域、國家或全球的網(wǎng)絡(luò)。LoRaWAN瞄準(zhǔn)了物聯(lián)網(wǎng)中的一些核心需求，如安全地雙向通訊、移動(dòng)化和本地服務(wù)。該技術(shù)無需本地復(fù)雜配置，即可以讓智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫互操作性，給物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的用戶、開發(fā)者和企業(yè)自由操作權(quán)限。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明的中繼，連接前端終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點(diǎn)均是雙向通信。終端與網(wǎng)關(guān)之間的通信是在不同頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率基礎(chǔ)上完成的，數(shù)據(jù)速率選擇需要在傳輸距離和消息時(shí)延之間權(quán)衡。由于采用了擴(kuò)頻技術(shù)，不同數(shù)據(jù)傳輸速率通信不會(huì)互

11、相干擾，且會(huì)創(chuàng)建一組“虛擬化”的頻段來增加網(wǎng)關(guān)容量。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.3 kbps至50 kbps，為了最大化終端設(shè)備電池壽命和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過一種速率自適應(yīng)（ADR）方案來控制數(shù)據(jù)傳輸速率和每一終端設(shè)備的射頻輸出。適用于物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋全國的網(wǎng)絡(luò)需要解決諸如關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)密的個(gè)人數(shù)據(jù)或社會(huì)公共服務(wù)等安全通信的問題，這方面一般采用多層加密的方式來解決：唯一網(wǎng)絡(luò)密鑰（EU164）并保證網(wǎng)絡(luò)層安全唯一應(yīng)用密鑰（EU164）并保證應(yīng)用層端到端的安全設(shè)備特別密鑰（EUI128）LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)具有多層級(jí)安全方案，保證各類應(yīng)用的

12、不同需求：雙向通信終端設(shè)備（A等級(jí)）：處于A等級(jí)的終端設(shè)備允許雙向通信，每一終端設(shè)備上行傳輸會(huì)伴隨著兩個(gè)下行接收窗口。終端設(shè)備的傳輸槽是基于其自身通信需求，其微調(diào)是基于一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)（ALOHA協(xié)議）。A等級(jí)的終端設(shè)備應(yīng)用中功耗最低，在終端發(fā)送一個(gè)上行傳輸信號(hào)后才能與服務(wù)器進(jìn)行下行通信，與服務(wù)器任何時(shí)候的下行通信都只能是在上行通信之后。具有預(yù)設(shè)接收槽的雙向通信終端設(shè)備（B等級(jí)）：B等級(jí)的終端設(shè)備會(huì)在預(yù)設(shè)時(shí)間中開放多余的接收窗口，為了達(dá)到這一目的，終端設(shè)備會(huì)同步從網(wǎng)關(guān)接收到一個(gè)Beacon，這一方式會(huì)讓服務(wù)器了解終端設(shè)備正在“傾聽”。具有最大接收槽的雙向通信終端設(shè)備（C等級(jí)）：C等級(jí)的終端設(shè)

13、備幾乎持續(xù)為接收窗口開放，只在傳輸時(shí)關(guān)閉。LoRa廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)在法國即將商用法國電信運(yùn)營商布依格電信宣布，將在今年6月推出物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)商用業(yè)務(wù)。商用初期，該網(wǎng)絡(luò)將覆蓋巴黎部分地區(qū)及較偏遠(yuǎn)的一個(gè)區(qū)，預(yù)計(jì)到今年年底網(wǎng)絡(luò)可覆蓋巴黎地區(qū)的約300個(gè)鎮(zhèn)。據(jù)悉，布依格的物聯(lián)網(wǎng)將使用LoRa技術(shù)，即一種低能耗廣域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無線領(lǐng)域，供電設(shè)備部署在本地、地區(qū)、國家甚至是全球網(wǎng)絡(luò)中。LoRa支持0.3kbps至50kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，對于需要長時(shí)間共享小量數(shù)據(jù)的智能終端來說非常適用。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，LoRa終端僅靠電池就可維持在網(wǎng)時(shí)間達(dá)10年之久?！拔锫?lián)網(wǎng)將徹底改變我們的經(jīng)濟(jì)?！辈家栏袷紫瘓?zhí)行官Olivi

14、er Roussat在一份聲明中說。布依格是LoRa聯(lián)盟的創(chuàng)始成員之一，該公司聯(lián)合其他公司于今年3月的世界移動(dòng)通信大會(huì)上成立了該聯(lián)盟。布依格稱，LoRa可應(yīng)用于諸多垂直行業(yè)，包括能源、汽車、物流、農(nóng)業(yè)、水利、商業(yè)、環(huán)保和制造產(chǎn)業(yè)等。布依格此前聯(lián)合LoRa芯片生產(chǎn)廠家Semtech于2013年11月對相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了測試。事實(shí)上，布依格并非法國唯一一家投資物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營商。就在不久前，法國主導(dǎo)運(yùn)營商Orange公司公布了雄心勃勃的發(fā)展目標(biāo)，希望在2018年前在物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)對機(jī)（M2M）業(yè)務(wù)領(lǐng)域獲得6億歐元（約合40.38億元人民幣）的收入。低功耗網(wǎng)絡(luò)中LoRa的優(yōu)勢實(shí)際上，早在布依格電

15、信宣布推出LoRa網(wǎng)絡(luò)之前，對于專用于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗網(wǎng)絡(luò)就展開過多次討論，LoRa在所有可選方案中具有很強(qiáng)競爭優(yōu)勢。此前認(rèn)為，仍在開發(fā)階段的新版本 2G 與 LTE 標(biāo)準(zhǔn)可望為物聯(lián)網(wǎng)提供成本較低、功耗較低的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連結(jié)方案，不過它們都要等到2016年以后才能上線，這為不少廠商的獨(dú)家技術(shù)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，主要是900MHz解決方案。4G機(jī)器類型通訊標(biāo)準(zhǔn)（LTE MTC）對于那些積極想關(guān)閉效率不彰2G網(wǎng)路的營運(yùn)商來說，似乎是最順暢的一個(gè)接替方案；不過無論是哪一種新版蜂窩式標(biāo)準(zhǔn)，都面臨來自Sigfox、Semtech等公司的競爭，那些公司能提供號(hào)稱功耗

16、、成本較低的替代方案，只是尚未廣泛布署。在一場由無線通訊聯(lián)盟(Wireless Communications Alliance)主辦的座談會(huì)上，市場研究機(jī)構(gòu)Machina Research首席分析師Godfrey Chua估計(jì)，到2023年LTE MTC可望作為占據(jù)所有物聯(lián)網(wǎng)裝置10%的連結(jié)方案。不過，來自Aeris的Hosain 表示，一個(gè)成本與功耗都降低的2G標(biāo)準(zhǔn)會(huì)是LTE MTC之外的替代方案，不過預(yù)期大型蜂窩網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商很少會(huì)采用這種強(qiáng)化版的2G方案；因?yàn)長TE的頻譜效率比GPRS高出250倍，營運(yùn)商會(huì)需要改用頻譜效率更高的LTE，以節(jié)省高達(dá)4.4億美元的頻譜費(fèi)用。另外，Hosain也表示，他研究過市場上各種獨(dú)家技術(shù)，包括來自Sigfox、Sem