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，藍牙、Zigbee和Sub-Ghz等等。這些短距無線技術(shù)，優(yōu)缺點也都非常明顯。而且從無線應(yīng)用開發(fā)和工程運維人員角度來看，一直以來都存在這樣一個兩難問題：即設(shè)計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)計人員現(xiàn)在可做到兩者都兼顧，最大程度地實現(xiàn)更長距離的通信與更低的功耗，同時還可節(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)點數(shù)目來決定的。升特(Semtech)公司采用新的擴頻技術(shù)的的高性價比收發(fā)機方案將會改變以往的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的系統(tǒng)而又能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命并增加系統(tǒng)容量，進而擴展你的傳感網(wǎng)絡(luò)，于是LoRa技術(shù)應(yīng)運而生了。LoRa融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業(yè)無線電通信會融合這些技術(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

3、程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。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“展擴器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。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。實際上，當(dāng)你通過頻譜分析儀測量時，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)實際上可以從噪音中被提取出來。其實，擴頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來。在一個運轉(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，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實現(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強度的

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)才能達到相同的鏈路預(yù)算值。在實踐中，大多GFSK無線技術(shù)接收端靈敏度可達到-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)計中一個關(guān)鍵的可變因素，它將決定整個系統(tǒng)整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機靈敏度和發(fā)射機輸出功率共同決定，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，接收機的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現(xiàn)今高性價比無線收發(fā)機中應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方式是FSK或者GFSK。要進一步減小FSK系統(tǒng)的接收機帶寬，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，這款收發(fā)機集成了一種名為LoRa的擴頻調(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這種新的擴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)是影響整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個關(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，這些擴頻方式的優(yōu)點為傳感網(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)制方式無法達到的。在相同速率下擴頻調(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)也會達到最優(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。使用不同的擴頻因子就可以改變擴頻系統(tǒng)的傳輸速率?？勺兊臄U頻因子提高了整個網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，因為采用不同擴頻因子的信號可以在一個信道中共存。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)點只占用10%的總能耗，同時整個系統(tǒng)的容量也將提高5

9、-6倍。總的來說，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并發(fā)應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上運行。同時，LoRa技術(shù)實現(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)用而言可擴展性更強，性價比更高。LoRaWAN是由LoRa聯(lián)盟推出的一個低功耗廣域網(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)是一個典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個透明的中繼，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)備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點均是雙向通信。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延之間權(quán)衡。由于采用了擴頻技術(shù)，不同數(shù)據(jù)傳輸速率通信不會互

11、相干擾，且會創(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、機密的個人數(shù)據(jù)或社會公共服務(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)點具有多層級安全方案，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）：處于A等級的終端設(shè)備允許雙向通信，每一終端設(shè)備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設(shè)備的傳輸槽是基于其自身通信需求，其微調(diào)是基于一個隨機的時間基準(zhǔn)（ALOHA協(xié)議）。A等級的終端設(shè)備應(yīng)用中功耗最低，在終端發(fā)送一個上行傳輸信號后才能與服務(wù)器進行下行通信，與服務(wù)器任何時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）：B等級的終端設(shè)備會在預(yù)設(shè)時間中開放多余的接收窗口，為了達到這一目的，終端設(shè)備會同步從網(wǎng)關(guān)接收到一個Beacon，這一方式會讓服務(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）：C等級的終端設(shè)

13、備幾乎持續(xù)為接收窗口開放，只在傳輸時關(guān)閉。LoRa廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)在法國即將商用法國電信運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)及較偏遠的一個區(qū)，預(yù)計到今年年底網(wǎng)絡(luò)可覆蓋巴黎地區(qū)的約300個鎮(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)時間達10年之久?！拔锫?lián)網(wǎng)將徹底改變我們的經(jīng)濟?！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月的世界移動通信大會上成立了該聯(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)用進行了測試。事實上，布依格并非法國唯一一家投資物聯(lián)網(wǎng)的運營商。就在不久前，法國主導(dǎo)運營商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)和機對機（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，這為不少廠商的獨家技術(shù)提供了一個機會，主要是900MHz解決方案。4G機器類型通訊標(biāo)準(zhǔn)（LTE MTC）對于那些積極想關(guān)閉效率不彰2G網(wǎng)路的營運商來說，似乎是最順暢的一個接替方案；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)主辦的座談會上，市場研究機構(gòu)Machina Research首席分析師Godfrey Chua估計，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，一個成本與功耗都降低的2G標(biāo)準(zhǔn)會是LTE MTC之外的替代方案，不過預(yù)期大型蜂窩網(wǎng)絡(luò)營運商很少會采用這種強化版的2G方案；因為LTE的頻譜效率比GPRS高出250倍，營運商會需要改用頻譜效率更高的LTE，以節(jié)省高達4.4億美元的頻譜費用。另外，Hosain也表示，他研究過市場上各種獨家技術(shù)，包括來自Sigfox、Sem