吴锡豪LoRa和LoRaWAN技术概览-嵌入式资讯

吴锡豪LoRa和LoRaWAN技术概览-嵌入式资讯

吴锡豪1 简介本文的目的是针对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。2LoRa?是什么?LoRa?是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统的无线系统使用频移键控(FSK)调制作为物理层,因为它是一种实现低功耗的非常有效的调制。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方公里范围。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。

3 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送几次。LPWAN中的重要因素LPWAN中最关键的因素是:
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
4 LoRaWAN是什么?LoRaWAN?定义了网络的通讯协议和系统架构,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,长距离星型架构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)转发到基于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,通过最优的网关进行调度确认,并执行自适应数据速率等。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,无论是事件驱动还是时间调度。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。高网络容量利用自适应的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,有效的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,填满可用的频谱比它需要的时间更长。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。自适应数据速率也优化了节点的电池寿命。为使自适应的数据速率工作,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,减少串音次数,可扩展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,其限制了下行链路的容量,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):A类的终端设备允许双向通信,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系统。在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):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。这允许服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):C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: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问终端用户的应用数据。密钥交换使用了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。欧洲和北美已制定了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司有明显的优势。欧洲LoRaWAN?LoRaWAN?定义了10个信道,其中8个是从250bps到5.5bps的多数据速率信道,一个以11kbps高数据速率LoRa?信道,一个以50kbps的FSK信道。欧洲ETSI允许的最大的输出功率是+14dBM,除G3频段允许+27dBm之外。根据ETSI规定有占空比限制,但没有最大传输或信道停留时间限制。北美LoRaWAN?北美ISM频段是902-928MHz。LoRaWAN?定义了64,125kHz的上行链路信道以200kHz增量从902.3到914.9MHz。还有另外8个500KHz的上行链路信道,以1.6MHz的增量从903MHz到914.9MHz。8个下行链路信道是500kHz宽,从923.3MHz开始到927.5MHz。北美902-928MHz频段最大输出功率是+30dBm,但对于大多数设备+20dBm就足够了。根据FCC规定没有占空比限制,但每个信道有400毫秒最大停留时间限制。

北美LoRaWAN? 混合模式大多数人都熟悉FCC的跳频要求,在ISM频段需要使用大于 50 个相等的信道。LoRaWAN?定义了超过50个信道以便利用可用频谱,允许最大输出功率。LoRa?调制作为一种数字调制技术,因此不必遵循在混合模式的操作下由FCC指定的所有跳频要求。在混合模式下,最大输出功率被限制到+21dBm,在混合模式下仅使用64上行链路信道中的8个信道的部分子集。来自于FCC:“在同一载波同一时间上,混合系统使用数字调制和跳频两种技术。如章节15.247(f)中图示,当跳频功能关闭时,混合系统在任何的3kHz频段必须遵守8dBm的功率密度标准。当跳频功能打开时,传输也必须遵守 0.4 秒/信道最大驻留时间。这种类型的混合系统没有规定遵循通常与一个DTS传输相关联的500kHz最小带宽的要求。 还有,与这种类型的混合系统相关联的跳频信道的最小数没有规定。6 比较LPWAN技术选项在物联网领域有许多从技术比较同时也从商务模式前景角度比较LPWAN选型的活动。现在LPWAN网络正在部署,因为有强大的商业案例可以支持立即部署,在免授权频段部署网络的成本需要甚者比3G软件升级更少的资金。要比较不同的LPWAN技术,应回答的问题是:
针对各种大型应用的灵活性
通信协议是安全的吗?
技术方面 — 距离、容量、双向通信、干扰的鲁棒性
网络部署成本,终端节点BOM的成本、电池的成本(BOM最大的贡献者)
解决方案提供商的生态系统提供灵活的商业模式
可用的终端产品确保网络部署的投资回报率(ROI)
生态系统的优势确保质量和解决方案的寿命

7 LPWAN成本对比传统系统LoRaWAN? 在部署和要求的基础设施上与现有系统系统相比成本节省比较明显。下面是由Talkpool公司做的分析,其在部署WMBus和基于LoRa的解决方案上有着丰富的经验。

作者:admin 2019年03月15日