LoRa WAN協議.doc

LoRa WAN 協議物聯網應用中的無線技術，除城域網的 2G/3G/4G 外， 還有局域網和短距的多種通信技術，比如 2.4G 頻段的 WiFi，藍 牙、Zigbee 和 Sub-Ghz 等等。這些短距無線技術，優缺點也都非常明顯。而且從無線應用開 發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 技術之后，設計人員現在可做到兩者都兼顧，最大程度地 實現更長距離的通信與更低的功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。一般說來，傳輸速率、工作頻段和網絡拓撲結構是影響傳感網 絡特性的三個主要參數。傳輸速率的選擇將決定系統的傳輸距離和電池壽命。工作頻段的選擇要折衷考慮頻段和系統的設計目標。而在 FSK 系統中網絡拓撲結構的選擇是由 傳輸距離要求和系統需要的節點數目來決定的。升特(Semtech)公司采用新的擴頻技術的的高性價比收發機方案將會改變以往的折衷考慮方式，為用戶提供一種 簡單的系統而又能實現遠 距離、 長電池壽命并增加系統容量，進而擴展你的傳感網絡 ，于是 LoRa 技術應運而生了。LoRa 融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著 LoRa 的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗余信息， 這樣，數據 傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。 這一技術減少了以往 創建“自修復”數據包來重發的需求，且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。一旦數據包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數據包將被送到數字擴頻調制器中。這一調制器將分 組數據包中每一比特饋 入一個“展擴器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。LoRa 調制解 調器經配置后，可劃分的范圍為 64-4096 碼片/比特。AngelBlocks 配置 調制解調器可使用 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 技術可將小容量數據通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上，當你通過頻譜分析儀測 量時， 這些數據看上去像噪音，但區別在于噪音是不相關的，而數據具有相關性，基于此，數據實際上可以從噪音中被提取出來。其 實，擴頻因子越高，越多數據可從噪音中提取出來。在一個運轉良好的 GFSK 接收端，8dB 的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調信號，采用配置 AngelBlocks 的方式，LoRa 可解調一個信號，其信噪比為-20dB， GFSK 方式與這一結果差距為 28dB，這 相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環境下，6dB 的差距就可以實現 2 倍于原來的傳輸距離。為了有效地對比不同技術之間傳輸范圍的表現，我 們使用一個叫做 “鏈路預算”的定量指標。 鏈路預算包括影響接收端信號 強度的每一變量，在其 簡 化體系中包括發射功率加上接收端靈敏度。AngelBlocks 的發射功率為 100mW (20dBm)，接收端靈敏度為-129dBm， 總的鏈路預算為 149dB。比 較 而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數據）的 GFSK 無線技術，需要5W 的功率(37dBm) 才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中，大多 GFSK 無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm，在此狀況下，發射端發射頻率必須為 46dBm 或者大約 36W，才能達到與 LoRa 類似的 鏈路預算值。因此，使用 LoRa 技術我們能夠以低發射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術正是我們所需的。傳輸速率和距離傳輸速率是系統設計中一個關鍵的可變因素，它將決定整個系統整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機靈敏度和發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算。輸出功率受限于標準 規范，所以只有通 過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數據速率非常重要的影響。對所有的 調制方式來說，越低的速率，接收機的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現今高性價比無 線收發機中應用最廣泛的 調制方式是 FSK 或者 GFSK。要 進一步減小 FSK 系統的接收機 帶寬，唯一可行的 辦法就是提高參考晶體的精確度。在等同的數據速率條件下，商用的低成本擴頻調制方式可以獲得比 傳統 FSK 調制方式高 8-10dB 的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發機，這款收發機集成了一種名為 LoRa 的擴頻調制方式和傳統的 GFSK 調制方式。如圖展示了在 GFSK 調制和 LoRa 擴頻調制兩種系統中靈敏度相對數據速率的關系曲線。與 FSK 系統相比，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 論上相當于增加了 5 倍的傳輸距離。網絡架構和協議選擇星型網還是網狀網是影響整個無線網絡系統性能優劣的一個關鍵因素。星型網是具有最低延遲的最簡單的網絡結構。 遠距離、共信道同步 傳輸 、共信道抑制的改善和高選擇性，這些擴頻方式的優點為傳 感網絡提供了一種可供選擇 的高性能的系統解決方案，而 這是傳統 FSK 調制方式無法達到的。在相同速率下擴頻調制方式所具備的優勢可以輕易地用于改善現有網狀網的性能，而星形網也會達到最優的系統性能。利用星型網在郊區 環境可以達到 8-16km 距離的情況下，我們不再需要很龐大的網狀網結構來覆蓋這么寬的范圍。一個多通道、多調制解調方式的集中器可以適 應不同節點的不同速率和不同的功率，這樣就可以獲得最大的網絡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的傳輸速率。可變的擴頻因子提高了整個網 絡的系統容量，因為采用不同擴頻因子的信號可以在一個信道中共存。借助網絡仿真工具，我 們可以很容易 觀察到，與傳統采用固定速率的 FSK 系統相比，采用上述技術的星型網能容易地獲得很多 優勢， 諸如 95%的節點只占用10%的總 能耗，同時整個系統的容量也將提高 5-6 倍。總的來說，與其他無線系統相比，LoRa 技術擁有如下幾大優勢。它使用 擴頻調制技術，可解調低于 20 dB 的噪聲。這確保了高靈敏度、可靠的網絡連接，同時提高了網絡效率并消除了干擾。而相比于網狀網絡 ，LoRaWAN 協議的星形拓撲結構消除了同步開銷和跳數，因而降低了功耗并可允許多個并發應用程序在網絡上運行。同時， LoRa 技術實現的通信距離比其他無線協議都要長得多， 這使得 LoRa 系統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 蜂窩網絡，LoRa 技術對嵌入式 應用而言可擴展性更強，性價比更高。LoRaWAN 是由 LoRa 聯盟推出的一個低功耗廣域網 規范，這一技術可以為電池供電的無 線設備提供區域、國家或全球的網絡。 LoRaWAN 瞄準了物聯網中的一些核心需求，如安全地雙向通 訊 、移動化和本地服 務。該技術無需本地復雜 配置，即可以 讓智能設備實現無縫互操作性，給物 聯網領域的用戶、開 發者和企 業自由操作權限。LoRaWAN 網絡架構是一個典型的星形拓撲 結構，在 這個網絡架構中，LoRa 網關是一個透明的中繼，連接前端終端 設備和后端中央服務器。網關與服務器通過標準 IP 連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信。終端與網關之間的通信是在不同頻率和數據傳輸速率基礎上完成的，數據速率選擇需要在傳輸距離和消息時延之間權衡。由于采用了 擴頻技術 ，不同數據 傳輸速率通信不會互相干擾，且會創建一組“ 虛擬化”的頻段來增加網關容量。 LoRaWAN 網絡數據傳輸速率范圍為0.3 kbps 至 50 kbps，為了最大化 終端設備電池壽命和整個網 絡容量， LoRaWAN 網絡服務器通過一種速率自適應（ADR）方案來控制數據傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出。適用于物聯網的覆蓋全國的網絡需要解決諸如關鍵性基礎設施、機密的個人數據或社會公共服 務等安全通信的問題，這方面一般采用多 層加密的方式來解決：唯一網絡密鑰（EU164）并保證 網絡層安全唯一應用密鑰（EU164）并保證應 用層端到端的安全設備特別密鑰（EUI128）LoRaWAN 網絡各節點具有多層級安全方案，保證各類應用的不同需求：雙向通信終端設備（A 等級）： 處于 A 等級的終端設備允許 雙向通信，每一 終端設備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸槽是基于其自身通信需求，其微調是基于一個隨機的時間基準（ALOHA 協議）。 A 等級的終端設備應用中功耗最低，在終端發送一個上行傳輸信號后才能與服務器進行下行通信，與服 務器任何 時候的下行通信都只能是在上行通信之后。具有預設接收槽的雙向通信終端設備（B 等級）：B 等級的終 端設備會在預設時間中開放多余的接收窗口，為了達到這 一目的， 終端設備會同步從網關接收到一個 Beacon，這一方式會讓服務器了解終端設備正在“傾聽”。具有最大接收槽的雙向通信終端設備（C 等級）：C 等級的終 端設備幾乎持續為接收窗口開放，只在傳輸時關閉。LoRa 廣域覆蓋網絡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 網專用網絡商用業務。商用初期，該網絡將覆蓋巴黎部分地區及 較偏遠的一個區，預計到今年年底網絡可覆蓋巴黎地區的約 300 個鎮。據悉，布依格的物聯網將使用 LoRa 技術，即一種低能耗廣域網技術應用于無線領域，供電設備 部署在本地、地區、國家甚至是全球網 絡中。LoRa 支持 0.3kbps至 50kbps 的數據傳輸速率，對 于需要長時間共享小量數據的智能 終端來說非常適用。相關數據顯示，LoRa 終端僅靠電池就可維持在網時間達 10 年之久。“物聯網將徹底改變我們的經濟。 ”布依格首席執行官 Olivier Roussat 在一份聲明中說。布依格是 LoRa 聯盟的創始成員之一，該公司聯合其他公司于今年 3 月的世界移動通信大會上成立了該聯盟。布依格稱，LoRa 可應用于諸多垂直行 業，包括能源、汽 車、物流、農業、水利、商業、環保和制造產業等。布依格此前聯合 LoRa 芯片生產廠家 Semtech 于 2013 年 11 月對相關技術和應用進行了測試。事實上，布依格并非法國唯一一家投資物聯網的運營商。就在不久前，法國主導運營商Orange 公司公布了雄心勃勃的 發展目標，希望在 2018 年前在物聯網和機對機（M2M ）業務領域獲得 6 億歐元（約合 40.38 億元人民幣）的收入。低功耗網絡中 LoRa 的優勢實際上，早在布依格電信宣布推出 LoRa 網絡之前， 對于專用于物聯網的低功耗網絡就展開過多次討論，LoRa 在所有可 選方案中具有很強競爭優勢。此前認為，仍在開發階段的新版本 2G 與 LTE 標準可望為物聯網提供成本較低、功耗較低的蜂窩網絡連結方案，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提供了一個機會，主要是 900MHz 解決方案。4G 機器類型通訊標準（LTE MTC）對于那些積極想關閉效率不彰 2G 網路的營運商來說，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準，都面臨來自Sigfox、Semtech 等公司的競爭，那些公司能提供號稱功耗、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盟(Wireless Communications Alliance)主辦的座談會上，市場研究機構 Machina Research 首席分析師 Godfrey Chua 估計，到 2023 年 LTE MTC 可望作為占據所有物聯網裝置 10%的連結方案。不過，來自 Aeris 的 Hosain 表示，一個成本與功耗都降低的 2G 標準會是 LTE MTC 之外的替代方案，不過預期大型蜂 窩網絡營運商很少會采用 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，包括來自 Sigfox、Semtech 與OnRamp 等公司的方案，那些方案雖然缺乏廣泛的市場覆蓋率以及有助于被廣泛采用的開放性標準，但有機會獲得一些市 場。 “我預測 Semtech 的 LoRa Alliance 發展機會最好，因為他們有一個生態系統，包括了 IBM 等來自不同產業鏈的成員 。”Hosain 表示，他們除非能在一個國家與所有的運營商都簽署了協議，不然就會被 認為沒有成功。生態系統的競爭成為低功耗物聯網網絡的關鍵，目前 LoRa 聯盟的成員中有多家運營商，未來若能拓展到更多主流運營商，則會在這一領域形成先發優勢 。