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LoRawan无线技术详解

2020/6/16 19:27:09      点击:
loRa简介

物联网应用中的无线技术有多种,可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi,蓝牙、Zigbee等,组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线技术,优缺点非常明显,可如下图总结。在低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)产生之前,似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用LPWAN技术之后,设计人员可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离通信与更低功耗,同时还可节省额外的中继器成本。 

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种,是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统,进而扩展传感网络。目前,LoRa 主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

LoRa网络构成

LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

LoRa联盟LoRa联盟是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织,发起成员还有法国Actility,中国AUGTEK和荷兰皇家电信kpn等企业。不到一年时间,联盟已经发展成员公司150余家,其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级产商。产业链(终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商)中的每一环均有大量的企业,这种技术的开放性,竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

LoRaWAN协议

LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求,如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置,就可以让智能设备间实现无缝对接互操作,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网关是一个透明传输的中继,连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接,终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信,同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。

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,数据速率的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,不同传输速率的通信不会互相干扰,且还会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率范围为0.3 kbps至37.5 kbps,为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量,LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应(Adaptive Data Rate , ADR)方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。 全国性覆盖的广域网络瞄准的是诸如关键性基础设施建设、机密的个人数据传输或社会公共服务等物联网应用。 关于安全通信,LoRaWAN一般采用多层加密的方式来解决:一、独特的网络密钥(EU164),保证网络层安全;二、独特的应用密钥(EU164),保证应用层终端到终端之间的安全;三、属于设备的特别密钥(EUI128)。 LoRaWAN网络根据实际应用的不同,把终端设备划分成A/B/C三类:Class A:双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信,每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求,其微调是基于一个随机的时间基准(ALOHA协议)。Class  A所属的终端设备在应用时功耗最低,终端发送一个上行传输信号后,服务器能很迅速地进行下行通信,任何时候,服务器的下行通信都只能在上行通信之后。