LoRa 和 LoRaWAN 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

2022-04-18

 LoRa 和 LoRaWAN 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的世界中，連接就是一切。它是物聯(lián)網(wǎng)中的“我”，也是我們提供遠程產(chǎn)品和應用程序的工具，這些產(chǎn)品和應用程序可以將他們的地面智能傳輸到云中進(jìn)行監控、管理和決策。雖然向產(chǎn)品、設備或機器添加連接從未如此簡(jiǎn)單，但為解決方案選擇正確的連接選項仍然充滿(mǎn)復雜性。

在某些情況下，很明顯以太網(wǎng)或 Wi-Fi 是正確的選擇——例如在家庭或工廠(chǎng)中。在其他情況下，近場(chǎng)通信 (NFC) 或藍牙可能是首選選項，因為您的解決方案需要短距離設備到設備通信。但是，如果您的產(chǎn)品是移動(dòng)的，或者在 Wi-Fi 設置的復雜性根本無(wú)法實(shí)現的城市、農業(yè)或其他環(huán)境中，您就只能尋找其他地方了。具體來(lái)說(shuō)，在蜂窩或 LoRa（由“遠程”一詞形成）和 LoRaWAN（遠程廣域網(wǎng)）。

通過(guò)全球統一的頻段和運營(yíng)商間漫游協(xié)議，以及為數據密集型應用提供高帶寬連接的可用性，蜂窩網(wǎng)絡(luò )的全球覆蓋范圍使這種方法對許多用例具有吸引力。盡管具有吸引力，但一些應用偏愛(ài) LoRa，其信號抗噪，并且免費、未經(jīng)許可的頻段的可用性使得單個(gè)設備的單位成本顯著(zhù)降低。

鑒于不同的需求將導致您選擇蜂窩或 LoRa，并且這些方法更具互補性而不是競爭性，讓我們更深入地研究 LoRa。 

什么是洛拉？

LoRa 是一種低功耗通信協(xié)議，旨在使用未經(jīng)許可的頻譜進(jìn)行長(cháng)距離操作，特別是為工業(yè)、科學(xué)和醫療 (ISM) 目的保留的無(wú)線(xiàn)電頻段。

LoRa 設備以亞千兆赫頻率進(jìn)行通信，因此可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間的數據傳輸，盡管可用頻段很窄，而且一些政府對這些頻段上的設備傳輸頻率有嚴格的規定。在開(kāi)放系統互連 (OSI) 術(shù)語(yǔ)中，如圖 1 中的參考模型所示，LoRa 芯片是支撐其之上所有事物的物理層，并使硬件設備能夠利用未經(jīng)許可的頻譜進(jìn)行低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)應用程序?；旧?，它規定了用于無(wú)線(xiàn)電通信的頻譜和協(xié)議。

圖 1. LoRa 在 OSI 參考模型的物理層運行 

盡管 LoRa 在亞千兆赫頻譜下運行，但 LoRa 芯片利用的特定頻段因地區而異。歐洲的 LoRa 無(wú)線(xiàn)電的工作頻率為 863-870/873 MHz，而亞洲和南美的設備工作頻率為 915-928 MHz，北美的設備工作頻率為 902-928 MHz。在為某個(gè)應用購買(mǎi) LoRa 芯片時(shí)，許多芯片將根據特定的范圍要求預先編程到某個(gè)地區的頻譜。在圖 2 中可以看到具有 LoRa 頻率范圍的頻譜概覽。

圖 2. LoRa 無(wú)線(xiàn)電在亞千兆赫頻譜上運行。

除了使用的頻譜之外，LoRa 還指定了用于無(wú)線(xiàn)電通信或LoRa PHY的協(xié)議。

LoRa 調制：啁啾擴頻

LoRa 使用專(zhuān)有的無(wú)線(xiàn)調制技術(shù)，它是啁啾擴頻的衍生物，它使用“啁啾”脈沖作為編碼信息的一種方式。啁啾是一種正弦波，如圖 3 所示，其信號頻率隨時(shí)間增加或減少。

圖 3. LoRa 使用一系列增加（如此處所示）或減少的“啁啾”脈沖對信息進(jìn)行編碼。

LoRa 無(wú)線(xiàn)電通過(guò)使用多個(gè)信息啁啾來(lái)表示有效載荷中的每一位信息來(lái)執行其調制。在這種情況下，名稱(chēng)中的“擴頻”意味著(zhù)使用這種技術(shù)的設備，包括 LoRa 衍生產(chǎn)品，都使用分配的帶寬進(jìn)行廣播，從而使這些信號能夠抵抗 ISM 頻段上常見(jiàn)的信道噪聲。

LoRa 設備允許工程師調整他們的應用程序，并使用稱(chēng)為擴頻因子 (SF) 的東西在高數據速率或高靈敏度之間進(jìn)行選擇。使用可調無(wú)線(xiàn)電參數，工程師可以選擇每秒發(fā)送的啁啾數量。低 SF 將每秒發(fā)送更多的啁啾，這意味著(zhù)您可以每秒編碼更多的數據，但從接收器的角度來(lái)看，信號不是很敏感。

低靈敏度意味著(zhù)您打算發(fā)送的數據在途中丟失的可能性更高。另一方面，高 SF 將每秒發(fā)送更少的啁啾，但會(huì )產(chǎn)生對接收器更敏感的信號，因此更可靠。然而，高 SF 啁啾需要更多“通話(huà)時(shí)間”（網(wǎng)絡(luò )上的傳輸時(shí)間）并且需要更多功率，因為調制解調器運行的時(shí)間比低 SF 方法更長(cháng)。

通過(guò)為無(wú)線(xiàn)電設置 SF 以及更改調制解調器的傳輸功率（根據地區可在 2 dBm 和 20 dBm 之間調整），LoRa 為工程師提供了功能強大的工具，用于根據他們的需要配置應用程序的功耗和通信范圍。

作為一個(gè)物理層，LoRa 涵蓋了在可以使用相同協(xié)議的公共頻譜上實(shí)現遠程通信所需的一切。但是，它并未涵蓋設備如何相互識別、它們如何以最大限度地減少網(wǎng)絡(luò )串擾的方式相互通信，或者如何將來(lái)自本地網(wǎng)絡(luò )設備的數據安全地傳輸到云或遠程位置。這就是 LoRaWAN（和其他人）的用武之地。 

什么是 LoRaWAN？

另一方面，LoRaWAN 是建立在基于 LoRa 的調制之上的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。盡管 LoRa 本身本質(zhì)上是點(diǎn)對點(diǎn)的，但 LoRaWAN 通過(guò)定義兩個(gè)核心設備角色將網(wǎng)絡(luò )塑造成一個(gè)中心輻射型：

一個(gè)節點(diǎn)，通常是一個(gè)傳感器

集中器，充當節點(diǎn)和云之間的網(wǎng)關(guān)

在 OSI 術(shù)語(yǔ)中（圖 4），LoRaWAN 規定了處理節點(diǎn)到節點(diǎn)通信的數據鏈路層，以及處理節點(diǎn)如何跨本地網(wǎng)絡(luò )邊界發(fā)送數據和從本地網(wǎng)絡(luò )邊界接收數據的網(wǎng)絡(luò )層。

圖 4. LoRaWAN 指定了在 OSI 參考模型的數據鏈路和網(wǎng)絡(luò )層運行的技術(shù)。

在數據鏈路層，LoRaWAN 定義了一種介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC) 協(xié)議，該協(xié)議確定網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)如何識別自己（也稱(chēng)為 MAC 地址）以及用于 LoRa 設備之間通信的功率要求、頻率和數據速率。

在網(wǎng)絡(luò )層，LoRaWAN 涵蓋了位于網(wǎng)絡(luò )邊緣以與 LoRaWAN 節點(diǎn)通信的物理硬件以及位于云中的服務(wù)。這包括從本地 LoRa 網(wǎng)絡(luò )接收、路由、處理數據以及將數據路由到本地 LoRa 網(wǎng)絡(luò )（圖 5）。 

圖 5.典型的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò )由本地和基于云的元素組成。 

集中器充當網(wǎng)關(guān)，管理來(lái)自 LoRaWAN 節點(diǎn)的連接，以及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與廣域網(wǎng)服務(wù)器的連接。市場(chǎng)上的許多集中器往往包括八個(gè)通道，用于同時(shí)接收來(lái)自 LoRaWAN 節點(diǎn)的請求數據包，以及一個(gè)用于將響應數據包發(fā)送回這些節點(diǎn)的通道。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器合作，在設備加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò )時(shí)對其進(jìn)行管理，并處理與基于云的應用服務(wù)器之間的通信。

雖然不是 LoRa 唯一的媒體訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，但 LoRaWAN 協(xié)議享有廣泛的行業(yè)支持并擁有健康的生態(tài)系統。它由LoRa 聯(lián)盟發(fā)起并維護，該聯(lián)盟成立于 2015 年，旨在支持 LoRaWAN 協(xié)議的協(xié)作開(kāi)發(fā)并確保 LoRaWAN產(chǎn)品和服務(wù)之間的互操作性。

在世界的某些地區（尤其是歐洲），蜂窩運營(yíng)商已經(jīng)看到了提供自己專(zhuān)有的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò )的收入潛力，其中許多網(wǎng)絡(luò )針對智能城市和農業(yè)應用。在其他地方，更常見(jiàn)的是將 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò )視為“構建自己的”廣域專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，客戶(hù)需要自己資助和部署。

LoRa 與 LoRaWAN

我在本文開(kāi)頭提到 LoRa 和 LoRaWAN 經(jīng)?；Q使用，因此大多數工程師期望這些技術(shù)必須在一個(gè)解決方案中一起使用也就不足為奇了。雖然 LoRaWAN 確實(shí)需要在邊緣網(wǎng)絡(luò )中使用 LoRa 設備才能運行，但 LoRa 設備的部署是否需要 LoRaWAN 集中器、網(wǎng)絡(luò )或應用程序服務(wù)器。

現實(shí)情況是，雖然 LoRaWAN 是 LoRa 廣域網(wǎng)最流行和部署最廣泛的協(xié)議，并且是支持許多設備的可互操作標準，但它可能不是每個(gè) LPWAN 應用程序的最佳選擇。除了 8 通道集中器的費用外，LoRaWAN 協(xié)議還規定了可能不適用于每個(gè)用例的鏈路、通話(huà)時(shí)間和功率要求——尤其是那些節點(diǎn)數量較少且不經(jīng)常傳輸的情況。此外，您希望使用的云服務(wù)可能不符合 LoRaWAN 解決方案的網(wǎng)絡(luò )和應用服務(wù)器要求。  

在沒(méi)有 LoRaWAN 的情況下使用 LoRa

在不使用 LoRaWAN 的情況下使用 LoRa 的第一步是您必須實(shí)現自己的媒體訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，以便節點(diǎn)之間可以就如何識別彼此、如何隱藏通信以及如何以及何時(shí)在空中進(jìn)行通信而不互相踩踏達成一致. 在沒(méi)有 LoRaWAN 的情況下將 LoRa 部署連接到云還需要實(shí)施您自己的機制來(lái)處理到云服務(wù)的回程。 

這可能感覺(jué)過(guò)于復雜，但是，根據您的需要，它可以非常簡(jiǎn)單：兩個(gè)節點(diǎn)的點(diǎn)對點(diǎn)連接可以交替發(fā)送和接收角色，幾十個(gè)節點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò )可以使用非常簡(jiǎn)單的時(shí)分多址 (TDMA) 時(shí)隙協(xié)議。LoRaWAN 是為大規模網(wǎng)絡(luò )設計的，如果目標是靈活且成本更低的單點(diǎn)解決方案，LoRa 節點(diǎn)無(wú)需重新實(shí)現 LoRaWAN 協(xié)議的每一部分。這種方法在市場(chǎng)上并不少見(jiàn)。

Amazon Sidewalk用于 Echo、Ring 和其他亞馬遜智能設備，使用 LoRa 并實(shí)現網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò ) MAC 層。在商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，Blues Wireless提供了一款名為 Sparrow 的產(chǎn)品，如圖 6 所示，該產(chǎn)品使用 LoRa 作為節點(diǎn)，與蜂窩或 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信以實(shí)現云回程。

圖 6. Blues Wireless Sparrow 產(chǎn)品使用 LoRa 進(jìn)行本地網(wǎng)絡(luò )通信，同時(shí)使用傳統的 Wi-Fi 或蜂窩云回程到 Notehub.io 云服務(wù)和客戶(hù)的終極云基礎設施。

Sparrow 隨附的 LoRa MAC 是開(kāi)源的，實(shí)現了簡(jiǎn)單的一鍵式網(wǎng)關(guān)/節點(diǎn)安全配對機制以及優(yōu)化電池供電節點(diǎn)壽命的自適應發(fā)射功率子系統。