148月 2016

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关于LoRa长距离低功耗物联网传输技术

LoRa by xfire

随着物联网迅猛发展及其应用的日益广泛,无线传输协议也越来越受到技术人员和大众的关注。目前现有的物联网和无线通信传输协议有:蓝牙,WiFi,Thread,Zigbee,4G,5G等等。

这些协议各有优缺点,也各有自己的应用场景,但是对于长距离,低功耗,只需要少量数据传输的应用场景,目前还没有能够很好的满足要求的无线传输协议,这也就是LoRa技术产生的原因。

下面简单的围绕几个问题,来阐述一下这项技术。

LoRa技术是什么?

LoRa技术是为了创建长距离通信连结的物理层无线调制方式。许多传统的无线系统使用物理层频移键控(FSK)调制,因为它是十分高效的低功耗方案。

LoRa技术基于线性Chirp扩频调制,延续了移频键控调制的低功耗特性,但是大大增加了通信范围。 Chirp扩频调制已经在军事和航天通信方面应用了几十年,因为它具有长距离传输,以及很好的抗干扰性,而LoRa则是它第一次用作商业用途。

LoRa来源于Long Range这个单词,所以它的最大优点就是长距离传输。单个网关或者基站可以覆盖整个城市或者数百千米。

LPWAN的优点是什么?

一项技术无法覆盖所有的物联网应用场景。 WiFi和BTLE主要应用于个人设备相关的应用。蜂窝技术主要应用于需要高数据吞吐量,以及需要供电的应用场景。 LPWAN的应用场景包括:长电池寿命,并且传感器和应用在长距离下,只需要每小时只要传递几次数据。

关于LoRa长距离低功耗物联网传输技术-1

LPWAN物联网网络的要素有哪些?

  • 网络架构
  • 通信范围
  • 电池寿命和功耗
  • 抗干扰性
  • 网络容量(网络结点的最大数目)
  • 网络安全性
  • 单向或者双向传播
  • 服务的应用

LoRaWAN是什么呢?

网络架构

许多部署好的网络都采用网状架构。在一个网状网络中,每个单独的端结点传递信息到其他结点,增加通信范围以及网络的小区容量。当结点增加的时候,它也增加了复杂度,减少了网络容量,也减少了电池寿命,因为结点要收发从他们不相干的结点传递来的信息。长距离星型架构,由于长距离连接性,从而减少了电池寿命。

关于LoRa长距离低功耗物联网传输技术-2

LoRaWan的网络结点不和特定网关相绑定。相反,通过结点传输的数据,被多个网关接受。每个网关,通过一些信号隧道(例如蜂窝网, 乙太网, 卫星网, Wi-Fi)将从端结点收到的数据包发向云端。由网络伺服器理解和处理复杂任务,包括管理网络,过滤冗余数据包,进行安全性检查,通过优化的网关进行调度 确认,执行自适应数据率,等等。如果一个结点是移动的,或者运动的时候没有网关之间的切换,这就需要启用资源追踪应用,一个基于垂直物联网目标应用程式。

电池寿命

LoRaWAN网络的结点是异步通信的,并且当它们有数据准备发送的时候,会采用事件驱动,或者调度机制进行通信。这个协议采用了阿罗哈法。在一个网状网络或者一个异步网络中,例如蜂窝网,结点必须频繁的被唤醒,来同步网络和检查消息。这种同步,大大的消耗了能量,成为电池寿命减少的一个重要原因。在最近的GSMA对于LPWAN空间的各项技术研究和对比中,LoRaWan比其他技术要优3到5倍。

网络容量

为了保证星型网络的可行,网关必须有能力处理大量来自各个结点的信息。 LoRaWAN的高网络容量通过利用自适应的数据率,以及网关内多通道多数据机的收发器,来实现。

最重要的因素,是并发通道数,数据率,负载长度,已经结点间传输数据频度。因为LoRa是扩频基础上的调制,所以每个信号基本上是正交的。当扩展因子变化的 时候,有效的数据率也跟着改变。网关利用这种性能,能够在同时在同一信道上接受不同的数据率。如果一个结点具有一个好的连接,并且靠近网关,网关当然可以 利用最小的数据率,并且填充必须要更长的可用的频谱。通过将数据率提高,空中的时间将被缩短,开放更多的潜在时间来传输。自适应的数据率也优化了结点的电池寿命。

为了应用自适应数据率,需要对称的上下行连接,并且有足够的下行能力。这 些功能让LoRaWAN能够有很高的容量,并且让网络可扩展。一个网络通过最少数量的设施部署,在扩容的时候,可添加更多的网关,调整数据率,减少对于其 他网关的串扰,并且扩大能力6-8倍。其他LPWAN方案没有LoRaWan的扩容新,因为技术取舍的缘故,限制了下行能力,或者让下行范围和上行范围不 对称。

设备分类

不同应用的端设备具有不同的要求。在为了优化端应用配置,LoRaWAN使用了不同的设备类型。设备分类,权衡了网络下行通信的延时和电池寿命。在一个执行器类型的应用中,下行通信演示是十分重要的因素。

关于LoRa长距离低功耗物联网传输技术-3

双向终端设备(类型A):A类型端设备,允许双向通信,每个端设备的上行传输,伴随两个端的下行接收窗口,根据自身的传输需要,以及采取ALOHA类型协议的小变化。 A类型操作是最低功耗的端系统。

双向终端设备具有固定接受时间槽(类型B):对于A类型设备随机接受窗口来说,B类型设备具有固定时间接受窗口。它根据来自网关的接受指示,来决定何时打开接受窗口。伺服器就可以知道端设备何时再倾听数据。

双向终端设备具有最大接受时间槽(类型C):C类型设备具有连续打开的接受窗口,只有在数据传输时才关闭。

安全性

安全性自然是十分重要的因素。 LoRaWan具有两层安全防护:一个是网络,一个是应用。网络安全保证了结点的合法性,应用的安全保证了网络操作不能访问用户的应用数据。它使用AES加密来交换IEEE EUI64标志符。

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与传统的物联网网络对比的情况?

关于LoRa长距离低功耗物联网传输技术-5

 

 

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