了解LoRa和LoRaWAN無線網(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(yuǎn)程產(chǎn)品和應(yīng)用程序的工具，這些產(chǎn)品和應(yīng)用程序可以將他們的地面智能傳輸?shù)皆浦羞M(jìn)行監(jiān)控、管理和決策。雖然向產(chǎn)品、設(shè)備或機(jī)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(xiàng)仍然充滿復(fù)雜性。

在某些情況下，很明顯以太網(wǎng)或 Wi-Fi 是正確的選擇——例如在家庭或工廠中。在其他情況下，近場(chǎng)通信 (NFC) 或藍(lán)牙可能是首選選項(xiàng)，因?yàn)槟慕鉀Q方案需要短距離設(shè)備到設(shè)備通信。但是，如果您的產(chǎn)品是移動(dòng)的，或者在 Wi-Fi 設(shè)置的復(fù)雜性根本無法實(shí)現(xiàn)的城市、農(nóng)業(yè)或其他環(huán)境中，您就只能尋找其他地方了。具體來說，在蜂窩或 LoRa（由“遠(yuǎn)程”一詞形成）和 LoRaWAN（遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)）。

通過全球統(tǒng)一的頻段和運(yùn)營(yíng)商間漫游協(xié)議，以及為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)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(duì)許多用例具有吸引力。盡管具有吸引力，但一些應(yīng)用偏愛 LoRa，其信號(hào)抗噪，并且免費(fèi)、未經(jīng)許可的頻段的可用性使得單個(gè)設(shè)備的單位成本顯著降低。

鑒于不同的需求將導(dǎo)致您選擇蜂窩或 LoRa，并且這些方法更具互補(bǔ)性而不是競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)距離操作，特別是為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 目的保留的無線電頻段。

LoRa 設(shè)備以亞千兆赫頻率進(jìn)行通信，因此可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸，盡管可用頻段很窄，而且一些政府對(duì)這些頻段上的設(shè)備傳輸頻率有嚴(yán)格的規(guī)定。在開放系統(tǒng)互連 (OSI) 術(shù)語中，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(shè)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(yīng)用程序。基本上，它規(guī)定了用于無線電通信的頻譜和協(xié)議。

圖 1.LoRa 在 OSI 參考模型的物理層運(yùn)行

盡管 LoRa 在亞千兆赫頻譜下運(yùn)行，但 LoRa 芯片利用的特定頻段因地區(qū)而異。歐洲的 LoRa 無線電工作頻率為 863-870/873 MHz，而亞洲和南美的設(shè)備工作頻率為 915-928 MHz，北美的設(shè)備工作頻率為 902-928 MHz。在為某個(gè)應(yīng)用購(gòu)買 LoRa 芯片時(shí)，根據(jù)特定的范圍要求，許多芯片將被預(yù)編程到某個(gè)地區(qū)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 無線電在亞千兆赫頻譜上運(yùn)行。圖片 [已修改] 由NASA提供

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

LoRa 調(diào)制：擴(kuò)頻調(diào)制

LoRa 使用專有的無線調(diào)制技術(shù)，它是擴(kuò)頻調(diào)制的衍生物，它使用“擴(kuò)大”脈沖作為編碼信息的一種方式。擴(kuò)頻調(diào)制是一種正弦波，如圖 3 所示，其信號(hào)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(duì)信息進(jìn)行編碼。圖片由Georg-Johann提供

LoRa 無線電通過使用多個(gè)信息啁啾來表示有效載荷中的每一位信息來執(zhí)行其調(diào)制。在這種情況下，名稱中的“擴(kuò)頻”意味著使用這種技術(shù)的設(shè)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(hào)能夠抵抗 ISM 頻段上常見的信道噪聲。

LoRa 設(shè)備允許工程師調(diào)整他們的應(yīng)用程序，并使用稱為擴(kuò)頻因子 (SF) 的東西在高數(shù)據(jù)速率或高靈敏度之間進(jìn)行選擇。使用可調(diào)無線電參數(shù)，工程師可以選擇每秒發(fā)送的啁啾數(shù)量。低 SF 將每秒發(fā)送更多的啁啾，這意味著您可以每秒編碼更多的數(shù)據(jù)，但從接收器的角度來看，信號(hào)不是很敏感。

低靈敏度意味著您打算發(fā)送的數(shù)據(jù)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(duì)接收器更敏感的信號(hào)，因此更可靠。然而，高 SF 啁啾需要更多“通話時(shí)間”（網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間）并且需要更多功率，因?yàn)檎{(diào)制解調(diào)器運(yùn)行的時(shí)間比低 SF 方法更長(zhǎng)。

通過為無線電設(shè)置 SF，以及更改調(diào)制解調(diào)器的傳輸功率（可在 2 dBm 和 20 dBm 之間調(diào)整，具體取決于區(qū)域），LoRa 為工程師提供了功能強(qiáng)大的工具，用于根據(jù)他們的需要配置應(yīng)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(xiàn)遠(yuǎn)程通信所需的一切。但是，它并未涵蓋設(shè)備如何相互識(shí)別、它們?nèi)绾我宰畲笙薅鹊販p少網(wǎng)絡(luò)串?dāng)_的方式相互通信，或者如何將來自本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)安全地傳輸?shù)皆苹蜻h(yuǎn)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(diào)制之上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。盡管 LoRa 本身本質(zhì)上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，但 LoRaWAN 通過定義兩個(gè)核心設(shè)備角色將網(wǎng)絡(luò)塑造成一個(gè)中心輻射型：

一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通常是一個(gè)傳感器

集中器，充當(dāng)節(jié)點(diǎn)和云之間的網(wǎng)關(guān)

在 OSI 術(shù)語中（圖 4），LoRaWAN 規(guī)定了處理節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)鏈路層，以及處理節(jié)點(diǎn)如何跨本地網(wǎng)絡(luò)邊界發(fā)送數(shù)據(jù)和從本地網(wǎng)絡(luò)邊界接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層。

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

在數(shù)據(jù)鏈路層，LoRaWAN 定義了一種介質(zhì)訪問控制(MAC) 協(xié)議，該協(xié)議確定網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)如何識(shí)別自己（也稱為 MAC 地址）以及用于 LoRa 設(shè)備之間通信的功率要求、頻率和數(shù)據(jù)速率。

在網(wǎng)絡(luò)層，LoRaWAN 涵蓋了位于網(wǎng)絡(luò)邊緣以與 LoRaWAN 節(jié)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(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)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(dāng)網(wǎng)關(guān)，管理來自 LoRaWAN 節(jié)點(diǎn)的連接，以及通過互聯(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)接收來自 LoRaWAN 節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，以及一個(gè)用于將響應(yīng)數(shù)據(jù)包發(fā)送回這些節(jié)點(diǎn)的通道。網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器合作，在設(shè)備加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)時(shí)對(duì)其進(jìn)行管理，并處理與基于云的應(yīng)用服務(wù)器之間的通信。

雖然不是 LoRa 唯一的媒體訪問協(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(tǒng)。它由LoRa 聯(lián)盟發(fā)起并維護(hù)，該聯(lián)盟成立于 2015 年，旨在支持 LoRaWAN 協(xié)議的協(xié)作開發(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(qū)（尤其是歐洲），蜂窩運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)看到了提供自己專有的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的收入潛力，其中許多網(wǎng)絡(luò)針對(duì)智能城市和農(nóng)業(yè)應(yīng)用。在其他地方，更常見的是將 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)視為“構(gòu)建自己的”廣域?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，客戶需要自己資助和部署。

LoRa 與 LoRaWAN

我在本文開頭提到 LoRa 和 LoRaWAN 經(jīng)?；Q使用，因此大多數(shù)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(shè)備才能運(yùn)行，但 LoRa 設(shè)備的部署是否需要 LoRaWAN 集中器、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序服務(wù)器。

現(xiàn)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(shè)備的可互操作標(biāo)準(zhǔn)，但它可能不是每個(gè) LPWAN 應(yīng)用程序的最佳選擇。除了 8 通道集中器的費(fèi)用外，LoRaWAN 協(xié)議還規(guī)定了可能不適用于每個(gè)用例的鏈路、通話時(shí)間和功率要求——尤其是那些節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多且不經(jīng)常傳輸?shù)那闆r。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(yīng)用服務(wù)器要求。

在沒有 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(xiàn)自己的媒體訪問協(xié)議，以便節(jié)點(diǎn)之間可以就如何識(shí)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(dá)成一致.在沒有 LoRaWAN 的情況下將 LoRa 部署連接到云還需要實(shí)施您自己的機(jī)制來處理到云服務(wù)的回程。

這可能感覺過于復(fù)雜，但是，根據(jù)您的需要，它可以非常簡(jiǎn)單：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接可以交替發(fā)送和接收角色，幾十個(gè)節(jié)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(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，如果目標(biāo)是靈活且成本更低的單點(diǎn)解決方案，LoRa 節(jié)點(diǎn)無需重新實(shí)現(xiàn) LoRaWAN 協(xié)議的每一部分。這種方法在市場(chǎng)上并不少見。

Amazon Sidewalk用于 Echo、Ring 和其他亞馬遜智能設(shè)備，使用 LoRa 并實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)，與蜂窩或 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)云回程（完全披露：我為 Blues 工作）。

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(tǒng)的 Wi-Fi 或蜂窩云回程到 Notehub.io 云服務(wù)和客戶的終極云基礎(chǔ)設(shè)施。

Sparrow 隨附的 LoRa MAC 是開源的，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的一鍵式網(wǎng)關(guān)/節(jié)點(diǎn)安全配對(duì)機(jī)制以及優(yōu)化電池供電節(jié)點(diǎn)壽命的自適應(yīng)發(fā)射功率子系統(tǒng)。

審核編輯 ：李倩