物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的競逐舞臺上，LoRa強化優(yōu)勢求突圍

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)這幾年被高度關(guān)注，耳熟能詳如窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、LTE-M(Long Term Evolution, Category M1)、Wi-SUN及Sigfox等眾多的技術(shù)與相關(guān)推廣聯(lián)盟在市場上爭相競逐，而LoRa技術(shù)在全球也有許多的布建與關(guān)注，以下針對LoRa技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r與推廣導(dǎo)入做詳細(xì)的介紹。

網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展一日千里，伴隨著對裝置通訊的需求被大量重視，以較少帶寬、低功耗、長距離及大量裝置連接需求為主所發(fā)展的通訊領(lǐng)域長距離低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)有著顯著的發(fā)展，這些基于免費頻段Sub-1GHz運作的技術(shù)更是快速興起。認(rèn)識LoRa芯片/LoRaWAN通訊協(xié)議升特(Semtech)于2013年8月宣布推出一系列基于啁啾展頻(Chirp Spread Spectrum, CSS)調(diào)變的LPWAN芯片取名為LoRa，名稱來自英文Long Range的含意縮寫，其優(yōu)異的傳輸距離令人印象非常深刻。

圖1 頻譜分析儀下面各帶寬設(shè)定的LoRa波形

CSS采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，保有原本頻率位移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)技術(shù)的低功耗特性但明顯地增加了傳輸距離。主要的特性數(shù)據(jù)為：極佳的-148dBm接收感度(RF Sensitivity)與168dB的鏈路預(yù)算(Link Budget)；射頻(RF)輸出功率為+14~+20dBm，內(nèi)建放大器；接收操作電流9.9毫安(mA)；支持FSK、開關(guān)鍵控(On-off Keying, OOK)等調(diào)變運作；自動射頻載波(RF Carrier)偵測；數(shù)據(jù)傳輸速率：0.29~37kbps，使用帶寬為125k、250k與500kHz(圖1)。同時升特基于推廣LoRa應(yīng)用成立了產(chǎn)業(yè)合作與生態(tài)系串聯(lián)的結(jié)盟組織LoRa Alliance。目前聯(lián)盟成員涵蓋超過五百家以上的公司。其中包含IBM、思科(Cisco)、Giesecke & Devrient(G&D)、升特、意法半導(dǎo)體(ST)等大型企業(yè)，還有Orange、SK、荷蘭皇家電信(KPN)、DoCoMo、軟件銀行(Softbank)、亞太電信等電信業(yè)者。聯(lián)盟主要的工作為制定共通的開放原始碼通訊協(xié)議LoRaWAN，讓各個相關(guān)廠商的裝置可以互相通訊進(jìn)而擴(kuò)大應(yīng)用的范疇與排除地理位置限制。兩面向拆解LoRaWAN可以將LoRaWAN技術(shù)簡單歸納成兩個面向：第一個面向是，從實體網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)布建與裝置關(guān)系來看。LoRa技術(shù)基于星狀(Star)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)(圖2)，表1則歸納了目前LoRa網(wǎng)絡(luò)所需的設(shè)備與其功能。

圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

第二個面向為LoRaWAN通訊協(xié)議。如表2所示，目前終端裝置與網(wǎng)關(guān)間的通訊就媒體訪問控制(MAC)層的行為模式分為三大類別(Class)。在通訊協(xié)議中星狀拓?fù)鋽?shù)據(jù)傳輸方向分為上行(Uplink)與下行(Downlink)。上行代表裝置對網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，反之，下行為網(wǎng)關(guān)對裝置發(fā)送數(shù)據(jù)。圖3簡述此三種類別的收發(fā)行為。LoRaWAN裝置啟動入網(wǎng)方式簡介前面已經(jīng)說明了裝置在做傳輸時運作的類別，接下來說明LoRaWAN如何接受并啟動傳輸資料的入網(wǎng)機(jī)制，此部分可以思考成裝置合法與否的確認(rèn)機(jī)制。

圖3 LoRaWAN終端裝置類別運作圖例說明

目前有兩種啟動方式，分別為ABP(Activation By Personalization)與OTAA(On The Air Activiation)兩種，個別的詳細(xì)內(nèi)容如圖4所述。

圖4 LoRaWAN裝置提供ABP與OTAA兩種啟動入網(wǎng)方式

LoRaWAN認(rèn)證現(xiàn)況說明LoRa聯(lián)盟為了實現(xiàn)將來為數(shù)眾多的物聯(lián)網(wǎng)裝置的兼容性，透過制定各區(qū)域或國家地區(qū)的統(tǒng)一通訊規(guī)范，讓各區(qū)域不同國家制造商所生產(chǎn)的LoRaWAN裝置實現(xiàn)互通，這些區(qū)域規(guī)范都是參考各國家區(qū)域的LPWAN無線頻段安規(guī)所制定。此一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯整于LoRaWAN文件Regional Parameters中，目前最新版本為v1.1。表3為目前LoRa聯(lián)盟所訂定的國家或區(qū)域的頻道規(guī)范簡單整理說明。接下來針對EU868、US915、AS923與CN470等主要的區(qū)域規(guī)范做進(jìn)一步的說明。目前大多數(shù)國家針對免費頻段多規(guī)范使用于工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療(Industrial, Scientific and Medical, ISM)頻段或者無線射頻辨識(RFID)頻段中，各區(qū)域的介紹將以各區(qū)域中的使用頻段、頻道信息、傳輸速度及安規(guī)等重點項目做整理說明。EU 863-870MHz ISM頻段頻段部分為基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI) [EN300.220] ISM規(guī)范，歐盟(EU)采868~870MHz頻段。而頻道如表4所示，歐洲區(qū)LoRa規(guī)范強制頻道三個，而ESTI規(guī)范下至少使用十六個頻道。至于安規(guī)部分，采用工作周期(Duty Cycle)方式限制占用頻道的時間。US 902-928 ISM頻段在頻段方面，基于FCC Part.15規(guī)范，LoRa使用902~928MHz。頻道部分如圖5所示，上行共有六十四個125kHz頻道與八個500kHz頻道，下行有八個500kHz頻道。其傳輸速率達(dá)0.98~5kbps，而安規(guī)部分，頻道占用400msec限制(FHSS跳頻系統(tǒng))。

圖5 US915頻道規(guī)范

AS923 ISM頻段其頻段如表5所示，AS923區(qū)域內(nèi)各國均采用相同的強制頻道。LoRa大部分使用920~928MHz頻段。以國家別整理如下：文萊(Brunei)923~925MHz、柬埔寨(Cambodia)923~925MHz、印度尼西亞(Indonesia)923~925MHz、日本920~928MHz、老撾(Laos)923~925MHz、紐西蘭915~928MHz、新加坡920~925MHz、泰國920~925MHz以及越南(Vietnam)920~925MHz。在頻道方面，所使用頻道數(shù)目與頻率依各國安規(guī)規(guī)范有所不同；安規(guī)部分，頻道使用機(jī)制***地區(qū)NCC走類似美國聯(lián)邦電信委員會(FCC)精神，也有國家采用Duty Cycle規(guī)范。CN 470-510MHz頻段在頻段方面，基于中國國家無線電管理委員會(SRRC)規(guī)范，LoRa使用470~510MHz，而其頻道如圖6所示，上行共有九十六個125kHz頻道，下行有四十八個125kHz頻道。其傳輸速率介于0.25~5kbps，而安規(guī)部分，頻道占用時間不可以大于5,000msec。

圖6 CN470規(guī)范頻道

LoRaWAN系統(tǒng)整合 實例分析說明前面已經(jīng)介紹了LoRaWAN的架構(gòu)及各項協(xié)議規(guī)范，接著透過一個簡單的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)作為LPWAN實際應(yīng)用概念性驗證(Proof Of Concept, POC)范例。如前面圖2所示，一個LoRa網(wǎng)絡(luò)可以是電信業(yè)者如亞太電信等營運商等級的LoRa基礎(chǔ)建設(shè)，也可以依單一區(qū)域、工廠、小區(qū)或者家庭為基礎(chǔ)來進(jìn)行布建，這部分的特性是目前NB-IoT等第三代合作伙伴計劃(3GPP)制定的協(xié)議較不易實現(xiàn)的架構(gòu)。表6列出了此一基礎(chǔ)建置所需的設(shè)備列表。網(wǎng)關(guān)部分，目前海內(nèi)外有非常多廠商可供選擇，同時很多廠商都有提供內(nèi)建服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品?；镜挠布鋫浯蠖酁椋荷闲兄С诸l道數(shù)八或十六頻道、下行頻道一至二頻道、具備以太網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)或無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)接口，或者支持全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)以及3G/4G網(wǎng)卡擴(kuò)充功能。軟件部分大多支持UDP Packet Forwarder、MQTT、RESTful等通訊協(xié)議，提供外部服務(wù)器或者應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。而戶外型的網(wǎng)關(guān)，則大多配備高增益天線與防水功能。LoRaWAN裝置以模塊而言，目前市面上有兩大類，分別為COB(Chip On Board)的模塊，與透過晶粒(Die)堆棧與封裝的SiP(System in Package)設(shè)計。SiP是將LoRa芯片與微處理器(MCU)甚至GPS芯片等晶粒透過三維(3D)堆棧封裝成一顆芯片的設(shè)計，此類設(shè)計最大的優(yōu)點在于整個產(chǎn)品的尺寸減少非常多，更讓應(yīng)用面產(chǎn)品設(shè)計較為精簡與單純。圖7針對市面上模塊與SiP模塊尺寸外觀做簡單比較，可以看出兩者之間物理尺寸的差異。

圖7 左為微芯(Microchip) RN2903 LoRa模塊尺寸17.8毫米(mm)×26.7毫米×3.34毫米，右為群登LoRa SiP模塊尺寸11毫米×13毫米×1.1毫米。

建構(gòu)一個POC階段的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并沒有想象中的復(fù)雜與困難。透過海內(nèi)外廠商多款內(nèi)建服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)搭配AcSiP基于Arduino平臺為基礎(chǔ)的LoRa智慧積木，或者任何兼容于LoRaWAN協(xié)議的終端裝置，可以快速地建構(gòu)一個區(qū)域性LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，透過Arduino平臺豐富的傳感器(Sensor)支持裝置與龐大社群的軟件資源，可以快速地建構(gòu)應(yīng)用的架構(gòu)雛型來驗證各式各樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。如圖8所示，透過簡單的網(wǎng)關(guān)裝設(shè)與一臺個人計算機(jī)(PC)或服務(wù)器建置出一個落地的LoRa網(wǎng)絡(luò)，終端裝置透過LoRa無線射頻將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給室內(nèi)型或戶外型網(wǎng)關(guān)；應(yīng)用層面則可以透過PC或服務(wù)器的軟件架設(shè)對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取與儲存，亦可以透過網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制封包給裝置端進(jìn)而建構(gòu)完整的雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)。目前內(nèi)建服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)非常普遍，同時支持多種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存取協(xié)議，例如基于TCP/IP協(xié)議已變成國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn)的MQTT、RESTful API等。可以透過這些協(xié)議搭配Python或者Node-RED等直覺性的開發(fā)工具，快速地建構(gòu)出各種應(yīng)用情境與架構(gòu)。以群登的LoRa智慧積木銷售套件為例，圖8中網(wǎng)關(guān)部分，可以自由選擇搭配兩家室內(nèi)型LoRa網(wǎng)關(guān)生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品，終端部分套件里有基于Arduino處理器平臺且內(nèi)建了溫度、濕度及三軸加速器等感應(yīng)裝置。同時預(yù)留了許多周邊接口與通用輸入/輸出(GPIO)讓使用者可以方便地整合各種所需的傳感器。亦附有電池以便于不方便接電的環(huán)境下仍能進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

圖8 POC階段LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

而圖9介紹透過Node-RED直覺式的程序撰寫搭配MQTT等組件實作的IoT Dashboard范例，所有相關(guān)程序代碼均為開源方式提供。

圖9 基于Node-RED環(huán)境所開發(fā)LoRa裝置儀表板應(yīng)用范例

無線射頻訊號的傳輸距離，在環(huán)境中會有許多變因造成傳輸效能降低，不考慮太復(fù)雜的影響變因下，目前LoRa技術(shù)經(jīng)實測確實有極佳的抗干擾性，在接收靈敏度也有相當(dāng)不錯的表現(xiàn)。圖10顯示從石門水庫大壩沿著大漢溪空曠河谷采用0 dBi天線下測得傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)16公里(km)，在空曠處有非常好的傳送效能。另外，在都會區(qū)的測試部分，將網(wǎng)關(guān)架設(shè)于桃園新光大樓十樓位置，約可以涵蓋半徑大約2公里上下的范圍傳輸。不過，在真實場域可能會因為建物的阻隔等環(huán)境影響而有增減。整體而言，實測數(shù)據(jù)顯示LoRa技術(shù)在傳輸距離上確實有不錯的表現(xiàn)。

圖10 SF12帶寬125kHz + 20dBm輸出功率下實測結(jié)果

面對其他技術(shù)挑戰(zhàn)LoRa發(fā)展依然看好面對NB-IoT等新技術(shù)威脅，LoRa仍然小心翼翼地面對，硬件方面新一代更為便宜、尺寸更小且效能更佳的芯片也將于今年三月上市，希望透過較低的成本價格、效能與功耗的改良、輔以降低應(yīng)用設(shè)計復(fù)雜度等面向調(diào)整，期待能以更有競爭力與良好性價比的產(chǎn)品線保持競爭力。2018年1月升特于美國國際消費性電子展(CES)所揭露的新一代LoRa芯片就是基于這些基礎(chǔ)所推出的新產(chǎn)品。圖11為SX126X的功能結(jié)構(gòu)圖，與2013年所發(fā)表的前一代芯片相比有許多新的設(shè)計與效能部分的提升。

圖11 新一代LoRa芯片的功能結(jié)構(gòu)方塊圖

主要聚焦的功能與改善包括：芯片尺寸減少了45%，新芯片尺寸只有4毫米×4毫米；接收模式的功耗降低了50%，原為9毫安已降至4.6毫安；傳輸距離增加20%，而同一顆芯片支持全球Sub-1G頻段的使用，頻率范圍為150~960MHz。為減低應(yīng)用的開發(fā)的復(fù)雜度，導(dǎo)入?yún)f(xié)議引擎(Protocol Engine)，透過硬件實作的協(xié)議引擎搭配256Bytes的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(Data Buffer)提供使用者應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface)的擴(kuò)展命令，應(yīng)用開發(fā)者可以用更精簡的程序達(dá)到LoRa程序的開發(fā)。原廠數(shù)據(jù)顯示處理器只需要用十行程序代碼就能編寫出LoRa傳輸與接收的功能。其他改善部分，還有針對中、短無線涵蓋范圍應(yīng)用且需要較多裝置收發(fā)數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求，增加了展頻因子SF5(Separating Factor 5)的速率，借助提高實際的LoRa傳輸速率，進(jìn)而增進(jìn)頻道的利用率，讓網(wǎng)關(guān)可以支持更多裝置的數(shù)據(jù)傳輸。前述的這些改進(jìn)設(shè)計揭露了LoRa面對新技術(shù)的競爭與挑戰(zhàn)，持續(xù)的改善成本與效能，希望開辟出一塊屬于自己在物聯(lián)網(wǎng)市場的一片天地。另一方面，就組建整個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的軟件協(xié)議的部分，LoRa聯(lián)盟于去年提出v1.1的新版本，對于穩(wěn)定性以及未來更大量裝置的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)所面臨的問題，新協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制、新的區(qū)域規(guī)范提出、核心服務(wù)器后端接口(Back-end Interfaces)與服務(wù)器間數(shù)據(jù)交換規(guī)范等均做了改進(jìn)。主要改進(jìn)設(shè)計含括了LoRaWAN裝置在不同LoRa營運商(Operator)間的漫游(Roaming)機(jī)制部分，除原有的被動式漫游基礎(chǔ)下增加了跨營運商的切換漫游(Handover Roaming)機(jī)制；擁有終端裝置Class B完整傳輸方案，以及Class A與Class C的動態(tài)切換；為了應(yīng)對未來移動裝置漫游的需求，增加了入網(wǎng)服務(wù)器(Join Server)的設(shè)置，提供漫游時裝置切換LoRa營運商時可以進(jìn)行裝置的資格與特性等參數(shù)的確認(rèn)。而在安全部分，AES加密的密鑰由原來的三把擴(kuò)充為五把，讓數(shù)據(jù)的完整性與安全性更為嚴(yán)謹(jǐn)。具備空中在線升級(Firmware Upgrade Over-the-Air)，能透過無線的方式進(jìn)行必要的軟件更新。根據(jù)LoRa聯(lián)盟2017年度報告的數(shù)據(jù)顯示，在整個2017年取得LoRaWAN認(rèn)證的產(chǎn)品或模塊數(shù)目較2016年增加五十一個，成長率為176%。另全球新增的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)增加了三十一個，成長率為100%。目前超過一百個以上國家有提供LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，營運商等級的會員有五十四家。聯(lián)盟成員也穩(wěn)定增加，以數(shù)據(jù)來看是呈現(xiàn)持續(xù)成長的態(tài)勢。與NB-IoT相較，因為LoRa較早進(jìn)行推廣與應(yīng)用導(dǎo)入，現(xiàn)階段在成本與成熟度仍有一些優(yōu)勢?？梢院唵蔚亟?gòu)私有化的網(wǎng)絡(luò)，依舊吸引許多系統(tǒng)商與應(yīng)用商的投入。不可諱言地，使用免費頻段有較嚴(yán)重的干擾問題存在，但是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的競逐舞臺上，LoRa后續(xù)的發(fā)展，還是值得持續(xù)關(guān)注。