物聯(lián)網(wǎng)的遠程低功耗通信問題及如何安全地實現(xiàn)它

低功耗無線網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵的推動因素對于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）而言，藍牙，ZigBee，Wi-Fi或蜂窩等熟悉的選項缺乏擴展范圍和電池壽命的可接受組合。為了解決這個問題，我們提供了新的sub-GHz規(guī)范，其中一個是LoRaWAN。

LoRaWAN可以在功耗水平低至15千米的范圍內(nèi)實現(xiàn)10年的電池續(xù)航時間。此外，現(xiàn)成的開發(fā)套件的可用性使設(shè)計人員能夠以最小的努力快速啟動完整的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

本文將介紹sub-GHz通信的優(yōu)勢，檢查重要的調(diào)制方案的作用，并介紹LoRaWAN的物理和媒體訪問控制層的描述，以及它的安全功能。最后將簡要介紹Microchip Technology的RN2903 LoRaWAN模塊。

Sub-GHz優(yōu)勢

高頻連接選項可提供高數(shù)據(jù)速率，但在可接受的功率范圍內(nèi)具有有限的范圍水平。對于需要擴展范圍的功率受限設(shè)計，低頻操作是首選方法。頻率越低，將特定鏈路預(yù)算維持在指定范圍所需的功率越小，如Friis傳輸方程所示：

低頻傳輸通常會轉(zhuǎn)換為較低的數(shù)據(jù)速率，但物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用很少會出現(xiàn)大量的吞吐量要求。此外，較低的數(shù)據(jù)速率以降低的錯誤率的形式帶來了另一個優(yōu)勢，從而降低了接收器的靈敏度要求。

缺點是隨著慢速鏈路的占空比增加，從而增加了由于噪聲和其他信號的干擾引起的誤差。此外，發(fā)送消息所需的時間越長意味著發(fā)送器和接收器端的功耗都會增加。

也就是說，sub-GHz通信可以幫助滿足范圍，功率和數(shù)據(jù)速率的要求。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都需要。仍然，用于數(shù)據(jù)編碼的調(diào)制方法的選擇增加了影響這三個關(guān)鍵參數(shù)的另一層。

調(diào)制方法

通信專家多年來依靠擴頻調(diào)制技術(shù)來增強對噪聲或干擾信號的免疫力。擴頻技術(shù)中使用的信道編碼方法，如直接序列擴頻（DSSS），能夠通過在擴頻算法中建立冗余來降低發(fā)射機功率要求。

雖然這種方法可以支持非常高的數(shù)據(jù)在速率方面，它需要高帶寬載波和復(fù)雜的調(diào)制/解調(diào)信號鏈，能夠確保寬帶信號的有效傳輸和接收。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用很少需要DSSS等調(diào)制技術(shù)可能達到的最大數(shù)據(jù)速率。此外，與傳統(tǒng)擴頻技術(shù)相關(guān)的設(shè)計復(fù)雜性和功率要求可能使它們對低成本，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計效率降低。

這是LoRa的用武之地。由Semtech開發(fā)，LoRa是獨特的擴頻調(diào)制方法，具有擴頻抗擾度的一些優(yōu)點，同時簡化了設(shè)計要求。 LoRa調(diào)制基于頻率調(diào)制的“啁啾”信號，該信號可以通過相對簡單的分數(shù)N鎖相環(huán)（PLL）生成。

當(dāng)啟動LoRa傳輸時，LoRa調(diào)制解調(diào)器發(fā)出前導(dǎo)碼由一系列唧唧聲組成（圖1，左）。傳輸繼續(xù)進行一系列啁啾，這些啁啾基本上將數(shù)據(jù)編碼為啁啾信號中的頻率跳變，類似于使用多個頻率音調(diào)來編碼M-ary FSK中的數(shù)據(jù)（圖1，右）。

圖1：此瀑布視圖（頂部的最新數(shù)據(jù)）顯示LoRa傳輸前導(dǎo)碼（左）中使用的重復(fù)啁啾聲和編碼傳輸有效載荷的啁啾聲（右側(cè)） ）。 （圖像源：Link Labs）

在接收器端，PLL可以鎖定前導(dǎo)碼以啟動消息流的接收。由于啁啾的獨特模式，LoRa調(diào)制解調(diào)器可以檢測低于本底噪聲20 dB的信號。 LoRa技術(shù)可實現(xiàn)-148 dBm的靈敏度，可在很長的范圍內(nèi)實現(xiàn)強大的連接。此外，LoRa調(diào)制解調(diào)器可以同時接收幾個不同的傳輸，每個傳輸僅在啁啾速率上不同。因此，它可以支持大量同時運行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

LoRa網(wǎng)絡(luò)

LoRa技術(shù)獨特的調(diào)制方法是性能特征的核心，使其非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：它可以在郊區(qū)環(huán)境中超過15公里的范圍內(nèi)成功運行，在密集的城市環(huán)境中可以超過2公里。它可以實現(xiàn)超過10年的電池壽命，并且可以在包含多達100萬個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中運行。此外，它支持不同的啁啾率或“擴展因子”，使設(shè)計人員能夠靈活地根據(jù)需要交換范圍或功率的數(shù)據(jù)速率，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能（圖2）。

圖2：借助LoRa技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可以通過使用不同的擴頻因子來交換比特率的數(shù)據(jù)范圍。 （圖像來源：Microchip Technology）

為了實現(xiàn)其所有優(yōu)勢，LoRa仍然是物理層（PHY）機制。在實際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，開發(fā)人員將其作為連接解決方案應(yīng)用的能力取決于能夠構(gòu)建在LoRa PHY上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的可用性。 LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)就是通過定義媒體訪問控制（MAC）層來實現(xiàn)的，該層設(shè)計用于與LoRa PHY一起工作。 LoRaWAN規(guī)范由LoRa聯(lián)盟創(chuàng)建和維護，專為遠程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而開發(fā)，提供適用于安全，低功耗無線通信的接入和控制協(xié)議。

LoRaWAN定義了一個熟悉的物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，包括終端設(shè)備，本地控制器和基于云的服務(wù)器（圖3）。在LoRaWAN術(shù)語中，終端設(shè)備以星型拓撲無線連接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過IP網(wǎng)絡(luò)連接到中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以兼作IoT應(yīng)用程序服務(wù)器或連接到一個或多個單獨的應(yīng)用程序服務(wù)器。

圖3：LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)拓撲提供了一個熟悉的物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，包括通過無線方式（虛線）連接到通過IP網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)的終端設(shè)備（固態(tài)（上行）到上游網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

LoRaWAN堆棧為應(yīng)用程序提供了基于LoRa的通信的標(biāo)準(zhǔn)接口（圖4）。在堆棧的底部，LoRa PHY與區(qū)域sub-GHz ISM帶寬分配協(xié)同工作。在LoRa PHY之上，LoRaWAN MAC提供熟悉的MAC層服務(wù)，包括信道訪問和尋址。如下所述，LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)定義了上行鏈路和下行鏈路事務(wù)的特定消息格式和定時。

圖4：LoRaWAN媒體訪問控制（MAC）建立在LoRa PHY上，定義了不同設(shè)備類的消息格式。 （圖像來源：LoRa聯(lián)盟）

通信選項

LoRaWAN MAC協(xié)議旨在支持對從LoRaWAN網(wǎng)關(guān)到終端設(shè)備的下行鏈路通信有不同要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。根據(jù)LoRa聯(lián)盟的定義，LoRaWAN MAC包括三類不同的設(shè)備，所有設(shè)備都支持雙向通信，但下行鏈路可用性不同：

A類操作支持低功耗設(shè)備，如無線傳感器節(jié)點，在上行鏈路傳輸之后需要來自服A類設(shè)備可以隨時向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，但只能在兩個窗口內(nèi)接收，每個窗口在傳輸后以指定的延遲發(fā)生（圖5）。

圖5：在默認的A類事務(wù)中，設(shè)備將一個LoRa兼容的消息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，然后在兩個接收窗口中監(jiān)聽響應(yīng)的預(yù)設(shè)延遲。 （圖像來源：LoRa聯(lián)盟）

B類操作通過附加的下行鏈路接收窗口擴展了A類。除了傳輸后通常的兩個短接收窗口外，B類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還在其他預(yù)定窗口監(jiān)聽額外的下行鏈路消息。下行鏈路窗口在由識別的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)發(fā)送的信標(biāo)之后的特定時間發(fā)生。 B類下行鏈路調(diào)度為應(yīng)用程序在特定時間聯(lián)系IoT設(shè)備提供了一種機制，而不是依賴于默認A類操作中可用的非確定性下行鏈路窗口。

C類操作支持需要接近的設(shè)備 - 下行鏈路接收窗口的連續(xù)可用性C類設(shè)備不斷監(jiān)聽下行鏈路消息，除非它正在傳輸數(shù)據(jù)或打開兩個默認接收窗口。

LoRaWAN設(shè)計有多種安全功能，使用設(shè)備，會話和應(yīng)用程序加密密鑰，用于加密數(shù)據(jù)和驗證設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)的訪問。對于LoRaWAN應(yīng)用程序，終端設(shè)備可以在出廠時使用加入特定LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)所需的身份驗證信息進行編程，LoRaWAN稱之為“通過個性化激活”.LoRaWAN還提供“無線激活”，指定一個過程用于設(shè)備加入任何可用的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)所需的身份驗證和授權(quán)。

對于網(wǎng)絡(luò)連接操作和安全數(shù)據(jù)通信，只有IoT設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器擁有加密秘密（圖6）。加密的消息只是由中間網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)傳送而不是處理，從而消除了它們作為壞人的有效攻擊面的用途。

圖6：在典型的LoRaWAN應(yīng)用程序中，加密密鑰僅在終端設(shè)備和應(yīng)用程序服務(wù)器中維護（綠色突出顯示）。終端設(shè)備MCU和上游IoT應(yīng)用軟件（紅色突出顯示）以純文本格式運行，而LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（藍色突出顯示）僅查看加密數(shù)據(jù)。 （圖像來源：Microchip Technology）

簡化通信

Microchip Technology旨在簡化LoRaWAN通信的開發(fā)，提供實現(xiàn)LoRa調(diào)制并提供LoRaWAN兼容性的分立模塊。 Microchip RN2903支持國際電聯(lián)1區(qū)ISM標(biāo)準(zhǔn)915 MHz頻段的LoRaWAN兼容通信。除了LoRa調(diào)制，板載收發(fā)器還支持FSK和GFSK調(diào)制，用于專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計。同樣，Microchip的RN2483提供相同的功能，支持433或868 MHz的ITU Region 2 ISM頻段。

圖7：Microchip LoRa模塊提供了用于LoRaWAN連接的插入式解決方案，包括板載命令處理器，LoRaWAN協(xié)議棧，無線電收發(fā)器和串行連接。 （圖像來源：Microchip Technology）

完全認證的Microchip模塊包含實現(xiàn)LoRaWAN連接所需的所有組件（圖7）。模塊的命令處理器使用板載LoRaWAN固件來完全支持LoRaWAN A類協(xié)議。板載EEPROM為LoRaWAN配置參數(shù)提供存儲，通過減少主機和模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸來提高性能并提高安全性。

結(jié)論

創(chuàng)建用于遠程通信的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)人員面臨著尋找能夠滿足擴展范圍，長電池壽命和足夠數(shù)據(jù)速率要求的無線連接的挑戰(zhàn)。 LoRaWAN可以通過獨特的調(diào)制技術(shù)滿足這些需求，該技術(shù)可實現(xiàn)15公里的無線范圍和10年的電池壽命。盡管如此，滿足LoRaWAN的基礎(chǔ)PHY和MAC要求可以擴展開發(fā)資源和項目進度。 Microchip Technology的RN2903 LoRa模塊為在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計中實現(xiàn)LoRaWAN提供了近乎可靠的解決方案。正如我們將在第二部分中討論的那樣，終端設(shè)備連接只是完整的基于LoRaWAN的IoT應(yīng)用的一部分。

在這個由兩部分組成的系列的第2部分中，我們將討論如何實現(xiàn)Microchip RN2903。模塊使用相關(guān)代碼示例。我們還將研究其在Microchip LoRaWAN評估套件中的作用，該評估套件提供完整的現(xiàn)成LoRaWAN兼容解決方案，包括用于終端設(shè)備，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的硬件和軟件。