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LoRa的全稱為‘Long Range’,從其全稱名字上已體現出了這種無線技術的特點--覆蓋范圍廣(鏈路預算達到168dB)。
LoRa技術是由一家法國公司Cycleo(成立于2009年,一個IP和設計方案提供商)開發的一種擴頻無線調制專利技術(EP2763321 from 2013 和 US7791415 from 2008) ,2012年被美國Semtech公司以約500萬美金所收購。收購之后,Semtech對該技術進行了強有力的營銷,包括設立LoRa聯盟,以促進其他公司包括部分移動運營商參與到LoRa生態系統中。
LoRaWAN則定義了使用LoRa技術的端到端標準規范,包括物聯網市場安全、能源效率、漫游和配置入網(on-boarding)等。LoRaWAN起初叫LoRaMAC,由Semtech、Actility、IBM Research共同制定,在2015年巴塞羅那移動世界通信大會上,被改名為LoRaWAN,成為LoRa聯盟成員的規范。LoRaWAN規范可以從LoRa聯盟網站下載:www.lora-alliance.org, LoRaWAN和LoRa的區別在于,LoRa是一種技術,而LoRaWAN是一套標準規范。
1、LoRaWAN是什么
按照LoRa聯盟官方白皮書《What is LoRaWAN》的介紹,LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構。另外官方提供了這張略偏技術的協議層次圖(如下圖)。
LoRaWAN在協議和網絡架構的設計上,充分考慮了節點功耗,網絡容量,QoS,安全性和網絡應用多樣性等幾個因素。經過接下來的這些內容,將會對開頭這段介紹有更深刻的體會。
2、LoRaWAN背后的利益集團– LoRa聯盟
和LoRa相愛相殺的 NB-IoT 出自于全球標準化組織 3GPP ,由大名鼎鼎的ETSI(歐洲電信標準化委員會)、日本ARIB(無線行業企業協會)和TTC(電信技術委員會)、CCSA(中國通信標準化協會)、韓國TTA(電信技術協會)和北美ATIS(世界無線通訊解決方案聯盟)等等組成。
相比于 3GPP 的根正苗紅,LoRaWAN 背后的LoRa聯盟則勢力弱了一些。從協議的封面可以看到作者是來自于3個董事會成員公司: N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。
LoRa聯盟于2015年上半年由思科(Cisco)、IBM和升特(Semtech)等多家廠商共同發起創立,截止目前(2017.04)有400+的成員,董事會成員中也有不少大企業,大家共同為瓜分未來低功耗廣域網的蛋糕而抱團努力著。
我們知道每一項技術的推廣,都伴隨著利益的推動。雖然組織和聯盟都是非盈利性組織,但是旗下的企業成員都不是一心來做公益的。從企業角度來講,花5萬美元去投入做的事情,注定是抱著撬動至少50萬美金的預期去做的。下表收集了現階段交納5萬美元聯盟會費的19個董事會成員,你可以看到這些企業的野心。
電信運營商 |
Bouygues |
法國三大移動網絡運營商之一 |
Comcast |
美國最大的有線電視運營商 |
|
KPN |
荷蘭皇家電信集團 |
|
Orange |
法國電信運營商 |
|
Proximus |
比利時電信運營商 |
|
SK telecom |
韓國電信運營商 |
|
網絡安全方案商 |
Gemalto |
金雅拓,網絡安全方案商,涉及網絡加密設計,是中國移動合作伙伴 |
Giesecke |
捷德,支付安全方案商,涉及網絡加密設計,是工行、建行等的U盾方案商 |
|
云平臺方案商 |
Actility |
法國,ThingPark云平臺 |
IBM |
平臺方案商 |
|
ZTE |
中興,平臺方案商,基站方案商 |
|
基站方案商 |
Cisco |
思科 |
Kerlink |
基站方案商 |
|
Sagemcom |
基站方案商 |
|
終端芯片方案商 |
Semtech |
升特公司,LoRa射頻芯片供應商 |
ST |
微控制器供應商 |
|
Renesas |
瑞薩,微控制器供應商 |
|
行業應用方案商 |
Flashnet |
能源管理應用商,如智慧路燈等應用 |
Homerider |
智能水表應用商 |
3、LoRaWAN的網絡部署情況
在綁定了幾個一級電信運營商后,網絡部署情況就比較可觀了。按照官方目前(2017.04)的聲明,網絡部署情況(如下圖),34個公開聲明部署的網絡,至少150個在進行的城市試點部署。
4、LoRaWAN 網絡架構
在了解了LoRaWAN基本情況后,我們具體從技術角度做些簡要分析。如下圖是LoRa聯盟官方白皮書中的網絡架構圖。
可以看到一個LoRaWAN網絡架構中包含了終端、基站、NS(網絡服務器)、應用服務器這四個部分。基站和終端之間采用星型網絡拓撲,由于LoRa的長距離特性,它們之間得以使用單跳傳輸。在終端部分官方列了6個典型應用,有個細節,你會發現終端節點可以同時發給多個基站。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協議數據做轉發處理,將LoRaWAN數據分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上。
下面結合下行業生態再來看下這個網絡架構,大家可以對LoRaWAN有更深的了解。
5 協議概述
5.1 終端節點的分類
在開頭的介紹中我們就看到有協議中有規定 Class A/B/C 三類終端設備,這三類設備基本覆蓋了物聯網所有的應用場景(如下表)。
Class |
介紹 |
下行時機 |
應用場景 |
A (‘all’) |
Class A 的終端采用 ALOHA 協議按需上報數據。在每次上行后都會緊跟兩個短暫的下行接收窗口,以此實現雙向傳輸。這種操作是最省電的。 |
必須等待終端上報數據后才能對其下發數據。 |
垃圾桶監測、煙霧報警器、氣體監測等 |
B (‘beacon’) |
Class B 的終端,除了Class A 的隨機接收窗口,還會在指定時間打開接收窗口。為了讓終端可以在指定時間打開接收窗口,終端需要從網關接收時間同步的信標。 |
在終端固定接收窗口即可對其下發數據,下發的延時有所提高。 |
閥控水氣電表等 |
C (‘continuous’) |
Class C 的終端基本是一直打開著接收窗口,只在發送時短暫關閉。Class C 的終端會比Class A 和 Class B 更加耗電。 |
由于終端處于持續接收狀態,可在任意時間對終端下發數據。 |
路燈控制等 |
5.2 終端節點的上下行傳輸
下面來點時序圖,讓大家有更深的感受。
這是Class A 上下行的時序圖,目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒開始,接收窗口RX2是在上行后2秒開始。
Class C 和 A 基本是相同的,只是在 Class A 休眠的期間,它都打開了接收窗口RX2。
Class B 的時隙則復雜一些,它有一個同步時隙beacon,還有一個固定周期的接收窗口ping時隙。如這個示例中,beacon周期為128秒,ping周期為32秒。
5.3 終端節點的加網
搞明白了基礎概念之后,就可以了解節點如何工作了。在正式收發數據之前,終端都必須先加網。
有兩種加網方式:Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA),Activation by Personalization(獨立激活方式 ABP)。
商用的LoRaWAN網絡一般都是走OTAA激活流程,這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備 DevEUI,AppEUI,AppKey 這三個參數。
DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID,標識唯一的終端設備。相當于是設備的MAC地址。
AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID,標識唯一的應用提供者。比如各家的垃圾桶監測應用、煙霧報警器應用等等,都具有自己的唯一ID。
AppKey 是由應用程序擁有者分配給終端。
終端在發起加網join流程后,發出加網命令,NS(網絡服務器)確認無誤后會給終端做加網回復,分配網絡地址 DevAddr(32位ID),雙方利用加網回復中的相關信息以及AppKey,產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey,用來對數據進行加密和校驗。
如果是采用第二種加網方式,即ABP激活,則比較簡單粗暴,直接配置 DevAddr,NwkSKey,AppSKey這三個LoRaWAN最終通訊的參數,不再需要join流程。在這種情況下,這個設備是可以直接發應用數據的。
5.4 數據收發
加網之后,應用數據就被加密處理了。
LoRaWAN規定數據幀類型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 兩種,即需要應答和不需要應答類型。廠商可以根據應用需要選擇合適的類型。
另外,從介紹中可以看到,LoRaWAN設計之初的一大考慮就是要支持應用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應用外,在傳輸時也可以利用 FPort 應用端口來對數據分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223),由應用層來指定。
5.5 ADR 機制
我們知道LoRa調制中有擴頻因子的概念,不同的擴頻因子會有不同的傳輸距離和傳輸速率,且對數據傳輸互不影響。
為了擴大LoRaWAN網絡容量,在協議上了設計一個LoRa速率自適應(Adaptive data rate - ADR)機制,不同傳輸距離的設備會根據傳輸狀況,盡可能使用最快的數據速率。這樣也使得整體的數據傳輸更有效率。
5.6 MAC命令
針對網絡管理需要,在協議上設計了一系列的MAC命令,來修改網絡相關參數。比如接收窗口的延時,設備速率等等。在實際應用過程中,一般很少涉及,暫時不管。
6 地區參數
LoRa聯盟官方在協議之外,還發布了一個配套補充文檔《LoRaWAN 地區參數》,這份文檔描述了全球不同地區的LoRaWAN具體參數。為了避免新區域的加入而導致文檔的變動,因此將地區參數章節從協議規范中剝離出來。
下圖是LoRaWAN在全球各地區的具體物理層參數,不單單是頻段有區別,細化到信道劃分,甚至是數據速率,發射功率,最大數據長度等等都有區別。
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