談?wù)凩oRa與LoRaWAN

在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的世界中，連接就是一切。這些產(chǎn)品和應(yīng)用程序可以將他們的地面智能傳輸?shù)皆贫?，以進(jìn)行監(jiān)控、管理和決策。雖然為產(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仍然充滿(mǎn)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根本無(wú)法覆蓋的城市、農(nóng)業(yè)或其他環(huán)境中，您就只能尋找其他方法了——包括蜂窩或LoRa和LoRaWAN（遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)）。

通過(guò)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(ài)LoRa，它的信號(hào)具有抗噪性，而且免費(fèi)、使用未經(jīng)許可的頻段使得單個(gè)設(shè)備的單位成本顯著降低。

鑒于不同的需求，蜂窩或LoRa等方法更具互補(bǔ)性而不是競(jìng)爭(zhēng)性。

什么是LoRa？

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)目的而保留的無(wú)線(xiàn)電頻段。

LoRa設(shè)備以Sub-1GHz頻率進(jìn)行通信，因此可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，可用頻段很窄，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(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)術(shù)語(yǔ)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，它規(guī)定了用于無(wú)線(xiàn)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Sub-1GHz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(wú)線(xiàn)電的工作頻率為863-870/873MHz，而亞洲和南美的設(shè)備工作頻率為915-928MHz，北美的設(shè)備工作頻率為902-928MHz。在為某個(gè)應(yīng)用購(gòu)買(mǎi)LoRa芯片時(shí)，許多芯片將根據(jù)特定的范圍要求預(yù)先編程到某個(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(wú)線(xiàn)電在Sub-1GHz頻譜上運(yùn)行。圖片由NASA提供

除了使用的頻譜之外，LoRa還指定了用于無(wú)線(xiàn)電通信或LoRaPHY的協(xié)議。

LoRa調(diào)制：啁啾擴(kuò)頻

LoRa使用專(zhuān)有的無(wú)線(xiàn)調(diào)制技術(shù)，它是啁啾擴(kuò)頻的衍生物，它使用“啁啾”脈沖作為編碼信息的一種方式。啁啾是一種正弦波，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(wú)線(xiàn)電通過(guò)使用多個(gè)信息啁啾來(lái)表示有效載荷中的每一位信息來(lái)執(zhí)行其調(diào)制。在這種情況下，“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(jiàn)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(chēng)為擴(kuò)展因子(SF)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(wú)線(xiàn)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(lái)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啁啾需要更多的“通話(huà)時(shí)間”（網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間）并且需要更多的功率，因?yàn)檎{(diào)制解調(diào)器運(yùn)行的時(shí)間比使用低SF方法的時(shí)間更長(zhǎng)。

通過(guò)為無(wú)線(xiàn)電設(shè)置SF以及更改調(diào)制解調(diào)器的傳輸功率（根據(jù)地區(qū)可在2dBm和20dBm之間調(diào)整），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、如何以最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)串?dāng)_的方式相互通信，或者如何將來(lái)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？

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(guò)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(yǔ)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(wèn)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(chēng)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)。這包括接收、路由、處理來(lái)自本地LoRa網(wǎng)絡(luò)的數(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(lái)自LoRaWAN節(jié)點(diǎn)的連接，以及通過(guò)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(lái)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(wèn)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(kāi)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(zhuān)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(jiàn)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(hù)需要自己資助和部署。

LoRa與LoRaWAN

在本文開(kāi)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部署不一定需要LoRaWAN集中器、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序服務(wù)器。

LoRa是物理層傳輸技術(shù)，典型特點(diǎn)是距離遠(yuǎn)、功耗低、速率相對(duì)較低。對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品就是收發(fā)器芯片，使用這種技術(shù)需要把自己業(yè)務(wù)bit輸入或者讀出，再往上層的協(xié)議和業(yè)務(wù)都需要自己定義。

LoRaWAN是在LoRa物理層傳輸技術(shù)基礎(chǔ)之上的以MAC層為主的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)產(chǎn)品包括LoRaWAN節(jié)點(diǎn)，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和LoRaWAN的協(xié)議和數(shù)據(jù)云平臺(tái)。

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通道集線(xiàn)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(huà)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(méi)有LoRaWAN的情況下使用LoRa

在沒(méi)有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(wèn)協(xié)議，以便節(jié)點(diǎn)可以在彼此之間就如何識(shí)別彼此達(dá)成一致，如何一次通信，以及如何以及何時(shí)在不相互干擾的情況下進(jìn)行空中通信。在沒(méi)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(lái)處理到云服務(wù)的回程。

這可能感覺(jué)過(guò)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(wú)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(jiàn)。

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。

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(hù)的終極云基礎(chǔ)設(shè)施。

Sparrow 隨附的 LoRa MAC 是開(kāi)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)。

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)是什么？

LoRaWAN網(wǎng)關(guān) 是LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的一個(gè)核心硬件組件，通過(guò)它可以從設(shè)備收集數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。可以說(shuō)沒(méi)有LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，就不可能有LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)構(gòu)成：

構(gòu)造方面，一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)關(guān) 主要由兩個(gè)組件構(gòu)成：主機(jī)和集中器。

第一個(gè)組件，稱(chēng)為主機(jī)，主機(jī)是LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的大腦。它其實(shí)是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)控制集中器實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在主機(jī)中運(yùn)行的關(guān)鍵軟件被稱(chēng)為包轉(zhuǎn)發(fā)器，它決定了哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將接受由LoRaWAN網(wǎng)關(guān)收集的數(shù)據(jù)包。

第二個(gè)組件是集中器。它是LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的RF(射頻)部分，在其前端部分有RF芯片，可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)。集中器上有一個(gè)數(shù)字基帶芯片，對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，使其對(duì)主機(jī)有意義。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的主機(jī)和集中器在板級(jí)上通過(guò)串行進(jìn)行通信。

除了集中器和主機(jī)之外，每個(gè)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)都還需要一個(gè)很重要的東西，即外殼。外殼可以保護(hù)網(wǎng)關(guān)不受周?chē)h(huán)境變量的影響。外殼會(huì)根據(jù)預(yù)期使用環(huán)境而改變，比如：室內(nèi)網(wǎng)關(guān)采用緊湊的外殼。而戶(hù)外網(wǎng)關(guān)則使用更加堅(jiān)固、耐用和防水的外殼。

NiceRF LoRaWAN網(wǎng)關(guān)

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的頻率

與其它網(wǎng)關(guān)一樣，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)也需要在規(guī)定的工作頻率上工作。在特定國(guó)家部署網(wǎng)關(guān)時(shí)，必須要遵循LoRa聯(lián)盟的區(qū)域參數(shù)。不過(guò)，它是沒(méi)有通用頻率的，每個(gè)國(guó)家對(duì)使用非授權(quán)MHz頻段都有不同的法律規(guī)定。例如，中國(guó)的LoRaWAN頻段是CN470（470-510MHz），歐洲和美國(guó)的則分別是EU868(863-870MHz)和US915(902-928MHz)。每個(gè)國(guó)家都有其特定的頻道。詳細(xì)情況，你們可以參考LoRa聯(lián)盟的區(qū)域參數(shù)文件。

對(duì)了，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和設(shè)備必須要在相同頻率的計(jì)劃中才能運(yùn)行工作。假如LoRaWAN設(shè)備與LoRaWAN網(wǎng)關(guān)使用了不同的頻率計(jì)劃，這個(gè)設(shè)備就會(huì)對(duì)網(wǎng)關(guān)不可見(jiàn)。這種情況下，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)就沒(méi)辦法將設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)運(yùn)行框圖

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)在線(xiàn)或離線(xiàn)部署

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求和限制，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)行在線(xiàn)或離線(xiàn)部署。對(duì)于在線(xiàn)網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，它需要有一個(gè)回程網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接到互聯(lián)網(wǎng)，其通信回程可選WiFi、以太網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。在線(xiàn)連接的網(wǎng)關(guān)主要通過(guò)使用部署在云端的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，這些服務(wù)器主要包括The Things Stack、騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和用于LoRaWAN的AWS IoT Core等。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)離線(xiàn)部署時(shí)，可以利用LoRaWAN網(wǎng)關(guān)本身的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或者連接到本地部署在PC或服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。其用于本地網(wǎng)絡(luò)的主流網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之一是Chirpstack。在這種情況下，無(wú)論網(wǎng)關(guān)是在線(xiàn)還是離線(xiàn)，都必須向LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器注冊(cè)，然后對(duì)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)看起來(lái)很復(fù)雜，但其實(shí)它只是設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的一個(gè)“中間人”。它的第一項(xiàng)工作是通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)念l率計(jì)劃來(lái)接收數(shù)據(jù)包，當(dāng)然該計(jì)劃與它所部署地區(qū)的設(shè)備需要是匹配的。第二項(xiàng)工作是將數(shù)據(jù)正確地轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在這過(guò)程中，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)是通過(guò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)注冊(cè)的。有了這些充分地配置，就可以在短時(shí)間內(nèi)擁有能工作的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。

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遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)(LoRaWAN)是一種通信協(xié)議,主要用于區(qū)域、國(guó)家或全球的由電池供電的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它因能以最低的功耗進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信而聞名,還能檢測(cè)到噪音...

想要添加新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng),請(qǐng)按照以下步驟進(jìn)行操作:1.首先,確保您已經(jīng)連接到云蟻物聯(lián)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備或控制中心。2.打開(kāi)云蟻物聯(lián)的管理界面或手機(jī)應(yīng)用程序。3.尋找...

物聯(lián)網(wǎng)(IoT,Internetofthings)即“萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在...