什么是罗拉®和LoRaWAN®吗?

罗拉是一种低功耗射频调制技术,广泛的区域网络(LP188bet金博宝滚球WANs)。罗拉,名字是极其的引用罗ng -类风湿性关节炎字,这种技术使数据链接。188bet金博宝滚球由Semtech标准化LPWANs,罗拉提供了远程通信:3英里(5公里)在城市地区,和10英里(15公里)以上在农村地区(视线)。LoRa-based解决方案的一个关键特征是超低功率要求,允许创建的电池驱动的设备可以持续长达10年。部署在一个明星拓扑中,基于开放的网络LoRaWAN协议是适合应用程序需要远程或深在建大量设备间的通信,有低功耗要求,收集少量的数据。

考虑罗拉之间的差异和其他网络技术,通常用于物联网或传统的机器对机器(M2M)连接性解决方案:

图1:物联网技术

注意:在欧洲,移动网络运营商实现了一个双重策略解决数据包大小和延迟问题。他们经常提供LoRaWAN Cat-M1,是互补的技术。LoRaWAN适应需要更长的电池寿命,权衡的时间延迟和更小的包。相比之下Cat-M1可以用于比LoRaWAN可以容纳更大的有效载荷较低延迟。

图2突出一些重要的部署LoRaWAN网络的优点:

图2:部署LoRaWAN网络的优势

让我们看看这些优势更深度。

关于范围,一个LoRa-based网关可以接收和发送信号的距离超过10英里(15公里)在农村地区。即使在密集的城市环境,消息能够旅行到3英里(5公里),这取决于深室内终端设备(终端节点)。

至于电池寿命,所需要的能量传输一个数据包是很少考虑到数据包非常小,只有一天几次传播。此外,当终端设备都睡着了,功耗测量在毫瓦(mW),允许设备的电池持续许多,许多年。

当涉及到能力,LoRaWAN网络可以支持数以百万计的消息。然而,在任何给定的支持部署的消息的数量取决于网关安装的数量。一个八路网关可以支持一个几十万的消息在24小时内。如果每个终端设备发送10条消息,每天这样一个网关可以支持大约10000设备¹。如果网络包括10个这样的网关,网络可以支持大约100000设备和一百万条消息。如果需要更多的能力,所需要的是添加额外的网关,网络。

然后,有成本。鉴于LoRa-based结束节点和网关的功能,只有少数网关-一个星形网络中配置需要提供大量的结束节点。这意味着可以保持相对较低的资本和运营开支。同样,当成本效益的罗拉射频模块嵌入到廉价的终端节点与开放LoRaWAN结合使用标准,可以相当大的投资回报。

无线电调制和罗拉

专有扩展频谱调制技术来源于现有的线性调频扩频(CSS)技术,罗拉提供了灵敏度与数据速率之间的权衡,而操作的固定带宽通道125 KHz或500千赫(上行通道),和500千赫(下行通道)。188bet金博宝滚球此外,罗拉使用正交因素蔓延。这允许网络保持连接的电池寿命结束节点通过自适应优化个体结束节点的功率和数据率。例如,一个终端设备靠近网关传输数据应该以较低的传播因素,因为很少的链路预算是必要的。然而,结束设备位于几英里从网关需要传送一个更高的传播因素。这个更高的扩频因子提供了增加处理增益,接收灵敏度高,虽然数据率,一定更低。

罗拉纯粹是一个物理(体育),或“比特”层实现,按照OSI七层网络模型的定义,如图3所示。布线,而是空气作为介质运输罗拉无线电波从物联网设备的射频发射机射频接收机在网关,反之亦然。

1之间没有一对一的关系LoRa-based LoRaWAN网络设备和网关;与终端设备之间发送的消息经过网关范围内。重复数据删除技术是由网络服务器来处理。

图3:OSI七层网络模型

在传统的或直接序列扩频(DSSS)系统中,发射机信号的载波相位的变化根据代码序列如图4所示。当将数据信号与一个预定义的模式以更高的速度,也称为传播代码(或芯片序列),就会创建一个“快”信号,频率成分高于原始数据信号。这意味着信号带宽超出原始信号的带宽。在射频术语中,代码的比特序列被称为芯片(为了区分时间越长,un-coded,原始数据信号的比特)。当传输信号到达射频接收机,乘以一个相同的拷贝传播代码中使用射频发射器,导致一个复制的原始数据信号。

图4:DSSS系统载波相位发射机信号的变化

你可能会问:为什么经历所有这些麻烦吗?为什么不直接传输原始数据信号而不是通过这段代码序列乘法?答案很简单:通过这段代码序列乘法买你更高的射频链路预算,所以你可以发送长范围。

Log10比率的代码序列的芯片速度和数据信号的比特率称为处理增益(Gp)。这个增益是允许接收者恢复原始数据信号,即使频道负信噪比(信噪比)。罗拉有一个优越的Gp相比,频移键控调制(移频键控),允许降低发射机的输出功率,同时保持相同的信号数据率和类似的链路预算。

DSSS系统的一个缺点是,它需要一个高度精确的(且昂贵)的参考时钟。Semtech罗拉唧唧喳喳的扩频(CSS)技术提供了一个低成本和低功耗,但健壮,DSS188bet金博宝滚球S替代,不需要高度精确的参考时钟。在罗拉调制,传播信号的频谱是通过生成一个线性调频信号在频率不断变化,如图5所示。

图5:罗拉线性调频扩频插图

该方法的一个优势是时间和频率补偿发射机和接收机之间是等价的,大大降低接收机设计的复杂性。短促声波的频率带宽相当于信号的频谱带宽。数据信号,把数据从一个终端设备网关是芯片在更高的数据率和调制到线性调频载波信号。罗拉调制还包括一个变量的误差修正方案,提高了信号传输的可靠性。每四位信息的发送,五分之一的奇偶校验信息发送。

关键罗拉调制特性

如上所述,罗拉处理增益介绍了射频通道乘以与传播代码或芯片信号的数据序列。通过增加芯片速度,我们增加的总信号频谱的频率成分。换句话说,现在总信号的能量分布在更大范围的频率,使接收机辨别信号(即更糟)较低信噪比(信噪比)。

罗拉而言,传播代码应用于被称为原始数据信号扩频因子(SF)。罗拉调制共有六个因素(SF7 SF12)传播。扩频因子越大,越远的信号能够旅行和仍然由射频接收机收到没有错误。

表1显示了四个不同的传播因素[SF7…SF10)可用于上行(UL)在125 KHz的消息²。它显示了相同的比特率的估计范围(这取决于地形;更远的距离将会实现在农村环境中比在城市环境中)。它还显示了停留时间,或时间在空气(TOA)值的11-byte负载传播的四个因素。

2下行消息报道500 KHz频道可以使用所有可用六个传播因素(SF7…SF12)。

表1:罗拉传播因素

重要的是,罗拉天生正交调制传播因素。这意味着信号调制不同的传播因素和在同一时间在同一频道不相互干扰。相反,只是似乎噪声信号在不同的传播因素的相互关系。

罗拉信号都具有非常强的活力和带内和带外干扰机制。罗拉调制还提供免疫多径和衰落,使其适合使用在城市和郊区的环境中,这两个机制占主导地位。此外,多普勒频移造成小频移时间轴的基带信号。这个频率偏移宽容减轻了要求紧公差参考时钟源,因此,使罗拉理想从设备的移动数据通信。

罗拉调制特性

罗拉调制特征为每个区域中定义LoRaWAN区域参数文件,可以从罗拉联盟®(https://lora alliance.org/resource hub/rp002 - 100 - lorawanr区域参数)。在北美,125年有64 kHz罗拉上行通道定义,集中在200 kHz光栅可以看到在图5中。11。有八个500 kHz上行通道以及八,500 kHz下行通道定义。在北美,网关可以有多达64,125 kHz上行通道以及8 500 kHz上行和下行通道。这种类型的网关被称为航母级宏网关和仅用于户外应用程序。

图6:罗拉调制特性

表2提供了另一种方式来理解这些调制特性。

表2:罗拉调制特性

罗拉物理层用于低吞吐量、低数据率和高预算(即链接。“远程”)的应用程序。
固定信道带宽,扩散系数越高,处理增益越高,导致增加的敏感性,因此,增加链路预算。随后,然而,时间在空气也将增加。
正交性传播因素之间允许多个罗拉信号的传输都是在同一个信道频率和在同一时间段。
对于一个固定的科幻,窄带宽将增加灵敏度降低比特率。
LoRaWAN在北美使用125 kHz上行通道和500 kHz上行和下行通道
率的代码冗余度实现的前向纠错(FEC)用于检测错误和改正。这个速度是固定在4/5 LoRaWAN协议

正如斯蒂芬Hengstler断言在他的书中,一本小说啁啾调制扩频多址技术“罗拉是恒定包络调制(成本很低,权力有效功率放大器实现)…[它]是最健壮,超低功率和远程射频解决方案。”

数据碰撞和正交性传播因素

罗拉,数据包使用不同的传播因素是正交的,这意味着它们是无形的:正如前面提到的,他们只是表现为噪声。因此,两个数据包到达同一时间在同一接收通道在不同传播因素不会碰撞,都将由网关调制解调器解调芯片。然而,两个包相同扩频因子到达同一时间在同一频道可能导致碰撞。然而,如果两个包中的一个更强的6 dB,它将生存。

LoRaWAN网络的能力是其网关密度的函数。以最大化网络的容量,使用一种自适应数据速率(ADR)机制是至关重要的。ADR的主要目的是节约电池能量的LoRaWAN结束节点。通过最近的结束节点网关传输使用最低的传播因素,空气的时间最小化,从而延长电池寿命。更遥远的传感器传输更高的传播因素。电池能量和距离之间的权衡是考虑到一个更高的扩频因子允许网关连接到更远的设备。

LoRaWAN网络基础

完全理解LoRaWAN网络,我们将开始看技术栈。188bet金博宝滚球如图7所示,罗拉是物理(体育)层,即。、无线调制用来创建远程通信链路。LoRaWAN是一个开放的网络协议,提供安全的双向沟通,维护的移动性和本地化服务标准化和罗拉联盟。

图7:LoRaWAN技术堆栈188bet金博宝滚球

LoRaWAN网络元素:一个介绍

现在我们已经有了一个基本的了解罗拉,我们将检查LoRaWAN网络的体系结构。图8显示了一个典型的LoRaWAN从端到端网络实现。

图8:Typial LoRaWAN网络实现

让我们检查这张图在较小的碎片。

LoRa-based终端设备

图9:终端设备在一个典型的LoRaWAN网络部署

一个LoRaWAN-enabled终端设备传感器或执行器是无线连接LoRaWAN网络通过无线网关使用罗拉射频调制。

在大多数应用程序中,一个终端设备是一个自治,通常电池传感器数字化物理条件和环境事件。典型用例的执行机构包括:路灯,无线锁、水阀关闭,泄漏预防等等。

当他们被制造,LoRa-based设备分配几个惟一标识符。这些标识符用于安全地激活和管理设备,确保安全运输包在一个私有或公共网络和提供加密的数据到云上。

LoRaWAN网关

图10:网关在典型LoRaWAN网络部署

一个LoRaWAN网关收到罗拉调制射频信息从任何终端设备在听证会的距离,并将这些数据转发消息LoRaWAN网络服务器(LNS),这是通过一个IP骨干网连接。没有固定的设备和特定的网关之间的联系。相反,同样的传感器可以由多个网关。LoRaWAN,每个终端设备发送的上行包将收到的所有网关触手可及,如图10所示。这种安排可以显著减少包错误率(因为的可能性至少一个网关将收到消息非常高),大大减少了电池开销为移动/游牧传感器,并允许为低成本定位geolocation-capable(假设问题的网关)。

从网关到网络服务器的IP流量可以通过wi - fi埋没,硬连接以太网或通过细胞连接。LoRaWAN网关操作完全在物理层,从本质上说,无非是罗拉广播消息代理。他们只检查每个传入的数据完整性罗拉射频信息。如果完整不完整,也就是说,如果CRC是不正确的,消息将被丢弃。如果正确的网关将其转发LNS,连同一些元数据,包括消息的接收RSSI水平以及一个可选的时间戳。对于LoRaWAN下行,执行网关传输请求来自LNS的载荷没有任何解释。因为多个网关可以接收相同的罗拉射频信息从一个终端设备,LNS执行数据重复删除,删除所有副本。基于RSSI的水平相同的消息,网络服务器通常选择网关收到最好的消息RSSI当传输下行消息,因为网关是最接近终端设备。

图11:网关从终端设备接收和发送消息

此外,罗拉允许扩展,既网关实现,取决于部署目标。例如,在北美,8 - 16 -,和64 -通道网关是可用的。

摘要介绍网关是最便宜的。网关需要的类型取决于用例。8 - 16通道网关可用于室内和室外使用。六十四频道网关只能在运营级变种。这种类型的门户是为部署在发射塔等地方,很高的建筑物的屋顶等。

网络服务器

图12:LoRaWAN网络服务器在一个典型的LoRaWAN网络部署

LoRaWAN网络服务器(LNS)管理整个网络,动态控制网络参数使系统适应不断变化的条件,并建立安全的128位AES连接的端到端数据传输(从LoRaWAN终端设备最终用户应用程序在云中)以及控制交通流从LoRaWAN端设备LNS(来回)。网络服务器确保每一个传感器网络的真实性和每条消息的完整性。与此同时,网络服务器无法看到或访问应用程序数据。

一般来说,所有LoRaWAN网络服务器共享以下特点:

设备地址检查
身份验证和帧计数器管理
对接收到的消息的确认
适应使用ADR协议数据速率
应对所有MAC层请求来自设备,
转发上行应用程序负载到适当的应用程序服务器
排队的下行载荷来自任何应用程序服务器设备连接到网络
运输计划和Join-accept消息之间的设备和连接服务器

应用程序服务器

应用服务器负责安全处理、管理和解释传感器应用程序数据。他们还生成所有的应用程序层下行负载连接终端设备。

图13:LoRaWAN典型LoRaWAN network deployment应用服务器

连接服务器

连接服务器管理终端设备的无线激活过程被添加到网络。

连接服务器包含所需的信息来处理上行计划框架和生成下行join-accept帧。信号网络服务器,应用服务器应该连接到终端设备,并执行网络和应用程序会话加密密钥推导。它的网络会话密钥通信设备到网络服务器,和应用程序会话密钥对应的应用服务器

图14:LoRaWAN加入服务器在一个典型的LoRaWAN网络部署

为此目的,加入服务器必须包含以下信息为每个终端设备在其控制:

DevEUI(终端设备串行惟一标识符)
AppKey(应用程序加密密钥)
NwkKey(网络加密密钥)
应用程序服务器标识符
终端设备服务配置文件

LoRaWAN网络元素:设备调试

为了安全、服务质量、账单、和其他需求,设备必须委托和bet188软件下载网络上激活的操作。调试过程中安全地将每个设备和网络基本配置参数(如标识符、加密密钥和服务器位置)

LoRaWAN规范允许两种类型的活动:无线激活(OTAA)(首选)和激活个性化(ABP)。表2显示了不同特征的每一种类型的激活。

表3:激活类型

LoRaWAN网络元素:安全

有两个关键要素的安全LoRaWAN网络:加入过程和消息身份验证。加入过程建立一个终端设备之间的相互认证,LoRaWAN网络连接。只允许授权的设备加入网络。origin-authenticated LoRaWAN MAC和应用消息,来自和端到端加密(即。结束,从设备到应用程序服务器,反之亦然)。

这些安全特性确保:

网络流量没有改变
只有合法的设备连接到LoRaWAN网络
网络流量不能听(没有窃听)
网络流量不能被捕获和回放

基础上,我们将更详细地查看LoRaWAN安全措施。

加入过程

我们将开始与安全密钥,如图15所示。个人根键是安全地存储在终端设备上,和匹配键是安全地存储在连接服务器。

图15:在加入过程安全密钥生成

终端设备发送一个连接请求消息连接服务器,如图16所示。

图16:发送连接请求消息连接服务器

后加入服务器验证设备请求加入网络,它返回一个加入接受信息设备,如图17所示。

图17:发送加入接受信息终端设备

接下来,末端设备派生本地会话密钥,加入行基于DevEUI DevNonce、根键和字段连接请求和连接接受消息。结束,也加入服务器会话密钥来自串行id、根键和字段连接请求和连接接受消息。最后,加入服务器与网络和应用服务器共享会话密钥,如图18所示。

图18:会话密钥共享与网络服务器和应用程序服务器

图19展示了数据包传输的安全性。终端设备和网络之间的控制交通与128位AES网络服务器安全会话密钥(NwkSKey)。数据流量,终端设备和应用程序服务器之间的旅行,是获得与128位应用程序会话密钥(AppSKey)。这种方法可以确保网关和网络服务器都无法读取用户数据。

图19:保护数据传输的数据包

设备类:A、B和C

LoRa-based终端设备可能在三种经营模式,根据他们的设备类。所有这些设备必须支持类操作。B类设备必须支持A类和B类模式,和C类设备必须支持所有三种模式的操作。这些模式的操作与设备与网络通信的方式。

A类设备

图20显示类的操作模式是如何运作的。

图20:A类操作

在这种情况下,终端设备大部分时间处于闲置状态,(也就是说,在睡眠模式)。当有一个改变环境中的相关设备监控程序,它醒来,发起一个上行,传输数据的改变状态回到网络(Tx)。设备从网络侦听响应,通常为1秒(尽管这时间是可配置的)。如果没有收到下行在这接收窗口(Rx1),它短暂回到睡眠,醒来过了一会,再次侦听响应(Rx2)。如果没有收到响应在这第二个Rx窗口,设备返回休眠状态,直到下次数据报告。Rx1之间的延迟和Rx2配置的上行传输的延迟。

注意:没有办法的应用终端设备可以唤醒一个类设备。鉴于这种限制,A类设备不适合执行机构。

图21、22和23说明这些通信模式。

图21:A类操作时没有收到

图22:A类操作,当接收到数据包的接收窗口

图23:A类操作,当接收到一个数据包在第二接收窗口

注意:设备不会试图发送另一个上行消息直到:

它已经收到了一个下行消息Rx1期间,或
第二个接收窗口后,最后传输完成

B类设备

类的增强,LoRaWAN B类模式提供定期、定时的机会结束设备接收来自网络的下行,使B类终端设备适合监测传感器和致动器。所有LoRa-based终端设备开始上课模式;然而,设备程序B级堆栈在制造业可能会转向B类模式应用程序层。

终端设备在B类模式提供定期接收窗口,除了那些打开时类风格上行发送到服务器。

1.1.1.1B类灯塔

B类模式的沟通工作,这一过程被称为报警是必需的。在报警过程中,时间同步信标必须通过网关广播定期通过网络,如图24所示。最后设备必须定期接受其中一个网络信标,这样就可以使其内部定时参考与网络。

图24:B类指引操作

设备使用灯塔来推导和使他们的内部时钟与网络。设备不需要处理每一个灯塔如果设备已经对齐。在大多数情况下,重新调整一天几次就足够了,对电池寿命影响最小,如图25所示。

图25:周期性的B类报警设备同步

基于信标的时间参考,终端设备可以打开接收窗口(萍槽定期)。这些萍槽可能使用的网络基础设施发起下行沟通,如图26所示。为了LoRaWAN网络支持B类设备,这个网络中的所有LoRaWAN网关需要有一个内置的GPS定时源,所以他们都可以同步到的信标时机。

图26:B类萍插槽

注意:B类设备也可以在类操作模式。

C类设备

C类总是“在”;也就是说,他们不依靠电池供电。C类设备包括诸如路灯、电表等。这些设备总是监听下行消息,除非他们传送一个上行。因此,他们提供最低的延迟结束从服务器进行通信的设备。

C类终端设备实现相同的两个接收窗口类的设备,但他们不关闭Rx2窗口,直到下一个传输发送回服务器。因此,他们可以接收的下行Rx2在几乎任何时间窗口。短窗口Rx2频率和数据速率也打开结束之间的传输和Rx1开始接收窗口,如图27所示。

图27:C类操作

罗拉联盟

500多家成员公司,罗拉联盟是一个增长最快的技术联盟。188bet金博宝滚球一个社区的创新者,罗拉联盟致力于标准化低功率宽区域网络(LPWANs)。为此,集团提供LoRaWAN规范(https://lora-alliance.org/search/specification),免费的。基于开放标准和规范提供了认证的互操作性。

罗拉联盟也提供了LoRaWAN认证测试工具,以帮助制造商确保他们的设备全部LoRaWAN-compatible提前发送这些设备的授权测试室正式LoRaWAN认证测试。

关于罗拉联盟的更多信息,请访问他们的网站:https://lora-alliance.org。