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物联网LPWAN对手窥视 LoRa深化优势寻突围
 
发布时间:2018-04-02 14:59 已被阅读
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跟着物联网(IoT)技能这几年被高度注重,耳熟能详如窄频物联网(NB-IoT)、LTE-M(Long Term Evolution, Category M1)、Wi-SUN及Sigfox等许多的技能与相关推行联盟在商场上争相竞逐,而LoRa技能在全球也有许多的布建与注重,以下针对LoRa技能的开展情况与推行导入做具体的介绍。
物联网LPWAN对手窥视 LoRa深化优势寻突围
网络科技的开展一日千里,伴跟着对设备通讯的需求被许多注重,以较少带宽、低功耗、长间隔及许多设备衔接需求为主所开展的通讯领域长间隔低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)有着明显的开展,这些依据免费频段Sub-1GHz运作的技能更是快速鼓起。
物联网LPWAN劲敌环伺 LoRa强化优势求包围
一、知道LoRa芯片/LoRaWAN通讯协议
升特(Semtech)于2013年8月宣告推出一系列依据啁啾展频(Chirp Spread Spectrum, CSS)调变的LPWAN芯片取名为LoRa,称号来自英文Long Range的含义缩写,其优异的传输间隔令人形象十分深入。
 
CSS选用线性调频扩频调制技能,保有本来频率位移键控(Frequency Shift Keying, FSK)技能的低功耗特性但明显地添加了传输间隔。首要的特性数据为:极佳的-148dBm接纳感度(RF Sensitivity)与168dB的链路预算(Link Budget);射频(RF)输出功率为+14~+20dBm,内建放大器;接纳操作电流9.9毫安(mA);支撑FSK、开关键控(On-off Keying, OOK)等调变运作;主动射频载波(RF Carrier)侦测;数据传输速率:0.29~37kbps,运用带宽为125k、250k与500kHz(图1)。
一起升特依据推行LoRa运用成立了工业协作与生态系串联的结盟安排LoRa Alliance。现在联盟成员包含超越五百家以上的公司。其间包含IBM、思科(Cisco)、Giesecke & Devrient(G&D)、升特、意法半导体(ST)等大型企业,还有Orange、SK、荷兰皇家电信(KPN)、DoCoMo、软件银行(Softbank)、亚太电信等电信业者。联盟首要的作业为拟定共通的开放原始码通讯协议LoRaWAN,让各个相关厂商的设备能够互相通讯进而扩展运用的领域与排除地理方位约束。
二、两面向拆解LoRaWAN
能够将LoRaWAN技能简略概括成两个面向:
第一个面向是,从实体网络根底建设布建与设备联系来看。LoRa技能依据星状(Star)的网络拓扑架构(图2),表1则概括了现在LoRa网络所需的设备与其功用。
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第二个面向为LoRaWAN通讯协议。如表2所示,现在终端设备与网关间的通讯就媒体访问操控(MAC)层的行为形式分为三大类别(Class)。在通讯协议中星状拓扑数据传输方向分为上行(Uplink)与下行(Downlink)。上行代表设备对网关发送数据,反之,下行为网关对设备发送数据。图3简述此三种类其他收发行为。
三、LoRaWAN设备发动入网方法简介
前面现已阐明了设备在做传输时运作的类别,接下来阐明LoRaWAN怎么承受并发动传输材料的入网机制,此部分能够考虑成设备合法与否的承认机制。
 
现在有两种发动方法,分别为ABP(Activation By Personalization)与OTAA(On The Air Activiation)两种,个其他具体内容如图4所述。
 
四、LoRaWAN认证现况阐明
LoRa联盟为了完成将来为数许多的物联网设备的兼容性,透过拟定各区域或国家区域的一致通讯标准,让各区域不同国家制造商所出产的LoRaWAN设备完成互通,这些区域标准都是参阅各国家区域的LPWAN无线频段安规所拟定。此一标准标准汇整于LoRaWAN文件Regional Parameters中,现在最新版别为v1.1。表3为现在LoRa联盟所拟订的国家或区域的频道标准简略收拾阐明。
接下来针对EU868、US915、AS923与CN470等首要的区域标准做进一步的阐明。现在大多数国家针对免费频段多标准运用于工业、科学与医疗(Industrial, Scientific and Medical, ISM)频段或许无线射频辨识(RFID)频段中,各区域的介绍将以各区域中的运用频段、频道信息、传输速度及安规等重点项目做收拾阐明。
1. EU 863-870MHz ISM频段
频段部分为依据欧洲电信标准协会(ETSI) [EN300.220] ISM标准,欧盟(EU)采868~870MHz频段。而频道如表4所示,欧洲区LoRa标准强制频道三个,而ESTI标准下至少运用十六个频道。至于安规部分,选用作业周期(Duty Cycle)方法约束占用频道的时刻。
2. US 902-928 ISM频段
在频段方面,依据FCC Part.15标准,LoRa运用902~928MHz。频道部分如图5所示,上行共有六十四个125kHz频道与八个500kHz频道,下行有八个500kHz频道。其传输速率达0.98~5kbps,而安规部分,频道占用400msec约束(FHSS跳频体系)。
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3. AS923 ISM频段
其频段如表5所示,AS923区域内各国均选用相同的强制频道。LoRa大部分运用920~928MHz频段。以国家别收拾如下:文莱(Brunei)923~925MHz、柬埔寨(Cambodia)923~925MHz、印度尼西亚(Indonesia)923~925MHz、日本920~928MHz、老挝(Laos)923~925MHz、纽西兰915~928MHz、新加坡920~925MHz、泰国920~925MHz以及越南(Vietnam)920~925MHz。
在频道方面,所运用频道数目与频率依各国安规标准有所不同;安规部分,频道运用机制台湾区域NCC走相似美国联邦电信委员会(FCC)精神,也有国家选用Duty Cycle标准。
4. CN 470-510MHz频段
在频段方面,依据我国国家无线电管理委员会(SRRC)标准,LoRa运用470~510MHz,而其频道如图6所示,上行共有九十六个125kHz频道,下行有四十八个125kHz频道。其传输速率介于0.25~5kbps,而安规部分,频道占用时刻不能够大于5,000msec。
 
五、LoRaWAN体系整合  实例剖析阐明
前面现已介绍了LoRaWAN的架构及各项协议标准,接着透过一个简略的LoRaWAN网络建构作为LPWAN实践运用概念性验证(Proof Of Concept, POC)典范。如前面图2所示,一个LoRa网络能够是电信业者如亚太电信等营运商等级的LoRa根底建设,也能够依单一区域、工厂、小区或许家庭为根底来进行布建,这部分的特性是现在NB-IoT等第三代协作伙伴计划(3GPP)拟定的协议较不易完成的架构。表6列出了此一根底建置所需的设备列表。
网关部分,现在国内外有十分多厂商可供挑选,一起许多厂商都有供给内建服务器的网关产品。基本的硬件装备大多为:上行支撑频道数八或十六频道、下行频道一至二频道、具有以太网络(Ethernet)或无线局域网络(Wi-Fi)接口,或许支撑全球卫星定位体系(GPS)以及3G/4G网卡扩大功用。软件部分大多支撑UDP Packet Forwarder、MQTT、RESTful等通讯协议,供给外部服务器或许运用程序进行数据存取。而户外型的网关,则大多装备高增益天线与防水功用。
LoRaWAN设备以模块而言,现在市道上有两大类,分别为COB(Chip On Board)的模块,与透过晶粒(Die)仓库与封装的SiP(System in Package)规划。SiP是将LoRa芯片与微处理器(MCU)乃至GPS芯片等晶粒透过三维(3D)仓库封装成一颗芯片的规划,此类规划最大的优点在于整个产品的尺度削减十分多,更让运用面产品规划较为精简与单纯。图7针对市道上模块与SiP模块尺度外观做简略比较,能够看出两者之间物理尺度的差异。
物联网LPWAN对手窥视 LoRa深化优势寻突围
建构一个POC阶段的LoRaWAN网络架构并没有幻想中的杂乱与困难。透过国内外厂商多款内建服务器的网关调配AcSiP依据Arduino渠道为根底的LoRa才智积木,或许任何兼容于LoRaWAN协议的终端设备,能够快速地建构一个区域性LoRaWAN网络,透过Arduino渠道丰厚的传感器(Sensor)支撑设备与巨大社群的软件资源,能够快速地建构运用的架构雏型来验证林林总总的物联网运用。
如图8所示,透过简略的网关装设与一台个人计算机(PC)或服务器建置出一个落地的LoRa网络,终端设备透过LoRa无线射频将传感器数据发送给室内型或户外型网关;运用层面则能够透过PC或服务器的软件架起对网关进行数据存取与贮存,亦能够透过网关发送操控封包给设备端进而建构完好的双向传输网络。
现在内建服务器的网关十分遍及,一起支撑多种物联网数据存取协议,例如依据TCP/IP协议已变成世界标准化安排(ISO)标准的MQTT、RESTful API等。能够透过这些协议调配Python或许Node-RED等直觉性的开发工具,快速地建构出各种运用情境与架构。
以群登的LoRa才智积木出售套件为例,图8中网关部分,能够自由挑选调配两家室内型LoRa网关出产厂商的产品,终端部分套件里有依据Arduino处理器渠道且内建了温度、湿度及三轴加速器等感应设备。一起预留了许多周边接口与通用输入/输出(GPIO)让运用者能够方便地整合各种所需的传感器。亦附有电池以便于不方便接电的环境下仍能进行数据搜集。
 
而图9介绍透过Node-RED直觉式的程序撰写调配MQTT等组件实作的IoT Dashboard典范,一切相关程序代码均为开源方法供给。
 
无线射频信号的传输间隔,在环境中会有许多变因造成传输效能下降,不考虑太杂乱的影响变因下,现在LoRa技能经实测的确有极佳的抗干扰性,在接纳灵敏度也有适当不错的体现。
图10显现从石门水库大坝沿着大汉溪空阔河谷选用0 dBi天线下测得传输间隔最远可达16公里(km),在空阔处有十分好的传送效能。别的,在都会区的测验部分,将网关架起于桃园新光大楼十楼方位,约能够包含半径大约2公里上下的规模传输。不过,在实在场域可能会由于建物的隔绝等环境影响而有增减。整体而言,实测数据显现LoRa技能在传输间隔上的确有不错的体现。
 
六、面对其他技能应战 LoRa开展依然看好
面对NB-IoT等新技能要挟,LoRa依然小心谨慎地面对,硬件方面新一代更为便宜、尺度更小且效能更佳的芯片也将于本年三月上市,期望透过较低的本钱价格、效能与功耗的改善、辅以下降运用规划杂乱度等面向调整,等待能以更有竞争力与杰出性价比的产品线保持竞争力。2018年1月升特于美国世界消费性电子展(CES)所揭穿的新一代LoRa芯片就是依据这些根底所推出的新产品。图11为SX126X的功用结构图,与2013年所宣布的前一代芯片比较有许多新的规划与效能部分的进步。
 
首要聚集的功用与改善包含:芯片尺度削减了45%,新芯片尺度只有4毫米×4毫米;接纳形式的功耗下降了50%,原为9毫安已降至4.6毫安;传输间隔添加20%,而同一颗芯片支撑全球Sub-1G频段的运用,频率规模为150~960MHz。为减低运用的开发的杂乱度,导入协议引擎(Protocol Engine),透过硬件实作的协议引擎调配256Bytes的数据缓冲区(Data Buffer)供给运用者运用程序编程接口(Application Programming Interface)的扩展指令,运用开发者能够用更精简的程序到达LoRa程序的开发。原厂数据显现处理器只需求用十行程序代码就能编写出LoRa传输与接纳的功用。
其他改善部分,还有针对中、短无线包含规模运用且需求较多设备收发数据的运用需求,添加了展频因子SF5(Separating Factor 5)的速率,凭借进步实践的LoRa传输速率,进而增进频道的利用率,让网关能够支撑更多设备的数据传输。前述的这些改善规划揭穿了LoRa面对新技能的竞争与应战,继续的改善本钱与效能,期望拓荒出一块归于自己在物联网商场的一片六合。
另一方面,就组成整个LoRaWAN网络的软件协议的部分,LoRa联盟于上一年提出v1.1的新版别,关于安稳性以及未来更许多设备的网络建构所面对的问题,新协议在网络的安全机制、新的区域标准提出、中心服务器后端接口(Back-end Interfaces)与服务器间数据交换标准等均做了改善。
首要改善规划含括了LoRaWAN设备在不同LoRa营运商(Operator)间的周游(Roaming)机制部分,除原有的被动式周游根底下添加了跨营运商的切换周游(Handover Roaming)机制;具有终端设备Class B完好传输计划,以及Class A与Class C的动态切换;为了应对未来移动设备周游的需求,添加了入网服务器(Join Server)的设置,供给周游时设备切换LoRa营运商时能够进行设备的资历与特性等参数的承认。
而在安全部分,AES加密的密钥由本来的三把扩大为五把,让数据的完好性与安全性更为谨慎。具有空中在线晋级(Firmware Upgrade Over-the-Air),能透过无线的方法进行必要的软件更新。
依据LoRa联盟2017年度报告的数据显现,在整个2017年取得LoRaWAN认证的产品或模块数目较2016年添加五十一个,生长率为176%。另全球新增的LoRaWAN网络添加了三十一个,生长率为100%。现在超越一百个以上国家有供给LoRa网络服务,营运商等级的会员有五十四家。联盟成员也安稳添加,以数据来看是出现继续生长的态势。
与NB-IoT相较,由于LoRa较早进行推行与运用导入,现阶段在本钱与成熟度仍有一些优势。能够简略地建构私有化的网络,仍旧招引许多体系商与运用商的投入。不可讳言地,运用免费频段有较严重的干扰问题存在,但是在物联网技能的竞逐舞台上,LoRa后续的开展,仍是值得继续注重。

 

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