如果你连接的设备,你可能已经不止一次听说过LoRaWAN

如果你连接的设备,你可能已经不止一次听说过LoRaWAN。这是一种远距离无线电频率协议,允许用低功耗的东西连接到互联网的长距离。这在目前解决了物联网生态系统中的一个大问题。LoRaWAN具有长达5年的电池寿命,加上传感器网络的维护成本降低,正在提出各种新的使用案例。
简而言之,这就是LoRaWAN所带来的,在这篇文章中,我们将研究核心技术的体系结构,关键特性和正在使用的新兴使用案例。
这项技术的优点在于它基于一个开放的标准。它使用未经许可的频谱作为ISM(工业,科学和医疗)无线电频段的一部分。在整个欧洲,LoRaWAN使用868Mhz的计划,而在美国则是915Mhz的计划。使用未经许可的频谱使得任何人都可以轻松设置自己的网络并使用它。许多电信运营商已经开始将LoRaWAN作为一项技术,并在全球许多国家提供连接服务。KPN,Orange,SK电信,康卡斯特以及其他许多公司都积极参与在该地区的大规模部署。这使得LoRaWAN成为一项技术更加有趣,因为它可以兼容不同运营商从小规模到大规模部署的网络。
LoRaWAN标准由LoRa Alliance管理,该组织由500多名成员组成,他们都支持该协议,并制作与LoRaWAN相关的组件,产品和服务。像 MicrochipST 思科,软银和ARM等公司都是成员。更多信息在这里。

LoRa vs LoRaWAN

让我们从定义LoRa开始 – 它是什么以及它与LoRaWAN有什么不同。LoRa是一种无线技术,就像更常用的WiFi,蓝牙LTEZigbee一样。一项技术不能解决所有问题,而且在很多情况下都需要权衡。LoRa满足了需要长距离发送数据的低成本电池供电设备的需求。但是,对于高带宽的数据发送,LoRa不是一个合适的选择。LoRa是将要发送的数据调制为电磁波的技术。LoRa的这种调制技术被称为Chirp Spread Spectrum,已经在军事和太空通信中使用了数十年了。这是由于可以实现的通信距离长以及对干扰的鲁棒性。
另一方面,LoRaWAN是LoRa节点的高容量,长距离,低功耗,物联网网络的MAC协议。它充分利用了上述的LoRa功能,优化了LoRa节点的电池寿命和服务质量。该协议是完全双向的,它允许可靠的消息传递(确认)。它包括为安全性和数据保密性定义的端到端加密,终端节点的无线注册以及组播功能。该标准确保了全球各种LoRaWAN网络的互操作性。

LoRaWAN架构主要包含四个主要组件:

  • 结束节点
  • 网关(基站/路由器)
  • 网络服务器
  • 应用服务器

结束节点

终端节点是物理硬件设备,其包含感测能力,一些计算能力和用于将数据转换成无线电信号的无线电模块。这些终端设备可以将数据发送到网关并接收数据。如果将其置于深度睡眠模式以优化能耗,他们可以在小型电池上实现多年使用寿命。
当终端设备向网关发送消息时,它被称为“上行链路”,当它从网关接收到消息时,它被称为“下行链路”。基于此,有三种不同的方式来区分终端设备:

  • A类
  • B类
  • C类

与其他两个类别相比,A类设备占用最少的能量。不利的一面是,它们只能在发送上行消息后才能接收下行链路。A类设备适用于基于时间间隔(例如每15分钟)发送数据,或者适用于发送事件驱动(温度高于21度或低于19度)数据的设备。
使用类别B的终端节点允许比类别A更多的下行链路消息时隙。这减少了消息的等待时间,但同时使其更节能。
最后,C类具有连续的接收窗口,只有在设备发送上行消息时才会关闭。因此,这是最节能的,在大多数情况下需要一个恒定的电源来运行。

网关

网关也称为调制解调器或接入点。网关也是一个硬件设备,可以从终端节点中获取所有的LoRaWAN消息。这些消息然后被转换成可以通过传统IP网络发送的比特数组。网关连接到传输所有消息的网络服务器。
网关是透明的,计算能力有限,所有的复杂性和智能性都在网络服务器中执行。根据用途和类型,网关有两种类型:

  • 室内使用网关,例如Multitech Conduit,The Things Gateway
  • 户外使用网关,例如Kerlink IoT站,LoRiX One

网络服务器

所有来自网关的消息都被转发到网络服务器。这是更复杂的数据处理过程发生的地方。主要负责:

  • 路由/转发消息到正确的应用程序
  • 选择下行消息的最佳网关。这通常基于从先前已接收的分组的RSSI(接收信号强度指示)和SNR(信噪比)计算的链路质量指示
  • 如果多个网关收到消息,则删除重复的消息
  • 解密从末端节点发送的消息并加密发送回节点的消息
  • 网关通常通过加密的Internet协议(IP)链接连接到网络服务器。网络通常包含一个网关调试和监督界面,允许网络提供商管理网关,处理故障情况,监视警报等。

物联网是一个全球开放的众包物联网数据网络。来自世界90多个国家的2万多人使用LoRaWAN构建了这个全球物联网数据网络。
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应用服务器

应用程序服务器是实际的物联网应用程序的地方 – 对从终端设备收集的数据有一些帮助。应用程序服务器主要运行在与LoRaWAN网络服务器连接的专用或公共云上,并执行特定于应用程序的处理。与应用程序服务器的接口由网络服务器驱动。

LoRaWAN功能

双向通信
终端设备可以根据配置向网关发送数据并接收数据。这个配置也可以从应用程序调用。

本土化

LoRaWAN的一个有趣的功能是不需要GPS的本地化。这对跟踪资产和传感器特别有用,因为它比电池效率高,维护成本低于传统方法。

可扩展性

LoRaWAN专为大规模物联网部署而设计,可将数千个设备连接到少量的网关。这些网关可以同时收听多个通道并处理多个消息。
LoRaWAN的另一个关键特性是数据传输的速度。可以使用不同的数据速率来传输数据,这些数据速率被称为:扩频因子(或SF)。较慢的传输允许更长和更可靠的范围。
举一个例子,想想试着和一个站在你身边的人交谈。你可以说得很快,而另一个人仍然能够听到你所说的一切。当你试图与远在远方的某个人交谈时,你必须说得慢得多才能让自己明白。这个原理嵌入到LoRaWAN协议中。

自适应数据速率

LoRaWAN的一个关键特性是网络可以自动优化设备发送数据的速度。这种功能被称为自适应数据速率(或ADR),对于提高LoRaWAN网络的容量至关重要。ADR允许我们轻松扩展网络,只需添加一个额外的网关。现在由于这个额外的网关,许多终端设备将自动改变其扩频因子,从而减少每个设备的空中时间,这为网络增加了更多容量。
自适应数据速率(简称为ADR)是一种非常简单的机制,可以根据简单的规则改变数据速率:

  • 如果无线电信号的强度(称为链路预算)很高,则可以提高数据速率
  • 如果链路预算低,数据速率可以降低。

安全

对于任何LPWAN来说,安全性是非常重要的。LoRaWAN利用两层安全:一个用于网络,一个用于应用程序。网络安全保证了网络中终端设备的真实性,而安全的应用层则保证了网络运营商无法访问终端用户的应用数据。AES加密与密钥交换一起使用。

  • 网络层负责识别节点,它检查一个消息是否真的来自某个设备,被称为完整性检查。它也加密MAC命令。
  • 应用层用于有效载荷解密和加密。

在ECB模式下,这两个密钥都是128位AES加密的。

使用案例和应用程序

LoRaWAN已经在市场上找到了自己独特的地方,可以使用该技术构建不同的使用案例和应用程序。LoRaWAN的独特之处在于:

  • 获得电力(电力)是有限的或约束的
  • 身体上难以到达的地方或偏远地区
  • 与传统蜂窝连接相比,终端设备的数量要高得多
  • 终端设备不需要连续广播消息
LoRaWAN使用案例 – 垂直

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Wienke Giezeman – 创始人The Things Network

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