LoRaWAN的起源和网络架构

LoRaWAN的起源

LoRaWAN缘何而来?都解决了什么问题?

LoRaWAN是一种低功耗广域网规范,基于MAC层定义,面向物联网应用。该规范主要使用LoRa调制解调支持大多数的物联网应用。

Semtech、Actility和IBM Research在苏黎共同制定了物联网的规范。自2014年以来,这几家公司合作设计了LoRaMAC,一个解决了物联网市场安全、能源效率、漫游和配置入网(onboarding)挑战的规范。

2015年2月,LoRa联盟成立于巴塞罗那移动世界大会。 LoRaMAC被重新命名为“LoRaWAN”,成为LoRa联盟成员的规范。所有成员现在通过联盟技术委员会对本规范作出贡献。LoRaWAN 1.0规范可以从LoRa联盟网站下载,www.lora-alliance.org

LoRaWAN规范解决了广阔的物联网市场所带来的挑战,其特性包括:

双向性:任何的LPWA技术提供完全双向通信是关键的;任何设备都能够向网络报告(称为UpLink消息),还可以由网络(称为DownLink消息)来控制。 这在许多方面是有意义的,例如设备的配置入网(onboarding)、网络管理和许多需要用到应答(Acknowledgement )或设备执行机构的其他应用。

安全性:分析师预估到2020年将会有数十亿的连接设备,保护物联网用户的安全是至关重要的。 LoRaWAN使用与金融行业类似的智能密钥生成机制,提供数据认证以及端到端有效载荷的加密。

易于调试:如果今后要将数十亿台设备连接到网络,其配置入网(on‐boarding)的过程应该是无缝的,不需要考虑SIM卡的分发。

地理定位:许多物联网应用需要设备位置跟踪。 LoRaWAN使用免GPS的地理定位功能,以合理的成本无缝地规划网络内外的设备漫游。

可扩展性:这也是关键。可从数千的终端设备开始部署新的网络;但是,当需要更大容量时,可以增加基础设施最终连接数百万甚至数十亿个终端设备。

标准化:通过LoRa联盟,广泛的生态系统合作伙伴都使用相同的标准来创建网络。

最新版本的LoRaWAN可以从LoRaAlliance网站www.lora-alliance.org下载。

关于LoRaWAN网络架构

LoRaWAN网络架构图

终端节点

在上面的LoRaWAN网络架构图中,终端节点是在最左边,异步地广播数据包到网络。 遵循Aloha网络规范,保证终端设备可以将大部分时间处于空闲模式,功耗少于1uA。 这种方法可确保在小型电池上的应用可以实现10至15年的使用寿命。

因为低功耗,LoRaWAN网络是Aloha介质访问网络规范最适合的技术选择,广域网络主要工作在ISM频段。 在免授权频段中,介质质量和可访问性不能被保证,这意味着任何类型的时隙多址技术都将会面临信道可用性问题。 时分多址,需要设备同步,可能会在终端设备上造成很大的成本,并且与LPWA中的一些用例不兼容。

集中器/网关

通过终端节点广播的数据包将会被网络中的一个或多个网关接受到。网关有一个多信道和多数据速率的射频嵌入式设备,可以扫描和检测任意活动信道上的数据包并对其进行解调。

网关是到核心网络简单的通信通道,而且它们通常没有内置的智能处理。 这有两个主要优点:

网关是由非常简单的、便宜的硬件组成

不需要从单元到单元的漫游。 终端节点广播其数据包,不需要考虑哪个网关会接收它们,并且多个网关可以接收数据包,而对其能量消耗没有任何的影响。 不需要切换过程或同步。

回程

网关通常需要一个以太网的回程。不过,目前的一些部署使用了2G、3G或4G作为回程。 例如,在LoRaWAN生态圈里的一些公司还提出了一种替代的解决方案,在没有蜂窝网络信号覆盖的地方,使用了卫星作为回程。

网络服务器

核心网络是LoRaWAN系统的重要部分。 它承载所有需需的智能来管理网络并将数据分发到其他服务器。 一些功能包括:

消息合并:来自多个网关相同数据包的多个副本被转发到网络服务器。 网络服务器记录这些数据包,分析数据包的接收质量,并通知网络控制器。

路由:对于下行链路,网络服务器决定到终端节点的最佳路由。 通常,这个决定是基于先前传送数据包的链路质量指示,从接受的信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)和信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)计算出来。

网络控制:链路质量还有助于为某个终端节点决定最相关的通信速度或扩频因子。 这就是我们所说的ADR(Adaptive Data Rate),或自适应数据速率策略,这由网络控制器来处理。

网络和网关监控:网关通常通过加密的IP链路连接到网络服务器。 网络通常包含网关管理和监控接口,允许网络提供商管理网关,处理故障情况,监控告警和其他一些功能。

此外,核心网络还与其他服务器进行通信,组织漫游,连接到客户的应用服务器等等。

应用服务器

LoRaWAN协议支持不同类型的网络。 一些网络提供商也是应用提供商。 因此,在LoRaWAN网络架构图图中最右侧的应用服务器可以与网络服务器分别托管或与网络服务器集成在一起托管。

LoRaWAN的配置入网(on‐boarding,或称为设备上载)方案已准备好支持这种“多租户网络”场景,许多不同的应用供应商提供了异构的应用。

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