什么是LoRa?

1.LoRa概述:

智能物联网应用改善了我们的生活方式,并且正在解决城市和社区面临的一些挑战:气候变化,污染控制,自然灾害预警和生命急救。企业也通过改进运营和效率以降低成本获取效益。这种无线射频技术正在应用到汽车,路灯,制造设备,家用电器,可穿戴设备中。LoRa技术使我们的世界成为一个智慧星球。

2.LoRawan技术支持的公司:

在我们此次的iot项目中,我负责底层采集数据,采集设备用的是ST公司的STM8单片机(所以在此之前我学习了stm32单片机)。

3. LoRa联盟 背后的利益集团

和LoRa相爱相杀的 NB-IoT 出自于全球标准化组织 3GPP ,由大名鼎鼎的ETSI(欧洲电信标准化委员会)、日本ARIB(无线行业企业协会)和TTC(电信技术委员会)、CCSA(中国通信标准化协会)、韩国TTA(电信技术协会)和北美ATIS(世界无线通讯解决方案联盟)等等组成。

相比于 3GPP 的根正苗红,LoRaWAN 背后的LoRa联盟则势力弱了一些。从协议的封面可以看到作者是来自于3个董事会成员公司: N. Sornin ( Semtech), M. Luis ( Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。

我们知道每一项技术的推广,都伴随着利益的推动。虽然组织和联盟都是非盈利性组织,但是旗下的企业成员都不是一心来做公益的。从企业角度来讲,花5W去投入做的事情,注定是抱着撬动至少50W美金的预期去做的。

LoRa联盟于2015年上半年由思科( Cisco)、IBM和升特( Semtech)等多家厂商共同发起创立,截止目前(2017.04)有400+的成员,董事会成员中也有不少大企业,大家共同为瓜分未来低功耗广域网的蛋糕而抱团努力着。这是我做的一个表格,收集了现阶段(2017.04前)愿意交纳5W美金会费的19个董事会成员,你可以看到这些企业的愿景。

电信运营商

  • bouygues 法国三大移动网络运营商之一
  • comcast 美国最大的有线电视运营商
  • KPN 荷兰皇家电信集团
  • orange 法国电信运营商
  • Proximus 比利时电信运营商
  • SK telecom 韩国电信运营商

网络安全方案商

  • gemalto 金雅拓,网络安全方案商,涉及网络加密设计,是中国移动合作伙伴
  • giesecke 捷德,支付安全方案商,涉及网络加密设计,是工行、建行等的U盾方案商

云平台方案商

  • actility 法国,ThingPark云平台
  • IBM 平台方案商
  • ZTE 中兴,平台方案商,基站方案商

基站方案商

  • cisco 思科
  • kerlink 基站方案商
  • sagemcom 基站方案商

终端芯片方案商

  • semtech LoRa射频芯片供应商
  • ST 微控制器供应商
  • renesas 瑞萨,微控制器供应商

行业应用方案商

  • flashnet 能源管理应用商,如智慧路灯等应用
  • homerider 水表应用商

4.lora基本网络架构:

由若干终端end nodes采集底层数据,通过(RF射频技术/LoRaWAN技术)把数据发送到网关(Gateway)基站,再通过(3g/以太网通信技术)发送到NS(网络服务器),网络服务器(NS)再把数据发给应用程序端(APP)

可以看到一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑,由于LoRa的长距离特性,它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用(宠物追踪、水表测量计、自动售货机、烟感、垃圾桶、气体监测器)。你会发现终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理,将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。

网络架构
许多已经被部署的网络使用的是mesh网络架构。在一个mesh网络中,独立的终端节点可以中转其他节点的信息以扩大通信范围和网络的覆盖范围。在增加范围的同时也加大了复杂度,减小了网络容量和电池寿命,因为节点需要接收和中转其他节点的信息,但这些信息与其本身无关。远距离星型架构在使用远距离连接时最有利于延续电池寿命。

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(解释:)

星型网络拓扑:在星型拓扑结构中,网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点(又称中央转接站,一般是集线器或交换机)上,由该中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制策略,因此中央节点相当复杂,负担比各节点重得多。在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制


集线器(hub):集线器的英文称为“Hub”。“Hub”是“中心”的意思,集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离,同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI(开放系统互联参考模型)参考模型第一层,即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样,属于局域网中的基础设备,采用CSMA/CD(即带冲突检测的载波监听多路访问技术)介质访问控制机制。集线器每个接口简单的收发比特,收到1就转发1,收到0就转发0,不进行碰撞检测。
集线器(hub)属于纯硬件网络底层设备,基本上不具有类似于交换机的”智能记忆”能力和”学习”能力。它也不具备交换机所具有的MAC地址表,所以它发送数据时都是没有针对性的,而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时,不是直接把数据发送到目的节点,而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点,如图所示,简单明了。
HUB是一个多端口的转发器,当以HUB为中心设备时,网络中某条线路产生了故障,并不影响其它线路的工作。所以HUB在局域网中得到了广泛的应用。大多数的时候它用在星型与树型网络拓扑结构中,以RJ45接口与各主机相连(也有BNC接口),HUB按照不同的说法有很多种类

无线mesh网络:无线mesh网络,由mesh routers(路由器)和mesh clients(客户端)组成,其中mesh routers构成骨干网络,并和有线的internet网相连接,负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络,它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术

在传统的无线局域网(WLAN)中,每个客户端均通过一条与AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络,形成一个局部的BSS(Basic Service Set)。用户如果要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的接入点(AP),这种网络结构被称为单跳网络。
而在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于:如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话,那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推,数据包还可以根据网络的情况,继续路由到与之最近的下一个节点进行传输,直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。
其实人们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。例如,当我们发送一份E-mail时,电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中,而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器,最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中,路由器一般会选择效率最高的传输路径,以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。
与传统的交换式网络相比,无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求,但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线Mesh网络里,如果要添加新的设备,只需要简单地接上电源就可以了,它可以自动进行自我配置,并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时,网络能够自动发现拓扑变化,并自动调整通信路由,以获取最有效的传输路径。

AP无线访问节点(桥接器)
其主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP,就像一般有线网络的Hub一般,无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用,WiFi更显优势,有线宽带网络(ADSL、小区LAN等)到户后,连接到一个AP,然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够,甚至用户的邻里得到授权后,则无需增加端口,也能以共享的方式上网。

5.LORa技术特点:

由Semtech公司创新的产品,LoRa技术提供了一个非常引人注目的组合,超长距离、低功耗和安全的数据传输。使用该技术的公共和私有网络可以提供与现有蜂窝网络相比更大范围的覆盖。更便捷的接入现有的基础架构,并提供解决方案来为电池供电的

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(解释:)

蜂窝网络:

蜂窝网络或移动网络(Cellular network)是一种移动通信硬件架构,把移动电话的服务区分为一个个正六边形的小子区,每个小区设一个基站,形成了形状酷似”蜂窝”的结构,因而把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信方式。

蜂窝网络又可分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络,主要区别于传输信息的方式。

6.LoRaWAN协议

是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求,如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置,就可以让智能设备间实现无缝对接互操作,给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。LoRaWan通讯协议,终端协议架构如下图所示。

LoRa技术和LoRaWAN协议的主要特点
终端协议架构

LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求,如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置,就可以让智能设备间实现无缝对接互操作,给物联网领域的用户、开发者和企业自由操作权限。LoRaWan通讯协议,终端协议架构如下图所示。

网络架构

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构,在这个网络架构中,LoRa网关是一个透明传输的中继,连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接,终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信,同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。

自适应速率

终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的,数据速率的选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术,不同传输速率的通信不会互相干扰,且还会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率范围为0.3 kbps至37.5 kbps,为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量,LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应(Adaptive Data Rate , ADR)方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。
通信加密

全国性覆盖的广域网络瞄准的是诸如关键性基础设施建设、机密的个人数据传输或社会公共服务等物联网应用。

关于安全通信,LoRaWAN一般采用多层加密的方式来解决:

一、独特的网络密钥(EU164),保证网络层安全;

二、独特的应用密钥(EU164),保证应用层终端到终端之间的安全;

三、属于设备的特别密钥(EUI128)。

A/B/C类终端介绍

LoRaWAN网络根据实际应用的不同,把终端设备划分成A/B/C三类:
Class A

Class A:双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信,每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求,其微调是基于一个随机的时间基准(ALOHA协议)。Class A所属的终端设备在应用时功耗最低,终端发送一个上行传输信号后,服务器能很迅速地进行下行通信,任何时候,服务器的下行通信都只能在上行通信之后。

Class B

Class B:具有预设接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口,为了达到这一目的,终端设备会同步从网关接收一个Beacon,通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。

Class C

Class C:具有最大接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口,只在传输时关闭。

LoRa技术要点
相关要点

一般说来,传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响系统的传输距离和电池寿命;工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标;而在FSK系统中,网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。
前向纠错编码技术

LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有前所未有的性能。此前,只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术,而随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息,这样,数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求,且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性,这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中,将每一比特时间划分为众多码片。
抗干扰能力

LoRa调制解调器经配置后,可划分的范围为64-4096码片/比特,最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言,ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子,LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上,当你通过频谱分析仪测量时,这些数据看上去像噪音,但区别在于噪音是不相关的,而数据具有相关性,基于此,数据实际上可以从噪音中被提取出来。扩频因子越高,越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解调一个信号,其信噪比为-20dB,GFSK方式与这一结果差距为28dB,这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下,6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。
超强的链路预算

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现,我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量,在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm),接收端灵敏度为-129dBm,总的链路预算为149dB。比较而言,拥有灵敏度-110dBm(这已是其极好的数据)的GFSK无线技术,需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中,大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm,在此状况下,发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W,才能达到与LoRa类似的链路预算值。

因此,使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离,这种低功耗广域技术正是我们所需的。
关于LPWAN

低功耗广域网络(Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物联网中不可或缺的一部分,具有功耗低、覆盖范围广、穿透性强的特点,适用于每隔几分钟发送和接收少量数据的应用情况,如水运定位、路灯监测、停车位监测等等。LPWAN相关组织LoRa联盟目前在全球已有145位成员,其繁茂的生态系统让遵循LoRaWAN协议的设备具有很强的互操作性。一个完全符合LoRaWAN标准的通讯网关可以接入5到10公里内上万个无线传感器节点,其效率远远高于传统的点对点轮询的通讯模式,也能大幅度降低节点通讯功耗。
划重点要考

谢谢大家看到这里,下面是干货。除了上面LoRa官方的解释,下面是小编对LoRaWan的个人见解,帮助初学者门,希望大家不要绕弯路。。。干货奉上。
终端

LoRa联盟是由Semtech公司发起的,Semtech公司在LoRa中起到什么作用?我们知道LoRaWan分为4部分,终端,网关,服务器,应用层。其中终端到网关这两个部分,也就是无线传感网部分。Semtech公司设计的sx127x射频芯片,用于收发消息。全球不同地区频段是不一样的。中国免费频段是433Mhz和470~510Mhz,详细请看LoRaWan物理层规定。对应的射频芯片可以使用SX1278射频芯片。SX1278射频芯片目前市场上供货很多价钱便宜。Semtech公司对SX1278没有任何管制,大家可以随便购买。sx1278射频芯片是半双工通信的射频芯片,LoRaWan协议需要主控MCU来运行,目前ST公司牵手了Semtech公司,STM32L系列低功耗主控MCU通过SPI控制SX1278射频芯片。终端的LoRaWan协议是开源的,可以在下面下载。总结下终端等于SX1278+STM32L系列单片机。

网关

网关部分,没有网关LoRaWan通讯协议没法运行,我们知道一个信道,在同一时间空中只允许一个电磁波的存在,否则会发生碰撞。LoRaWan通讯协议作为无线传感网的一种,首先需要解决的数据碰撞的问题。硬件方面网关是由树莓派+SX1301射频芯片构成的。Semtech公司设计的SX1301射频芯片拥有7个LoRa信道以及一个FSK通信信道。能够保证同一时间收到下方多个终端消息。网关通过网络层控制下方终端的通信信道,哪个信道空闲优先使用空闲信道,并且配置每个终端的信道占用比。超过信道空占比,会延迟发送消息。关键中的关键,SX1301射频芯片是Semtech公司的核心利益。完全不开源包括数据手册。官方的人也不会外泄,而且SX1301芯片供货买不到。只有大的供货厂商和公司加入联盟,签订保密协议才能拿到SX1301芯片。成型便宜网关的参考价格在2000人名币左右。所以网上卖终端的烂大街,卖网关的就一两家。目前网上卖终端的都是做透传用的,和LoRaWan没有关系,没有指出网关这一茬,sx1301如下图所示。

服务器

拥有终端和网关后还需要服务器的搭建,LoRaWan缺一不可。LoRa目前都是以做项目为主,网关一般不单卖,很不赚钱。

用户应用层

个性化定制,提取数据库内数据。
线性调制

LoRa为什么通信距离那么远相比FSK调制方式,LoRa调制方式采用了线性扩频技术。线性扩频技术为什么这么牛逼。我们知道wifi、zigbee包括3G\4G采用了直序译码技术,蓝牙采用了跳频技术。线性扩频技术难于调制,技术难点高。一般用于军用通讯,好处是抗噪强,传播距离远,难于破解。

低速率

LoRa通讯速率低,低到什么程度。LoRa的通讯速率越低距离越远,真的很远。在Sf = 7,bw = 125kHz时传输10b字节需要59ms。在sf=12,bw=125kHz时传输10b字节需要1361ms,64包字节需要2450ms(以上都是大概数据仅供参考,实际情况会有出入)。但是距离会很长。

LoRaWan相关资料

下面时官方LoRaWan的相关资料。
终端node代码:LoRaMac-node-master.zip
网关gataway代码:Lora_gateway-master.zip
服务器代码:croft-master.zip
SX1278驱动库文件:Sx12xxDrivers-V2.1.0.zip
SX1276/6/8中文数据手册:SX1278-China-data-cn.pdf
ST公司提供的终端LoRaWan协议使用手册:En.DM00300436.pdf
ST公司LoRaWan终端代码发布位置(获取位置,如下图所示):http://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32cube-expansion-software/i-cube-lrwan.html

LoRa无线RF如何实现IoT

Semtech提供嵌入LoRa无线射频技术的芯片。优化专用于物联网通信,我们建立远程端点,微型蜂窝和网关之间的连接,然后将信息传输到云端,将其传送到手机和系统,使我们的世界成为一个智慧星球。

芯片

LoRa是用于创建远程通信链路的物理层或无线调制。

传感器

Semtech的LoRa RF收发器嵌入到传感器中。

网关

在室内和室外IoT应用中使用最小的功率捕获和传输远距离数据。
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作者:luoyir1997
来源:CSDN
原文:https://blog.csdn.net/luoyir1997/article/details/80927148

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