《LPWAN市场报告(第一版)》:LPWAN主要技术:LoRaWAN

LPWAN主要技术

LPWAN大致可以分为蜂窝LPWA技术和非蜂窝LPWA技术。蜂窝LPWA技术主要是以3GPP主导的技术,而非蜂窝LPWA技术多是以公司或联盟组织主导的技术。

非蜂窝网络的LPWA技术主要工作在免授权许可频段,多数技术是基于Sub-1GHz频段,主要的技术有以下几种:

LoRaWAN – LoRa联盟制定的LPWAN技术规范,主要面向无线电池供电应用。Sigfox – 法国Sigfox公司基于超窄带的LPWA技术,RPMA – Random phase multiple access,随机相位多址接入,美国Ingenu公司开发的低功耗广域网技术Weightless – Weightless特别兴趣小组(SIG)制定的LPWAN标准ZETA – 中国纵行科技公司自主开发的LPWA技术IEEE 802.15.4K – 2013 – 由IEEE 802.15.4-2011发展而来的,面向低能耗关键基础设施监测( Low Energy Critical Infrastructure Monitoring,LECIM)应用基于蜂窝网络的LPWA技术主要工作在授权许可频段,主要有以下三种技术:

NB-IoT – 即Cat-NB1,Narrowband IoT,窄带物联网。新增到LTE平台的无线电规范,针对低端市场而优化eMTC – 即Cat M1,Long-Term Evolution Enhanced Machine Type Communications, 长期演进增强机器类通信。基于Release 12规范的改进(UE Cat0, 新的省电模式:PSM),针对机器类型通信的进一步LTE增强功能EC-GSM-IoT – Extended Coverage GSM for Internet of Things, 扩展覆盖范围GSM物联网。EC-GSM-IoT建立在GPRS/EGPRS基础之上,EGPRS的增强功能并与PSM相结合,使得GSM/EDGE可以面向物联网市场LPWAN网络的基本网络架构

LPWA技术是物联网与互联网的融合发展的结果,通过网关或基站这个连接的纽带或桥梁把物联的网络连接到了互联网,在云端进行数据的处理和终端管理。网关作为数据的桥,简化了网关的复杂度和降低了连接入网的成本,而物联的网络规模化也使得终端的成本降低了。基于云端的数据和设备的管理,促进了物联网新生态的发展。

下图是LPWA基本的网络架构。

LoRaWAN

简介

LoRa是由法国Cycleo公司开发的一种无线数据通信技术专利,2012年被Semtech公司收购。 Semtech、Actility和IBM Research公司在瑞士的苏黎世共同制定了一份适用于物联网的规范。自2014年以来,他们就合作设计了LoRaMAC,该规范解决了物联网市场安全、能源效率、漫游和配置入网。2015年2月,LoRa联盟在巴塞罗那移动世界大会上宣布成立。LoRaMAC重新命名为“LoRaWAN”,成为LoRa联盟成员的规范。

网络部署情况

目前LoRa联盟已有500多个成员,在100多个国家提供服务,58加联盟成员运营商在41个国家运营,67家公共网络运营商。其全球网络覆盖情况如下图所示:

技术

LoRaWAN采用了Semtech公司开发的扩频技术,工作在sub-1GHz频段,欧洲 868MHz,北美:915MHz,中国:433Mhz,470-510MHz。LoRaWAN的传输数据速率在 300bps – 50kbps。安全方面采用了128位的AES加密。

许多现有部署的网络采用了网状网络架构。在网状网络中,个别终端节点转发其他节点的信息,以增加网络的通信距离和网络区域规模大小。虽然这增加了范围,但也增加了复杂性,降低了网络容量,并降低了电池寿命,因节点接受和转发来自其他节点的可能与其不相关的信息。当进行远距离连接时,星型架构最有意义的是保证了电池寿命。

LoRaWAN网络架构如下:

从LoRaWAN网络架构来看,主要有以下几部分:终端节点(End Nodes)、集中器/网关(Concentrator/Gateway)、回程、网络服务器(Network Server)、应用服务器(Application Server)。

终端节点(End Nodes)

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。需要设备同步的时分多址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(Concentrator/Gateway)

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获取。网关有一个多信道和多数据速率的射频嵌入式设备,可以扫描和检测任何活动信道上的数据包并进行解调。

网关是核心网络的简单通道,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漫游。终端节点广播其数据包,而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影响。 不需要切换过程或同步。

回程

网关通常有一个以太网的回程,然而,目前一些部署使用了2G、3G、4G、Wi-Fi、NB-IoT、以太网等作为回程。

网络服务器(Network Server)

核心网络是LoRaWAN系统的重要组成部分。 它承载所有需要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,这个决定基于先前传送数据包的链路质量指示,从接受信号强度指示(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密切相关的通信速度或扩频因子。这就是我们所说的ADR,或由网络控制器处理的自适应数据速率策略。

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,以组织漫游,连接到客户的应用服务器等等。

应用服务器(Application Server)

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应用

LoRa正在全球范围内应用部署,有着众多的物联网垂直应用。下面整理了一些LoRa的应用:

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