LoRa 和 LoRaWAN 無線網絡協議

2022-04-18

 LoRa 和 LoRaWAN 無線網絡協議

在物聯網 (IoT) 的世界中，連接就是一切。它是物聯網中的“我”，也是我們提供遠程產品和應用程序的工具，這些產品和應用程序可以將他們的地面智能傳輸到云中進行監控、管理和決策。雖然向產品、設備或機器添加連接從未如此簡單，但為解決方案選擇正確的連接選項仍然充滿復雜性。

在某些情況下，很明顯以太網或 Wi-Fi 是正確的選擇——例如在家庭或工廠中。在其他情況下，近場通信 (NFC) 或藍牙可能是首選選項，因為您的解決方案需要短距離設備到設備通信。但是，如果您的產品是移動的，或者在 Wi-Fi 設置的復雜性根本無法實現的城市、農業或其他環境中，您就只能尋找其他地方了。具體來說，在蜂窩或 LoRa（由“遠程”一詞形成）和 LoRaWAN（遠程廣域網）。

通過全球統一的頻段和運營商間漫游協議，以及為數據密集型應用提供高帶寬連接的可用性，蜂窩網絡的全球覆蓋范圍使這種方法對許多用例具有吸引力。盡管具有吸引力，但一些應用偏愛 LoRa，其信號抗噪，并且免費、未經許可的頻段的可用性使得單個設備的單位成本顯著降低。

鑒于不同的需求將導致您選擇蜂窩或 LoRa，并且這些方法更具互補性而不是競爭性，讓我們更深入地研究 LoRa。 

什么是洛拉？

LoRa 是一種低功耗通信協議，旨在使用未經許可的頻譜進行長距離操作，特別是為工業、科學和醫療 (ISM) 目的保留的無線電頻段。

LoRa 設備以亞千兆赫頻率進行通信，因此可以實現長時間的數據傳輸，盡管可用頻段很窄，而且一些政府對這些頻段上的設備傳輸頻率有嚴格的規定。在開放系統互連 (OSI) 術語中，如圖 1 中的參考模型所示，LoRa 芯片是支撐其之上所有事物的物理層，并使硬件設備能夠利用未經許可的頻譜進行低功耗廣域網 (LPWAN)應用程序?；旧希幎擞糜跓o線電通信的頻譜和協議。

圖 1. LoRa 在 OSI 參考模型的物理層運行 

盡管 LoRa 在亞千兆赫頻譜下運行，但 LoRa 芯片利用的特定頻段因地區而異。歐洲的 LoRa 無線電的工作頻率為 863-870/873 MHz，而亞洲和南美的設備工作頻率為 915-928 MHz，北美的設備工作頻率為 902-928 MHz。在為某個應用購買 LoRa 芯片時，許多芯片將根據特定的范圍要求預先編程到某個地區的頻譜。在圖 2 中可以看到具有 LoRa 頻率范圍的頻譜概覽。

圖 2. LoRa 無線電在亞千兆赫頻譜上運行。

除了使用的頻譜之外，LoRa 還指定了用于無線電通信或LoRa PHY的協議。

LoRa 調制：啁啾擴頻

LoRa 使用專有的無線調制技術，它是啁啾擴頻的衍生物，它使用“啁啾”脈沖作為編碼信息的一種方式。啁啾是一種正弦波，如圖 3 所示，其信號頻率隨時間增加或減少。

圖 3. LoRa 使用一系列增加（如此處所示）或減少的“啁啾”脈沖對信息進行編碼。

LoRa 無線電通過使用多個信息啁啾來表示有效載荷中的每一位信息來執行其調制。在這種情況下，名稱中的“擴頻”意味著使用這種技術的設備，包括 LoRa 衍生產品，都使用分配的帶寬進行廣播，從而使這些信號能夠抵抗 ISM 頻段上常見的信道噪聲。

LoRa 設備允許工程師調整他們的應用程序，并使用稱為擴頻因子 (SF) 的東西在高數據速率或高靈敏度之間進行選擇。使用可調無線電參數，工程師可以選擇每秒發送的啁啾數量。低 SF 將每秒發送更多的啁啾，這意味著您可以每秒編碼更多的數據，但從接收器的角度來看，信號不是很敏感。

低靈敏度意味著您打算發送的數據在途中丟失的可能性更高。另一方面，高 SF 將每秒發送更少的啁啾，但會產生對接收器更敏感的信號，因此更可靠。然而，高 SF 啁啾需要更多“通話時間”（網絡上的傳輸時間）并且需要更多功率，因為調制解調器運行的時間比低 SF 方法更長。

通過為無線電設置 SF 以及更改調制解調器的傳輸功率（根據地區可在 2 dBm 和 20 dBm 之間調整），LoRa 為工程師提供了功能強大的工具，用于根據他們的需要配置應用程序的功耗和通信范圍。

作為一個物理層，LoRa 涵蓋了在可以使用相同協議的公共頻譜上實現遠程通信所需的一切。但是，它并未涵蓋設備如何相互識別、它們如何以最大限度地減少網絡串擾的方式相互通信，或者如何將來自本地網絡設備的數據安全地傳輸到云或遠程位置。這就是 LoRaWAN（和其他人）的用武之地。 

什么是 LoRaWAN？

另一方面，LoRaWAN 是建立在基于 LoRa 的調制之上的網絡協議。盡管 LoRa 本身本質上是點對點的，但 LoRaWAN 通過定義兩個核心設備角色將網絡塑造成一個中心輻射型：

一個節點，通常是一個傳感器

集中器，充當節點和云之間的網關

在 OSI 術語中（圖 4），LoRaWAN 規定了處理節點到節點通信的數據鏈路層，以及處理節點如何跨本地網絡邊界發送數據和從本地網絡邊界接收數據的網絡層。

圖 4. LoRaWAN 指定了在 OSI 參考模型的數據鏈路和網絡層運行的技術。

在數據鏈路層，LoRaWAN 定義了一種介質訪問控制(MAC) 協議，該協議確定網絡上的節點如何識別自己（也稱為 MAC 地址）以及用于 LoRa 設備之間通信的功率要求、頻率和數據速率。

在網絡層，LoRaWAN 涵蓋了位于網絡邊緣以與 LoRaWAN 節點通信的物理硬件以及位于云中的服務。這包括從本地 LoRa 網絡接收、路由、處理數據以及將數據路由到本地 LoRa 網絡（圖 5）。 

圖 5.典型的 LoRaWAN 網絡由本地和基于云的元素組成。 

集中器充當網關，管理來自 LoRaWAN 節點的連接，以及通過互聯網與廣域網服務器的連接。市場上的許多集中器往往包括八個通道，用于同時接收來自 LoRaWAN 節點的請求數據包，以及一個用于將響應數據包發送回這些節點的通道。網關與網絡服務器合作，在設備加入 LoRaWAN 網絡時對其進行管理，并處理與基于云的應用服務器之間的通信。

雖然不是 LoRa 唯一的媒體訪問協議，但 LoRaWAN 協議享有廣泛的行業支持并擁有健康的生態系統。它由LoRa 聯盟發起并維護，該聯盟成立于 2015 年，旨在支持 LoRaWAN 協議的協作開發并確保 LoRaWAN產品和服務之間的互操作性。

在世界的某些地區（尤其是歐洲），蜂窩運營商已經看到了提供自己專有的 LoRaWAN 網絡的收入潛力，其中許多網絡針對智能城市和農業應用。在其他地方，更常見的是將 LoRaWAN 網絡視為“構建自己的”廣域專用網絡，客戶需要自己資助和部署。

LoRa 與 LoRaWAN

我在本文開頭提到 LoRa 和 LoRaWAN 經?；Q使用，因此大多數工程師期望這些技術必須在一個解決方案中一起使用也就不足為奇了。雖然 LoRaWAN 確實需要在邊緣網絡中使用 LoRa 設備才能運行，但 LoRa 設備的部署是否需要 LoRaWAN 集中器、網絡或應用程序服務器。

現實情況是，雖然 LoRaWAN 是 LoRa 廣域網最流行和部署最廣泛的協議，并且是支持許多設備的可互操作標準，但它可能不是每個 LPWAN 應用程序的最佳選擇。除了 8 通道集中器的費用外，LoRaWAN 協議還規定了可能不適用于每個用例的鏈路、通話時間和功率要求——尤其是那些節點數量較少且不經常傳輸的情況。此外，您希望使用的云服務可能不符合 LoRaWAN 解決方案的網絡和應用服務器要求。  

在沒有 LoRaWAN 的情況下使用 LoRa

在不使用 LoRaWAN 的情況下使用 LoRa 的第一步是您必須實現自己的媒體訪問協議，以便節點之間可以就如何識別彼此、如何隱藏通信以及如何以及何時在空中進行通信而不互相踩踏達成一致. 在沒有 LoRaWAN 的情況下將 LoRa 部署連接到云還需要實施您自己的機制來處理到云服務的回程。 

這可能感覺過于復雜，但是，根據您的需要，它可以非常簡單：兩個節點的點對點連接可以交替發送和接收角色，幾十個節點的小型網絡可以使用非常簡單的時分多址 (TDMA) 時隙協議。LoRaWAN 是為大規模網絡設計的，如果目標是靈活且成本更低的單點解決方案，LoRa 節點無需重新實現 LoRaWAN 協議的每一部分。這種方法在市場上并不少見。

Amazon Sidewalk用于 Echo、Ring 和其他亞馬遜智能設備，使用 LoRa 并實現網狀網絡 MAC 層。在商業物聯網領域，Blues Wireless提供了一款名為 Sparrow 的產品，如圖 6 所示，該產品使用 LoRa 作為節點，與蜂窩或 Wi-Fi 網關進行通信以實現云回程。

圖 6. Blues Wireless Sparrow 產品使用 LoRa 進行本地網絡通信，同時使用傳統的 Wi-Fi 或蜂窩云回程到 Notehub.io 云服務和客戶的終極云基礎設施。

Sparrow 隨附的 LoRa MAC 是開源的，實現了簡單的一鍵式網關/節點安全配對機制以及優化電池供電節點壽命的自適應發射功率子系統。