LoraWAN 技術(shù)及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學院,浙江杭州 310053)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各類垂直領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,極大地改變了人們的工作與生活。然而,當前物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入以及數(shù)據(jù)傳輸依然存在幾方面的問題:很多無線傳感器由于電池動力不足導致通信能力不足;傳統(tǒng)的寬帶無線接入技術(shù),其基站無法集成數(shù)以萬計的設(shè)備;物聯(lián)網(wǎng)應用中多數(shù)是一些數(shù)據(jù)量小,傳輸頻次低的數(shù)據(jù)傳輸,實時性要求并不高;當前一些短距離,通信速率高的無線通信方式,如藍牙,Zigbee等技術(shù)并不適用于解決這些問題。因此,開發(fā)并實施一些新技術(shù)尤為重要,這些新技術(shù)將通過加強設(shè)備之間的通信能力,或者加大網(wǎng)絡(luò)的擴展性來提升網(wǎng)絡(luò)性能。低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術(shù)的出現(xiàn),極大地推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[1]。在低功耗廣域網(wǎng)中,其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在特定的頻段工作,電池壽命可長達十年。可以在低成本的無線模塊中實現(xiàn)遠距離、低數(shù)據(jù)速率傳輸。近來,在該領(lǐng)域集中出現(xiàn)了很多新技術(shù),如LoraWAN[2]、NB-IOT[3]等。這些技術(shù)可使數(shù)據(jù)在數(shù)十公里的鏈路上得到可靠的傳輸。雖然各有特點,但都具有高連接、低成本、低功耗、遠距離傳輸?shù)忍攸c,在商業(yè)上被廣泛應用。

本文主要介紹低功耗廣域網(wǎng)中的LoraWAN 技術(shù)。LoraWAN是當前物聯(lián)網(wǎng)概念實施的主流方案之一。Lora技術(shù)工作在非授權(quán)的ISM頻段,其具有低成本、低功耗、遠距離、高容量、抗干擾和穿透能力強等眾多優(yōu)點,是近些年出現(xiàn)的一種劃時代的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術(shù)。

1 Lora線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)

LoRa調(diào)制技術(shù)是semtech公司創(chuàng)建的一種工作在物理層的協(xié)議,該技術(shù)不是直接序列擴頻,而是一種使用未調(diào)制載波來進行線性調(diào)頻的擴頻技術(shù)。在該擴頻技術(shù)中,調(diào)制傳輸中的0和1這種一位的數(shù)據(jù)信號將應用多個編碼信號來表示,這些編碼信號是一些具有不同初始頻率的線性調(diào)頻信號,稱為碼片。而擴頻技術(shù),就是用來確定需要多少個碼片來代表一位數(shù)據(jù)信號。應用這種擴頻技術(shù),可以使能量分散到更廣泛的頻段,最終得到的調(diào)制信號具有更好的穩(wěn)定性,以及抗噪音和干擾的能力。

在該線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)中,主要用到了三個參數(shù),擴頻因子(SF),信道帶寬(BW),編碼率(CR)。

(1)擴頻因子(SF)與擴頻相關(guān),一個數(shù)據(jù)信號將由2SF個碼片來表示。在Lora中,允許應用多個擴頻因子,具體數(shù)據(jù)可以選擇6-12不等。可以看出,SF越大,需要傳輸一位數(shù)據(jù)需要的碼片也越多,傳輸數(shù)據(jù)量會增大,導致傳輸速率降低,但同時誤碼率也會降低,抗干擾能力會增強。(2)信道帶寬(BW)指信號通過的上限頻率和下限頻率的范圍。在擴頻因子相等的條件下,增加信道帶寬無疑會提升數(shù)據(jù)傳輸速率,但也相應會帶來一定的噪聲,降低靈敏度。(3)編碼率(CR)是指數(shù)據(jù)流中有用信號占的比例。在Lora中,為了提高接收的有效信噪比,采用前向糾錯技術(shù)(FEC),其基本原理是添加冗余比特,這種冗余使接收機能夠檢測并糾正信息傳輸中的誤碼。越重要的信息需要更多的冗余和系統(tǒng)帶寬,以便降低有效比特率,同時提高接收的有效信噪比。

為了實現(xiàn)通信范圍和數(shù)據(jù)傳輸速率之間的折衷,LoRa通信支持多個擴頻因子(SF)。不同的擴頻因子和通信信道的帶寬決定了數(shù)據(jù)傳輸速率。且使用前向糾錯技術(shù)(FEC),以增強接收器的靈敏度。

2 LoraWAN協(xié)議

2.1 LoraWAN體系結(jié)構(gòu)

LoraWAN是在物理層使用Lora調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上的以數(shù)據(jù)鏈路層為主的通信協(xié)議。其整個通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LoraWAN 通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 LoraWAN communication system architecture

由圖1可以看出,整個架構(gòu)是由終端設(shè)備和Lora網(wǎng)關(guān)模塊以及網(wǎng)絡(luò)服務器和應用服務器構(gòu)成。LoRa 網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備間以星形網(wǎng)方式組網(wǎng)。一個Lora網(wǎng)關(guān)可應用不同的擴頻因子與不同的終端設(shè)備同時進行廣播或者接收信息。由Lora終端設(shè)備發(fā)送的信息會被所有Lora網(wǎng)關(guān)設(shè)備接收,再由Lora網(wǎng)關(guān)重傳至網(wǎng)絡(luò)服務器。LoRa允許終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)隨時傳輸,且根據(jù)Lora 規(guī)范,只要遵循一定的規(guī)則,終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)可以在任意時間,應用任意可用的傳輸速率,在任何可用的信道上傳輸。使用這種方式將大大提高成功接收消息的可能性。另外網(wǎng)關(guān)則對網(wǎng)絡(luò)服務器和終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理,網(wǎng)關(guān)與設(shè)備之間數(shù)據(jù)采用射頻傳輸,而網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務器之間的數(shù)據(jù)遵循Tcp/IP協(xié)議。

在該網(wǎng)絡(luò)中,由網(wǎng)關(guān)設(shè)備配置和監(jiān)控不同通信信道。有專用于LoRa 終端設(shè)備廣播發(fā)送請求的上行鏈路信道以及Lora網(wǎng)關(guān)模塊向Lora終端設(shè)備發(fā)送信息的下行鏈路信道。

2.2 LoraWAN三種終端類型

LoraWAN規(guī)范定義了終端設(shè)備有class A、B、C三種類型。其中A 類設(shè)備中,終端設(shè)備根據(jù)應用程序的具體情況,在特定時間段遵循ALOHA 算法按需向網(wǎng)關(guān)模塊上報消息。每次發(fā)送上行信息后,LoRa終端會緊跟著兩次打開兩個短暫的下行接收窗口以允許網(wǎng)關(guān)發(fā)送ACK信息或其它類型的指令。這種操作模式最為省電。終端設(shè)備由電池供電。A 類設(shè)備應用范圍最為廣泛,但A 類不能保證下行消息有一定的最大延遲,所以對延遲敏感的應用中需使用B類或C類模式。B類設(shè)備與A類設(shè)備相仿,只是除了A類中的兩個下行接收窗口外,還有額外的接收窗口ping會在指定時間內(nèi)打開。為達此目的,終端需要從網(wǎng)關(guān)接收時間同步信息,稱為beacon。這種類型也較為省電,設(shè)備由電池供電即可。目前,B 類設(shè)備應用較少,大多以A 類或C 類為主。而在C類設(shè)備中,除了發(fā)送信息,接收窗口一直保持在打開狀態(tài),這使得C 類設(shè)備可以持續(xù)偵聽信息,下行通信無延遲。但因為接收窗口需要持續(xù)保持打開狀態(tài),也使得這種終端設(shè)備能耗高,需要電網(wǎng)供電。C類設(shè)備和A類時序基本相同的,只是在A類設(shè)備休眠的期間,它都打開了接收窗口RX2。

2.3 ADR機制

為了最大化終端設(shè)備的電池壽命和整體網(wǎng)絡(luò)容量,LoRa可以通過自適應數(shù)據(jù)速率(ADR)機制來分別管理每個終端設(shè)備的數(shù)據(jù)速率和傳輸功率[4]。目前Lora終端有6種不同的速率,不同傳輸距離的設(shè)備會根據(jù)傳輸狀況、信噪比、信號強度等因素,使用匹配且最快的數(shù)據(jù)速率。該機制還可在檢測到?jīng)_突時啟用自動數(shù)據(jù)速率改變和發(fā)射功率,從而減少廣播時間和能耗、并提高網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量。

LoRa中的ADR機制分為兩部分:在LoRa終端設(shè)備上和在網(wǎng)絡(luò)服務器上。服務器提供了最復雜的部分,以使終端盡可能簡單。在終端上運行部分的目標僅是在上行傳輸未到達網(wǎng)關(guān)(連接丟失)時降低數(shù)據(jù)速率以增加無線電覆蓋。并同時觸發(fā)終端設(shè)備本地的一個計數(shù)器,用于定義上行鏈路中發(fā)送的未經(jīng)確認的幀數(shù)。如果此計數(shù)器數(shù)值達到某個閾值時,則設(shè)備需要提高擴頻因子,降低數(shù)據(jù)速率,從而提升信息到達網(wǎng)關(guān)的概率。需要調(diào)整數(shù)據(jù)速率的設(shè)備在任何上行鏈路MAC幀報頭中的ADR標志位設(shè)為1,由網(wǎng)絡(luò)服務器下達改變數(shù)據(jù)速率和發(fā)射功率的指令,以此優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)以使用盡可能匹配的數(shù)據(jù)速率。而在服務器端執(zhí)行的部分則是具體確定如何改變傳輸功率和上行鏈路的數(shù)據(jù)速率。服務器收到ADR 標志為1 后,之后再接收的20幀數(shù)據(jù),計算其snr(信噪比),并在此基礎(chǔ)上使用特定算法[5]來估計未來傳輸?shù)男聟?shù),并發(fā)送下行指令到相關(guān)設(shè)備。

3 LoraWAN應用場景

低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)技術(shù)是目前物聯(lián)網(wǎng)常用的技術(shù),LoraWAN作為一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù),適用于多種垂直領(lǐng)域,譬如智慧農(nóng)業(yè)、智能物流、智能抄表等。

(1)智慧農(nóng)業(yè)是指通過溫濕度、二氧化碳、鹽堿度等傳感器實時采集相關(guān)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)后進行分析處理,進而根據(jù)需求設(shè)定,隨時進行相應處理的智能化遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)。對農(nóng)業(yè)應用來說,需要低功耗低成本的傳感器,且農(nóng)業(yè)中很多采集數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)不會產(chǎn)生明顯變化,數(shù)據(jù)量小,對實時性的要求不高。因此、LoraWAN的低成本、低功耗、低速率、超長傳輸距離等特征非常適用于這種需求。(2)智能物流是利用傳感器、條形碼、二維碼、RFID、定位系統(tǒng)等技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸,并進而實現(xiàn)分析處理的技術(shù)平臺。從而在物流業(yè)的運輸、倉儲、配送、包裝等基本活動環(huán)節(jié)中,實現(xiàn)自動化和高效率運作管理。但當前智能物流系統(tǒng)存在系統(tǒng)覆蓋面不全,成本過高,終端續(xù)航能力差等問題。而LoRaWAN的諸多特征,諸如超廣覆蓋范圍,超長終端設(shè)備續(xù)航能力,超低組網(wǎng)成本,以及在高速移動時通信的穩(wěn)定性等,是未來智能物流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最優(yōu)選擇。(3)智能抄表是指通過安裝客戶端傳感設(shè)備,使用專用網(wǎng)絡(luò)與云端進行通訊,數(shù)據(jù)經(jīng)過專用系統(tǒng)分析處理后,實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、狀態(tài)監(jiān)測、自動計扣費、預警報警、遠程控制等功能。目前抄表領(lǐng)域存在:智能化程度低。多數(shù)抄表系統(tǒng)部署不易,中繼節(jié)點多,中間環(huán)節(jié)多等問題。將LoraWAN技術(shù)應用于智能抄表中,超強覆蓋能力和抗干擾能力,超長終端續(xù)航時間,超低硬件成本及使用成本,高可靠性等特征,可以確保智能抄表系統(tǒng)的超高實用價值和優(yōu)秀的客戶體驗。是物聯(lián)網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)最理想的解決方案。除此之外,LoraWAN還適用于諸如智慧城市,智慧安防,智能家居等各個垂直領(lǐng)域,是許多需要遠距離傳輸數(shù)據(jù),對穩(wěn)定性,可靠性要求高,且傳輸數(shù)據(jù)量小,實時性要求低的物聯(lián)網(wǎng)應用的有效解決方案。

4 結(jié)論

LoRaWAN 作為一種適用于低功耗、低成本、低速率、廣覆蓋等需求的LPWAN 技術(shù),目前已在全球范圍內(nèi)廣泛部署,并被廣泛應用于各類垂直領(lǐng)域中。有效的解決曾經(jīng)長距離通信網(wǎng)絡(luò)中由于組網(wǎng)價格成本、設(shè)備續(xù)航時間短以及遠距離無法覆蓋等問題。相信LoRaWAN技術(shù)的發(fā)展能夠有效促進物聯(lián)網(wǎng)應用市場的發(fā)展,進一步推動中國“智慧”行業(yè)的發(fā)展。