LoRa技術(shù)在低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

　　文章概要

    低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展如火如荼，Long Range(LoRa)以及由此而來的Long Range Wide Area Network(LoRaWAN)系統(tǒng)在其中占據(jù)重要地位，商用化程度較高。

　　本文從描述LoRa技術(shù)當(dāng)前進(jìn)展開始，闡述典型LoRaWAN系統(tǒng)的組成和作用，結(jié)合大量不同環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和應(yīng)用案例，探討運(yùn)營(yíng)商和企業(yè)聯(lián)盟在推動(dòng)低功耗廣域網(wǎng)建設(shè)方面的特點(diǎn)。

　　同時(shí)，展示LoRaWAN技術(shù)的部分優(yōu)勢(shì)、當(dāng)前現(xiàn)狀和可預(yù)見的未來，最后分析當(dāng)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)到來以后，LoRaWAN與之共存的可能和差異化市場(chǎng)服務(wù)的戰(zhàn)略。

　　一 技術(shù)特點(diǎn)

　　1、LoRa

　　2013年8月，美國(guó)升特公司(Semtech)向業(yè)界發(fā)布了一種新型的Sub-1GHz頻段的擴(kuò)頻通信芯片，最高接收靈敏度可達(dá)-148dBm，主攻遠(yuǎn)距離低功耗的物聯(lián)網(wǎng)無線通信市場(chǎng)。該技術(shù)主要工作在全球各地的ISM免費(fèi)頻段(即非授權(quán)頻段)，包括主要的433、470、868、915MHz等。與其他傳統(tǒng)的Sub-1GHz芯片相比，LoRa芯片最高接收靈敏度提高20~25dB，體現(xiàn)在應(yīng)用上就是擁有5~8倍傳輸距離的提升。

　　LoRa技術(shù)本質(zhì)上是擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)。此前，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有長(zhǎng)通信距離和高魯棒特性，在軍事和空間通信領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，而LoRa的意義在于首先利用擴(kuò)頻技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品和民用產(chǎn)品提供低成本的無線通信解決方案。前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加一些冗余信息，數(shù)據(jù)在傳輸進(jìn)程中注入的錯(cuò)誤碼元在接收端就會(huì)被及時(shí)糾正。前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)可以減少數(shù)據(jù)包需要重發(fā)的需求，而且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來，并注入前向糾錯(cuò)編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包就將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特時(shí)間劃分為眾多碼片，而LoRa調(diào)制碼片的可配置范圍為64~4 096碼片/比特。通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。當(dāng)用戶通過頻譜分析儀測(cè)量時(shí)，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性?；谶@點(diǎn)，數(shù)據(jù)可以從噪音中提取出來。擴(kuò)頻因子越高，越多的數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來，接收靈敏度就可以達(dá)到更高。因此LoRa芯片的接收靈敏度最高可達(dá)-148dBm，在20dBm的發(fā)射功率下，LoRa調(diào)制的鏈路預(yù)算可達(dá)168dB。

　　2、LoRaWAN

　　在傳統(tǒng)的廣域連接應(yīng)用中，主要借助電信運(yùn)營(yíng)商提供的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，工業(yè)、能源、交通、物流等各行業(yè)廣泛采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。但仍有大量的設(shè)備應(yīng)用是現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法滿足的，比如水、電、氣、熱等計(jì)量表，市政管網(wǎng)、路燈、垃圾站點(diǎn)等公用設(shè)施，大面積畜牧養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)灌溉，廣泛布局且環(huán)境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數(shù)據(jù)采集，以及偏僻的戶外作業(yè)等。這些類型終端若采用現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可能遇到如下問題。

　　1)信號(hào)覆蓋不足：很多設(shè)備布局在人口稀少或環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)或信號(hào)強(qiáng)度不足，難以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

　　2)功耗高：大量設(shè)備需要電池供電，若采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環(huán)境下很難實(shí)現(xiàn)。

　　3)費(fèi)效比低：設(shè)備單次傳輸數(shù)據(jù)量極小，而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)為高帶寬設(shè)計(jì)，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)要占用網(wǎng)絡(luò)和碼號(hào)資源，還會(huì)產(chǎn)生包月流量費(fèi)用。

　　基于以上原因，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)成為彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層短板的最佳選擇。2015年3月，由Semtech牽頭成立了LoRa Alliance(以下簡(jiǎn)稱LoRa聯(lián)盟)，聯(lián)盟是一個(gè)開放的非盈利性組織，目的在于加速LoRa技術(shù)全球商用化，主要發(fā)起成員還包括美國(guó)IBM、Cisco、法國(guó)Actility、荷蘭皇家電信、瑞士電信等知名企業(yè)。

　　聯(lián)盟發(fā)布的LoRaWAN協(xié)議將LPWAN分成了三部分，包括節(jié)點(diǎn)應(yīng)用、通信服務(wù)(模組和基站供應(yīng)商)、云服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸過程中的通信層包括兩級(jí)加密，數(shù)據(jù)通信更為安全。截止到2016年10月，聯(lián)盟成員數(shù)量高達(dá)400多家，其中國(guó)家級(jí)的運(yùn)營(yíng)商有27家，新增運(yùn)營(yíng)商有法國(guó)Proximus、英國(guó)Orange、美國(guó)Comcast、日本軟銀、韓國(guó)SK電信、印度TATA電信等。同時(shí)，LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈中還包括大量終端硬件廠商、模塊網(wǎng)關(guān)廠商、軟件廠商、系統(tǒng)集成商等，構(gòu)成了完整的LoRa生態(tài)系統(tǒng)，大大促進(jìn)LoRa技術(shù)的快速發(fā)展與生態(tài)繁盛。

　　二 系統(tǒng)架構(gòu)

　　1、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　目前，基于L oRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN協(xié)議，但是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都是星狀網(wǎng)架構(gòu)，以及在此基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)化和改進(jìn)。主要包括以下3種。

　　1)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

　　一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)通信，多見于早期的LoRa技術(shù)，A點(diǎn)發(fā)起，B點(diǎn)接收，可以回復(fù)也可以不回復(fù)確認(rèn)，多組之間的頻點(diǎn)建議分開，如圖1所示。單純利用LoRa調(diào)制靈敏度高的特性，目前主要針對(duì)特定應(yīng)用和試驗(yàn)性質(zhì)的項(xiàng)目。優(yōu)點(diǎn)在于最簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在于不存在組網(wǎng)。

　　圖1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

　　2)星狀網(wǎng)輪詢。

　　一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，N個(gè)從節(jié)點(diǎn)輪流與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)上傳，等待中心點(diǎn)收到后返回確認(rèn)，然后下一個(gè)節(jié)點(diǎn)再開始上傳，直到所有N個(gè)節(jié)點(diǎn)全部完成，一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上還屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但是加入了分時(shí)處理，N個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的頻點(diǎn)可以分開，也可重復(fù)使用。優(yōu)勢(shì)在于單項(xiàng)目成本低，不足之處是僅適合從節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。

　　圖2 星狀網(wǎng)輪詢

　　3)星狀網(wǎng)并發(fā)。

　　如圖3所示，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，多個(gè)從節(jié)點(diǎn)可同時(shí)與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)外界環(huán)境和信道阻塞自動(dòng)采取跳頻和速率自適應(yīng)技術(shù)，邏輯上網(wǎng)關(guān)可以接收不同速率和不同頻點(diǎn)的信號(hào)組合，物理上網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接收8路、16路、32路甚至更多路數(shù)據(jù)，減少了大量節(jié)點(diǎn)上行時(shí)沖突的概率。該系統(tǒng)具有極大的延拓性，可單獨(dú)建網(wǎng)，可交叉組網(wǎng)，LoRa領(lǐng)域內(nèi)目前主要指的是LoRaWAN技術(shù)。

　　圖3 星狀網(wǎng)并發(fā)

　　2、系統(tǒng)組成

　　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和星狀網(wǎng)輪詢的系統(tǒng)組成比較簡(jiǎn)單，兩端都是節(jié)點(diǎn)，分為主從。在主節(jié)點(diǎn)收到從節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)下行確認(rèn)幀給從節(jié)點(diǎn)，然后從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，工作模式比較簡(jiǎn)單。這里主要對(duì)LoRaWAN星狀網(wǎng)并發(fā)結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開說明，LoRaWAN系統(tǒng)主要分為三部分：節(jié)點(diǎn)/終端、網(wǎng)關(guān)/基站，以及服務(wù)器，如圖4所示。

　　圖4 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

　　節(jié)點(diǎn)/終端(Node)：LoRa節(jié)點(diǎn)，代表了海量的各類傳感應(yīng)用，在LoRaWAN協(xié)議里被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)，平時(shí)休眠，只有在固定的窗口期才能接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)。Class A的優(yōu)勢(shì)是功耗極低，比非LoRaWAN的LoRa節(jié)點(diǎn)功耗更低，比如針對(duì)水表應(yīng)用的10年以上工作壽命通常就是基于Class A實(shí)現(xiàn)的。ClassB模式是固定周期時(shí)間同步，在固定周期內(nèi)可以隨機(jī)確定窗口期接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，兼顧實(shí)時(shí)性和低功耗，特點(diǎn)是對(duì)時(shí)間同步要求很高。Class C模式是常發(fā)常收模式，節(jié)點(diǎn)不考慮功耗，隨時(shí)可以接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性最好，適合不考慮功耗或需要大量下行數(shù)據(jù)控制的應(yīng)用，比如智能電表或智能路燈控制。

　　網(wǎng)關(guān)/基站(Gateway)：網(wǎng)關(guān)是建設(shè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，目的是緩解海量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)所引發(fā)的并發(fā)沖突。主要特點(diǎn)如下：1)兼容性強(qiáng)，所有符合LoRaWAN協(xié)議的應(yīng)用都可以接入;2)接入靈活，單網(wǎng)關(guān)可接入幾十到幾萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)入網(wǎng)，數(shù)目可延拓;3)并發(fā)性強(qiáng)，網(wǎng)關(guān)最少可支持8頻點(diǎn)，同時(shí)隨機(jī)8路數(shù)據(jù)并發(fā)，頻點(diǎn)可擴(kuò)展;4)可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，上下行并發(fā)不沖突，實(shí)效性強(qiáng);5)靈敏度高，同速率下比非LoRaWAN設(shè)備的靈敏度更高;6)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單，星狀網(wǎng)絡(luò)可靠性更高，功耗更低;7)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本很低。

　　服務(wù)器(Server)：負(fù)責(zé)LoRaWAN系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析，主要的控制指令都由服務(wù)器端下達(dá)。根據(jù)不同的功能，分為：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(Network Server)與網(wǎng)關(guān)通信實(shí)現(xiàn)LoRaWAN數(shù)據(jù)包的解析及下行數(shù)據(jù)打包，與應(yīng)用服務(wù)器通信生成網(wǎng)絡(luò)地址和ID等密鑰;應(yīng)用服務(wù)器(Application Server)負(fù)責(zé)負(fù)載數(shù)據(jù)的加密和解密，以及部分密鑰的生成;客戶服務(wù)器(Client Server)是用戶開發(fā)的基于B/S或C/S架構(gòu)的服務(wù)器，主要處理具體的應(yīng)用業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

　　LoRaWAN系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括：覆蓋范圍廣，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和施工成本，減少現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜度;服務(wù)器端鑒權(quán)可實(shí)現(xiàn)交叉覆蓋，減少覆蓋盲點(diǎn);服務(wù)器端統(tǒng)籌管理，提高信道利用率，增加系統(tǒng)容量; 網(wǎng)關(guān)多路并發(fā)減少?zèng)_突，支持節(jié)點(diǎn)跳頻，增加系統(tǒng)容量;節(jié)點(diǎn)速率自適應(yīng)(Adaptive Data Rate)降低功耗和并發(fā)沖突，增加容量;安全性高，兩級(jí)AES-128(Advanced Encryption Standard-128)數(shù)據(jù)加密;星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高魯棒性;LoRaWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。

　　三 典型環(huán)境

　　四 業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)

　　五 展望未來

　　LoRaWAN的未來非常值得期待，短期可預(yù)見的是基于LoRaWAN的定位技術(shù)。2016年，Semtech宣布了LoRaWAN支持定位的應(yīng)用，目前有少量企業(yè)從事利用RSSI為基礎(chǔ)附加參數(shù)修正的定位研究，但精度都不高。而基于Time Difference of Arrival(TDOA)的多LoRaWAN基站測(cè)量定位技術(shù)更具有商用化前景，理論精度可達(dá)50m以內(nèi)，實(shí)用性更高。依照普通LoRaWAN節(jié)點(diǎn)平均休眠電流3μA、時(shí)間同步、無需增加其他定位芯片的特性，LoRaWAN完全有希望大規(guī)模代替現(xiàn)有的某些定位技術(shù)。較遠(yuǎn)的距離+低功耗+低成本+可室內(nèi)室外定位的組合，是LoRaWAN有別于其他定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

　　2016年是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)國(guó)內(nèi)商用化元年，未來對(duì)LoRaWAN會(huì)形成一定挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)，而LoRa相對(duì)窄帶物聯(lián)技術(shù)已有成熟商用案例。窄帶物聯(lián)技術(shù)擁有運(yùn)營(yíng)商的強(qiáng)力支持，但LoRaWAN不會(huì)被輕易取代，具有某些方面的先天優(yōu)勢(shì)。LoRaWAN允許企業(yè)搭建屬于自己的私有網(wǎng)絡(luò)，很多企業(yè)并不愿意把私有數(shù)據(jù)給別人，所以在投入成本可接受的情況下，企業(yè)寧愿部署自己的私有網(wǎng)絡(luò)并獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，私有網(wǎng)絡(luò)的誘惑力巨大。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，每種技術(shù)路線都有其優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域和不足之處，未來的技術(shù)接受程度如何，關(guān)鍵還是要靠市場(chǎng)來進(jìn)行選擇，但最終受益的肯定是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和用戶。