LoRaWAN第1部分:如何为物联网获取15公里无线和10年的电池寿命

编者按:在这个由两部分组成的系列的第一部分,我们将讨论远距离,低功率通信的问题,为物联网,以及如何去实现它,安全。在第2部分,LoRaWAN第2部分:如何使用Microchip的模块,以加快物联网设计中,我们将讨论使用过的,现成的LoRaWAN硬件和软件的实现。

低功耗无线网络是观光(IOT)的因特网的一个关键因素,但熟悉的选项,例如蓝牙,ZigBee,无线网络,或蜂窝,缺乏的扩展范围和电池寿命的可接受的组合。为了解决这个问题,正在提供新的sub-GHz规范,其中之一是LoRaWAN。

LoRaWAN可以达到15公里范围内的功率消耗水平足够低,使10年的电池寿命。此外,场外的现成的开发工具的可用性,使设计人员能够快速调出以最小的努力完全LoRaWAN网络应用。

本文将着眼于子千兆赫通信的优势,检查调制方案中的重要作用,并与它的物理和媒体访问控制层的描述,以及它的安全特性介绍LoRaWAN。它将与简要介绍了Microchip Technology的RN2903 LoRaWAN模块的结论。

亚GHz优势

高频连接选项提供高数据传输率,但在可接受的功率电平具有有限的范围内。对于需要扩展范围功率受限的设计,低频操作是优选的方法。频率越低,需要较少的功率在指定的范围内,以维持特定的链路预算,如由弗里斯传输方程:

哪里:

PT =发射功率

PR =接收功率

GT =发射机天线增益

GR =接收机天线增益

L =波长

发射机和接收机之间D =距离

低频率的变速器通常转化为较低的数据速率,但物联网的应用很少出现显著吞吐量的要求。此外,较低的数据速率降低的错误率的形式带来另一优点,从而降低接收机的灵敏度要求。

不足之处是与噪声和其它信号因干扰低速链路占空比增加,从而增加了出错的机会。在发射器和接收器两者。此外,发送消息所需要的时间越长意味着增加功耗结束。

这就是说,的sub-GHz通信可以帮助满足大多数物联网应用需要的范围内,电源和数据传输速率的要求。尽管如此,调制方法的用于数据编码的选择增加了影响这些三个关键参数的另外的层。

调制方法

通信专家有多年依靠扩频调制技术,以提高抗噪声或干扰信号。信道编码在扩频技术使用的方法,如直接序列扩频(DSSS),都能够通过建立冗余进入扩展算法,以减少发射功率要求。

虽然这种方法可以支持非常高的数据速率,它要求高带宽的载体和复杂的调制/解调信号链能够确保宽带信号的有效传输和接收。物联网的应用程序很少需要的那种如DSSS可能的调制技术,最大数据速率。此外,与传统的扩频技术相关的设计复杂度和功率要求可以让他们低成本,电池供电的物联网设计效果较差。

这是劳拉的用武之地。通过Semtech公司开发,LORA是带来了一些的扩频抗噪声能力的优点,同时简化设计需求的独特扩频调制方法。洛拉调制是基于调制“啁啾”信号的频率,可以用比较简单的分数-N锁相环(PLL)来产生。

当发起LORA变速器,洛拉调制解调器发出由一系列线性调频脉冲(图1,左)的前导码。变速器具有一系列数据编码基本上如频率啁啾信号跳跃,类似于使用多个频率音调来编码M进制FSK数据的线性调频脉冲继续(图1,右图)。

图1:该瀑布视图(在顶部最新的数据)示出了在传输洛拉前导码(左)和编码传输(右)的有效载荷中的线性调频脉冲中使用的线性调频脉冲重复。(图像源:链接实验室)

在接收机侧,一个PLL能够锁定到前同步码来发起消息流的接收。由于线性调频脉冲的不同的图案,一LORA调制解调器可以检测低至低于噪声基底20分贝信号。LORA技术使-148 dBm的灵敏度,使可靠的连接,在很长的范围内。此外,洛拉调制解调器能够同时接收多个不同的传输,每个仅在啁啾率不同。其结果是,它可以支持非常大量的物联网设备同时工作。

洛拉联网

LORA技术独特的调制方法在于以性能特点使其非常适合于物联网应用的心脏:它可以在超过郊区设置15公里,在人口密集的城市环境2公里多范围的成功运行。它可以实现超过10年的电池寿命,它可以在包括高达1万个节点的网络操作。另外,其对于不同的啁啾率,或支撑件“的扩频因子,”根据需要来优化网络性能(图2)使设计的灵活性,贸易数据速率范围或功率。

图2:与LORA技术,开发者的IoT可以通过使用不同的扩展因子交易数据范围的比特率。(图像源:微晶片科技)

对于它的所有好处,劳拉仍然是一个物理层(PHY)机制。在实际应用的IoT,开发者的应用它作为一个连接解决方​​案的能力取决于网络协议栈能够建立在洛拉·菲的可用性。所述LoRaWAN标准做到了这一点,其在媒体访问控制的定义(MAC)层设计成与洛拉·菲进行操作。创建和维护由LORA联盟,LoRaWAN规范是远距离的IoT应用而开发并提供面向用于安全,低功率无线通信的访问和控制协议。

LoRaWAN限定一个熟悉的IoT层级结构包括端设备,本地控制器,并且基于云的服务器(图3)。在LoRaWAN术语中,终端设备是在一个星形拓扑到网关无线连接,并通过网关IP网络连接到中央网络服务器。网络服务器可以兼作IOT中应用程序服务器或连接到一个或多个单独的应用服务器。

图3:LoRaWAN网络拓扑呈现一个熟悉的IoT层级结构包括无线地(虚线)连接的终端设备,以通过IP网络(实线)连接到上游网络服务器和应用服务器网关。(图绘制采用与Digi-Key 方案,它

所述LoRaWAN堆提供了一个标准接口,基于LORA的通信(图4)的应用程序。在堆栈的底部,洛拉·菲工作与区域的sub-GHz ISM带宽分配。上述洛拉·菲,该LoRaWAN MAC提供熟悉的MAC层服务,包括信道接入和寻址。如下面所描述的,LoRaWAN标准定义特定消息格式和定时用于上行链路和下行链路事务处理。

图4:构建在洛拉·菲,该LoRaWAN媒体访问控制(MAC)规定了不同的设备类的消息格式。(图像源:洛拉联盟)

通信选项

所述LoRaWAN MAC协议被设计为支持与下行链路通信到终端设备不同的要求从LoRaWAN网关的IoT的应用程序。如由LORA联盟所定义的,LoRaWAN MAC包括三个不同类别的设备,所有这些都支持双向通信,但在它们的下行链路的可用性不同:

  • A类工作支持低功率器件,如需要从上行链路传输后的最小服务器的下行链路通信的无线传感器节点。A类设备可以将数据发送到网关的任何时间,但可在两个窗口内仅接收,在发送(图5)后的规定延迟的每个发生。

图5:在默认A类的事务,一个设备发送洛拉兼容消息至网关,然后在两个接收窗口的响应预设延迟之后侦听。(图像源:洛拉联盟)

  • B类操作与附加的下行链路接收窗口延伸的一类。除了一般的两个短收到以下传输窗,B类的IoT设备监听其他调度窗口附加下行链路消息。下行链路窗口在特定时间之后,其由识别LoRaWAN网关发送的信标发生。B类的下行链路调度为应用程序提供以接触在特定时间的的IoT设备而不是根据在默认A类操作中可用的非确定性的下行链路窗口的机制。
  • C类操作支持需要下行链路的近连续的可用性接收窗口的装置。A C类设备不断监听下行链路消息,除了当它被发送数据或打开两个默认接收窗口。

LoRaWAN被设计带有多个安全功能,使用设备,会话和应用程序的密码键的组合对数据进行加密和验证到网络设备的访问。对于LoRaWAN应用,终端设备可以在工厂加入特定LoRaWAN网络,该网络LoRaWAN称之为“通过个性化活化”所需要的认证信息进行编程。LoRaWAN还提供了“过度的空气活化”,指定一个程序身份验证和授权所需的设备加入任何可用的网络LoRaWAN。

对于网络连接操作和安全的数据通信,物联网只有设备和应用服务器保持加密的秘密(图6)。加密的消息被简单地传送,不进行处理,由中间网关和网络,从而消除了它们作为不良行为的有效攻击面使用。

图6:在一个典型的应用LoRaWAN,加密密钥被保持仅在终端设备和应用服务器(绿色高亮)。末端装置MCU和上游的IoT应用软件(红色突出显示)上的纯文本操作,而LoRaWAN网关和网络服务器(蓝色突出显示)只看到加密的数据。(图像源:微晶片科技)

简化通信

旨在简化LoRaWAN通信的发展,微芯片科技提供实现洛拉调制并提供LoRaWAN兼容性的离散模块。Microchip的RN2903支持在915MHz的ITU区域1个ISM标准频带LoRaWAN兼容的通信。随着LORA调制,车载收发器还支持用于专有网络协议设计FSK和GFSK调制。类似地,Microchip的RN2483提供相同的特征,支持在433或868兆赫的ITU区域2 ISM频带。

图7:Microchip的洛拉模块提供LoRaWAN连接与它的板载命令处理器,LoRaWAN协议栈,无线电收发机,和串行连接一插入式解决方案。(图像源:微晶片科技)

充分认证,Microchip的模块包括所有实施LoRaWAN连接(图7)所需的组件。该模块的命令处理器使用板载LoRaWAN固件完全支持LoRaWAN类的协议。板载EEPROM提供存储用于LoRaWAN配置参数,增强性能和通过减少主机和模块之间的数据传输提高安全性。

结论

在创建用于远距离通信的IoT设备,开发人员面临寻找能够满足扩展范围,电池寿命长,并有足够的数据速率要求的无线连通性的挑战。LoRaWAN能够满足具有独特的调制技术,这些需求是可以实现15公里无线范围和10年的电池寿命。尽管如此,会议LoRaWAN的底层PHY和MAC要求可伸展的开发资源和项目进度。Microchip Technology的RN2903 LORA模块向物联网设备的设计实现LoRaWAN近插入式解决方案。正如我们将在第二部分讨论,最终设备的连接仅仅是一个完整的基于LoRaWAN,物联网应用的一部分。

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