LoRa 和 LoRaWAN 无线网络协议

2022-04-18

 LoRa 和 LoRaWAN 无线网络协议

在物联网 (IoT) 的世界中，连接就是一切。它是物联网中的“我”，也是我们提供远程产品和应用程序的工具，这些产品和应用程序可以将他们的地面智能传输到云中进行监控、管理和决策。虽然向产品、设备或机器添加连接从未如此简单，但为解决方案选择正确的连接选项仍然充满复杂性。

在某些情况下，很明显以太网或 Wi-Fi 是正确的选择——例如在家庭或工厂中。在其他情况下，近场通信 (NFC) 或蓝牙可能是首选选项，因为您的解决方案需要短距离设备到设备通信。但是，如果您的产品是移动的，或者在 Wi-Fi 设置的复杂性根本无法实现的城市、农业或其他环境中，您就只能寻找其他地方了。具体来说，在蜂窝或 LoRa（由“远程”一词形成）和 LoRaWAN（远程广域网）。

通过全球统一的频段和运营商间漫游协议，以及为数据密集型应用提供高带宽连接的可用性，蜂窝网络的全球覆盖范围使这种方法对许多用例具有吸引力。尽管具有吸引力，但一些应用偏爱 LoRa，其信号抗噪，并且免费、未经许可的频段的可用性使得单个设备的单位成本显着降低。

鉴于不同的需求将导致您选择蜂窝或 LoRa，并且这些方法更具互补性而不是竞争性，让我们更深入地研究 LoRa。 

什么是洛拉？

LoRa 是一种低功耗通信协议，旨在使用未经许可的频谱进行长距离操作，特别是为工业、科学和医疗 (ISM) 目的保留的无线电频段。

LoRa 设备以亚千兆赫频率进行通信，因此可以实现长时间的数据传输，尽管可用频段很窄，而且一些政府对这些频段上的设备传输频率有严格的规定。在开放系统互连 (OSI) 术语中，如图 1 中的参考模型所示，LoRa 芯片是支撑其之上所有事物的物理层，并使硬件设备能够利用未经许可的频谱进行低功耗广域网 (LPWAN)应用程序。基本上，它规定了用于无线电通信的频谱和协议。

图 1. LoRa 在 OSI 参考模型的物理层运行 

尽管 LoRa 在亚千兆赫频谱下运行，但 LoRa 芯片利用的特定频段因地区而异。欧洲的 LoRa 无线电的工作频率为 863-870/873 MHz，而亚洲和南美的设备工作频率为 915-928 MHz，北美的设备工作频率为 902-928 MHz。在为某个应用购买 LoRa 芯片时，许多芯片将根据特定的范围要求预先编程到某个地区的频谱。在图 2 中可以看到具有 LoRa 频率范围的频谱概览。

图 2. LoRa 无线电在亚千兆赫频谱上运行。

除了使用的频谱之外，LoRa 还指定了用于无线电通信或LoRa PHY的协议。

LoRa 调制：啁啾扩频

LoRa 使用专有的无线调制技术，它是啁啾扩频的衍生物，它使用“啁啾”脉冲作为编码信息的一种方式。啁啾是一种正弦波，如图 3 所示，其信号频率随时间增加或减少。

图 3. LoRa 使用一系列增加（如此处所示）或减少的“啁啾”脉冲对信息进行编码。

LoRa 无线电通过使用多个信息啁啾来表示有效载荷中的每一位信息来执行其调制。在这种情况下，名称中的“扩频”意味着使用这种技术的设备，包括 LoRa 衍生产品，都使用分配的带宽进行广播，从而使这些信号能够抵抗 ISM 频段上常见的信道噪声。

LoRa 设备允许工程师调整他们的应用程序，并使用称为扩频因子 (SF) 的东西在高数据速率或高灵敏度之间进行选择。使用可调无线电参数，工程师可以选择每秒发送的啁啾数量。低 SF 将每秒发送更多的啁啾，这意味着您可以每秒编码更多的数据，但从接收器的角度来看，信号不是很敏感。

低灵敏度意味着您打算发送的数据在途中丢失的可能性更高。另一方面，高 SF 将每秒发送更少的啁啾，但会产生对接收器更敏感的信号，因此更可靠。然而，高 SF 啁啾需要更多“通话时间”（网络上的传输时间）并且需要更多功率，因为调制解调器运行的时间比低 SF 方法更长。

通过为无线电设置 SF 以及更改调制解调器的传输功率（根据地区可在 2 dBm 和 20 dBm 之间调整），LoRa 为工程师提供了功能强大的工具，用于根据他们的需要配置应用程序的功耗和通信范围。

作为一个物理层，LoRa 涵盖了在可以使用相同协议的公共频谱上实现远程通信所需的一切。但是，它并未涵盖设备如何相互识别、它们如何以最大限度地减少网络串扰的方式相互通信，或者如何将来自本地网络设备的数据安全地传输到云或远程位置。这就是 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 的调制之上的网络协议。尽管 LoRa 本身本质上是点对点的，但 LoRaWAN 通过定义两个核心设备角色将网络塑造成一个中心辐射型：

一个节点，通常是一个传感器

集中器，充当节点和云之间的网关

在 OSI 术语中（图 4），LoRaWAN 规定了处理节点到节点通信的数据链路层，以及处理节点如何跨本地网络边界发送数据和从本地网络边界接收数据的网络层。

图 4. LoRaWAN 指定了在 OSI 参考模型的数据链路和网络层运行的技术。

在数据链路层，LoRaWAN 定义了一种介质访问控制(MAC) 协议，该协议确定网络上的节点如何识别自己（也称为 MAC 地址）以及用于 LoRa 设备之间通信的功率要求、频率和数据速率。

在网络层，LoRaWAN 涵盖了位于网络边缘以与 LoRaWAN 节点通信的物理硬件以及位于云中的服务。这包括从本地 LoRa 网络接收、路由、处理数据以及将数据路由到本地 LoRa 网络（图 5）。 

图 5.典型的 LoRaWAN 网络由本地和基于云的元素组成。 

集中器充当网关，管理来自 LoRaWAN 节点的连接，以及通过互联网与广域网服务器的连接。市场上的许多集中器往往包括八个通道，用于同时接收来自 LoRaWAN 节点的请求数据包，以及一个用于将响应数据包发送回这些节点的通道。网关与网络服务器合作，在设备加入 LoRaWAN 网络时对其进行管理，并处理与基于云的应用服务器之间的通信。

虽然不是 LoRa 唯一的媒体访问协议，但 LoRaWAN 协议享有广泛的行业支持并拥有健康的生态系统。它由LoRa 联盟发起并维护，该联盟成立于 2015 年，旨在支持 LoRaWAN 协议的协作开发并确保 LoRaWAN产品和服务之间的互操作性。

在世界的某些地区（尤其是欧洲），蜂窝运营商已经看到了提供自己专有的 LoRaWAN 网络的收入潜力，其中许多网络针对智能城市和农业应用。在其他地方，更常见的是将 LoRaWAN 网络视为“构建自己的”广域专用网络，客户需要自己资助和部署。

LoRa 与 LoRaWAN

我在本文开头提到 LoRa 和 LoRaWAN 经常互换使用，因此大多数工程师期望这些技术必须在一个解决方案中一起使用也就不足为奇了。虽然 LoRaWAN 确实需要在边缘网络中使用 LoRa 设备才能运行，但 LoRa 设备的部署是否需要 LoRaWAN 集中器、网络或应用程序服务器。

现实情况是，虽然 LoRaWAN 是 LoRa 广域网最流行和部署最广泛的协议，并且是支持许多设备的可互操作标准，但它可能不是每个 LPWAN 应用程序的最佳选择。除了 8 通道集中器的费用外，LoRaWAN 协议还规定了可能不适用于每个用例的链路、通话时间和功率要求——尤其是那些节点数量较少且不经常传输的情况。此外，您希望使用的云服务可能不符合 LoRaWAN 解决方案的网络和应用服务器要求。  

在没有 LoRaWAN 的情况下使用 LoRa

在不使用 LoRaWAN 的情况下使用 LoRa 的第一步是您必须实现自己的媒体访问协议，以便节点之间可以就如何识别彼此、如何隐藏通信以及如何以及何时在空中进行通信而不互相踩踏达成一致. 在没有 LoRaWAN 的情况下将 LoRa 部署连接到云还需要实施您自己的机制来处理到云服务的回程。 

这可能感觉过于复杂，但是，根据您的需要，它可以非常简单：两个节点的点对点连接可以交替发送和接收角色，几十个节点的小型网络可以使用非常简单的时分多址 (TDMA) 时隙协议。LoRaWAN 是为大规模网络设计的，如果目标是灵活且成本更低的单点解决方案，LoRa 节点无需重新实现 LoRaWAN 协议的每一部分。这种方法在市场上并不少见。

Amazon Sidewalk用于 Echo、Ring 和其他亚马逊智能设备，使用 LoRa 并实现网状网络 MAC 层。在商业物联网领域，Blues Wireless提供了一款名为 Sparrow 的产品，如图 6 所示，该产品使用 LoRa 作为节点，与蜂窝或 Wi-Fi 网关进行通信以实现云回程。

图 6. Blues Wireless Sparrow 产品使用 LoRa 进行本地网络通信，同时使用传统的 Wi-Fi 或蜂窝云回程到 Notehub.io 云服务和客户的终极云基础设施。

Sparrow 随附的 LoRa MAC 是开源的，实现了简单的一键式网关/节点安全配对机制以及优化电池供电节点寿命的自适应发射功率子系统。