LoraWAN 技术及其在物联网中的应用

(浙江机电职业技术学院,浙江杭州 310053)

0 引言

物联网技术在各类垂直领域的蓬勃发展,极大地改变了人们的工作与生活。然而,当前物联网终端设备的网络接入以及数据传输依然存在几方面的问题:很多无线传感器由于电池动力不足导致通信能力不足;传统的宽带无线接入技术,其基站无法集成数以万计的设备;物联网应用中多数是一些数据量小,传输频次低的数据传输,实时性要求并不高;当前一些短距离,通信速率高的无线通信方式,如蓝牙,Zigbee等技术并不适用于解决这些问题。因此,开发并实施一些新技术尤为重要,这些新技术将通过加强设备之间的通信能力,或者加大网络的扩展性来提升网络性能。低功耗广域网(LPWA)技术的出现,极大地推动了物联网的发展[1]。在低功耗广域网中,其网络节点在特定的频段工作,电池寿命可长达十年。可以在低成本的无线模块中实现远距离、低数据速率传输。近来,在该领域集中出现了很多新技术,如LoraWAN[2]、NB-IOT[3]等。这些技术可使数据在数十公里的链路上得到可靠的传输。虽然各有特点,但都具有高连接、低成本、低功耗、远距离传输等特点,在商业上被广泛应用。

本文主要介绍低功耗广域网中的LoraWAN 技术。LoraWAN是当前物联网概念实施的主流方案之一。Lora技术工作在非授权的ISM频段,其具有低成本、低功耗、远距离、高容量、抗干扰和穿透能力强等众多优点,是近些年出现的一种划时代的物联网接入网技术。

1 Lora线性调频扩频调制技术

LoRa调制技术是semtech公司创建的一种工作在物理层的协议,该技术不是直接序列扩频,而是一种使用未调制载波来进行线性调频的扩频技术。在该扩频技术中,调制传输中的0和1这种一位的数据信号将应用多个编码信号来表示,这些编码信号是一些具有不同初始频率的线性调频信号,称为码片。而扩频技术,就是用来确定需要多少个码片来代表一位数据信号。应用这种扩频技术,可以使能量分散到更广泛的频段,最终得到的调制信号具有更好的稳定性,以及抗噪音和干扰的能力。

在该线性调频扩频调制技术中,主要用到了三个参数,扩频因子(SF),信道带宽(BW),编码率(CR)。

(1)扩频因子(SF)与扩频相关,一个数据信号将由2SF个码片来表示。在Lora中,允许应用多个扩频因子,具体数据可以选择6-12不等。可以看出,SF越大,需要传输一位数据需要的码片也越多,传输数据量会增大,导致传输速率降低,但同时误码率也会降低,抗干扰能力会增强。(2)信道带宽(BW)指信号通过的上限频率和下限频率的范围。在扩频因子相等的条件下,增加信道带宽无疑会提升数据传输速率,但也相应会带来一定的噪声,降低灵敏度。(3)编码率(CR)是指数据流中有用信号占的比例。在Lora中,为了提高接收的有效信噪比,采用前向纠错技术(FEC),其基本原理是添加冗余比特,这种冗余使接收机能够检测并纠正信息传输中的误码。越重要的信息需要更多的冗余和系统带宽,以便降低有效比特率,同时提高接收的有效信噪比。

为了实现通信范围和数据传输速率之间的折衷,LoRa通信支持多个扩频因子(SF)。不同的扩频因子和通信信道的带宽决定了数据传输速率。且使用前向纠错技术(FEC),以增强接收器的灵敏度。

2 LoraWAN协议

2.1 LoraWAN体系结构

LoraWAN是在物理层使用Lora调制技术基础上的以数据链路层为主的通信协议。其整个通信系统体系结构如图1所示。

图1 LoraWAN 通信系统体系结构Fig.1 LoraWAN communication system architecture

由图1可以看出,整个架构是由终端设备和Lora网关模块以及网络服务器和应用服务器构成。LoRa 网关和终端设备间以星形网方式组网。一个Lora网关可应用不同的扩频因子与不同的终端设备同时进行广播或者接收信息。由Lora终端设备发送的信息会被所有Lora网关设备接收,再由Lora网关重传至网络服务器。LoRa允许终端设备和网关随时传输,且根据Lora 规范,只要遵循一定的规则,终端设备和网关可以在任意时间,应用任意可用的传输速率,在任何可用的信道上传输。使用这种方式将大大提高成功接收消息的可能性。另外网关则对网络服务器和终端设备之间的数据做转发处理,网关与设备之间数据采用射频传输,而网关与网络服务器之间的数据遵循Tcp/IP协议。

在该网络中,由网关设备配置和监控不同通信信道。有专用于LoRa 终端设备广播发送请求的上行链路信道以及Lora网关模块向Lora终端设备发送信息的下行链路信道。

2.2 LoraWAN三种终端类型

LoraWAN规范定义了终端设备有class A、B、C三种类型。其中A 类设备中,终端设备根据应用程序的具体情况,在特定时间段遵循ALOHA 算法按需向网关模块上报消息。每次发送上行信息后,LoRa终端会紧跟着两次打开两个短暂的下行接收窗口以允许网关发送ACK信息或其它类型的指令。这种操作模式最为省电。终端设备由电池供电。A 类设备应用范围最为广泛,但A 类不能保证下行消息有一定的最大延迟,所以对延迟敏感的应用中需使用B类或C类模式。B类设备与A类设备相仿,只是除了A类中的两个下行接收窗口外,还有额外的接收窗口ping会在指定时间内打开。为达此目的,终端需要从网关接收时间同步信息,称为beacon。这种类型也较为省电,设备由电池供电即可。目前,B 类设备应用较少,大多以A 类或C 类为主。而在C类设备中,除了发送信息,接收窗口一直保持在打开状态,这使得C 类设备可以持续侦听信息,下行通信无延迟。但因为接收窗口需要持续保持打开状态,也使得这种终端设备能耗高,需要电网供电。C类设备和A类时序基本相同的,只是在A类设备休眠的期间,它都打开了接收窗口RX2。

2.3 ADR机制

为了最大化终端设备的电池寿命和整体网络容量,LoRa可以通过自适应数据速率(ADR)机制来分别管理每个终端设备的数据速率和传输功率[4]。目前Lora终端有6种不同的速率,不同传输距离的设备会根据传输状况、信噪比、信号强度等因素,使用匹配且最快的数据速率。该机制还可在检测到冲突时启用自动数据速率改变和发射功率,从而减少广播时间和能耗、并提高网络服务质量。

LoRa中的ADR机制分为两部分:在LoRa终端设备上和在网络服务器上。服务器提供了最复杂的部分,以使终端尽可能简单。在终端上运行部分的目标仅是在上行传输未到达网关(连接丢失)时降低数据速率以增加无线电覆盖。并同时触发终端设备本地的一个计数器,用于定义上行链路中发送的未经确认的帧数。如果此计数器数值达到某个阈值时,则设备需要提高扩频因子,降低数据速率,从而提升信息到达网关的概率。需要调整数据速率的设备在任何上行链路MAC帧报头中的ADR标志位设为1,由网络服务器下达改变数据速率和发射功率的指令,以此优化网络以使用尽可能匹配的数据速率。而在服务器端执行的部分则是具体确定如何改变传输功率和上行链路的数据速率。服务器收到ADR 标志为1 后,之后再接收的20帧数据,计算其snr(信噪比),并在此基础上使用特定算法[5]来估计未来传输的新参数,并发送下行指令到相关设备。

3 LoraWAN应用场景

低功耗广域网(LPWA)技术是目前物联网常用的技术,LoraWAN作为一种低功耗广域网技术,适用于多种垂直领域,譬如智慧农业、智能物流、智能抄表等。

(1)智慧农业是指通过温湿度、二氧化碳、盐碱度等传感器实时采集相关环境参数数据,经由无线网络传输数据后进行分析处理,进而根据需求设定,随时进行相应处理的智能化远程监测控制系统。对农业应用来说,需要低功耗低成本的传感器,且农业中很多采集数据在短时间内不会产生明显变化,数据量小,对实时性的要求不高。因此、LoraWAN的低成本、低功耗、低速率、超长传输距离等特征非常适用于这种需求。(2)智能物流是利用传感器、条形码、二维码、RFID、定位系统等技术通过网络进行数据传输,并进而实现分析处理的技术平台。从而在物流业的运输、仓储、配送、包装等基本活动环节中,实现自动化和高效率运作管理。但当前智能物流系统存在系统覆盖面不全,成本过高,终端续航能力差等问题。而LoRaWAN的诸多特征,诸如超广覆盖范围,超长终端设备续航能力,超低组网成本,以及在高速移动时通信的稳定性等,是未来智能物流物联网技术的最优选择。(3)智能抄表是指通过安装客户端传感设备,使用专用网络与云端进行通讯,数据经过专用系统分析处理后,实现数据读取、状态监测、自动计扣费、预警报警、远程控制等功能。目前抄表领域存在:智能化程度低。多数抄表系统部署不易,中继节点多,中间环节多等问题。将LoraWAN技术应用于智能抄表中,超强覆盖能力和抗干扰能力,超长终端续航时间,超低硬件成本及使用成本,高可靠性等特征,可以确保智能抄表系统的超高实用价值和优秀的客户体验。是物联网远程抄表系统最理想的解决方案。除此之外,LoraWAN还适用于诸如智慧城市,智慧安防,智能家居等各个垂直领域,是许多需要远距离传输数据,对稳定性,可靠性要求高,且传输数据量小,实时性要求低的物联网应用的有效解决方案。

4 结论

LoRaWAN 作为一种适用于低功耗、低成本、低速率、广覆盖等需求的LPWAN 技术,目前已在全球范围内广泛部署,并被广泛应用于各类垂直领域中。有效的解决曾经长距离通信网络中由于组网价格成本、设备续航时间短以及远距离无法覆盖等问题。相信LoRaWAN技术的发展能够有效促进物联网应用市场的发展,进一步推动中国“智慧”行业的发展。