Real-time GPS tracking with LoRaWAN in Budapest
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來源:5G 作者:鄭浩
低功耗廣域網技術發展如火如荼,Long Range(LoRa)以及由此而來的Long Range Wide Area Network(LoRaWAN)系統,在其中佔據重要地位,商用化程度較高。
本文從描述LoRa技術當前進展開始,闡述典型LoRaWAN系統的組成和作用,結合大量不同環境下的網路測試,和應用案例,探討電信商和企業聯盟,在推動低功耗廣域網建設方面的特點。
同時,展示LoRaWAN技術的部分優勢、當前現狀,和可預見的未來,最後分析當窄頻物聯網技術到來以後,LoRaWAN與之共存的可能,和差異化市場服務的策略。
一 技術特點
1、LoRa
2013年8月,美國升特公司(Semtech),向業界發佈了一種新型的Sub-1GHz頻段的擴頻通信晶片,最高接收靈敏度可達-148dBm,主攻遠距離低功耗的物聯網無線通信市場。
LoRa技術本質上是擴頻調制技術,同時結合了數位信號處理,和前向糾錯編碼技術。此前,擴頻調制技術具有長通信距離和高魯棒特性,在軍事和空間通信領域,已經應用了幾十年,而LoRa的意義,在於首先利用擴頻技術,為工業產品和民用產品,提供低成本的無線通信解決方案。
前向糾錯編碼技術,是給待傳輸數據序列中,增加一些冗餘訊息,數據在傳輸進程中,注入的錯誤碼元,在接收端就會被即時糾正。
前向糾錯編碼技術,可以減少數據包需要重發的需求,而且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。一旦數據包分組建立起來,並注入前向糾錯編碼,以保障可靠性,這些數據包,就將被送到數位擴頻調制器中。
這一調制器將分組數據包中,每一比特時間劃分為眾多碼片,而LoRa調制碼片的可配置範圍為64~4 096碼片/比特。透過使用高擴頻因子,LoRa可將小容量數據,透過大範圍的無線電頻譜傳輸出去。
當使用者透過頻譜分析儀測量時,這些數據看上去像噪音,但區別在於噪音是不相關的,而數據具有相關性。基於這點,數據可以從噪音中提取出來。擴頻因子越高,越多的數據可從噪音中提取出來,接收靈敏度就可以達到更高。
因此LoRa晶片的接收靈敏度最高可達-148dBm,在20dBm的發射功率下,LoRa調制的鏈路預算可達168dB。
前向糾錯編碼技術,是給待傳輸數據序列中,增加一些冗餘訊息,數據在傳輸進程中,注入的錯誤碼元,在接收端就會被即時糾正。
前向糾錯編碼技術,可以減少數據包需要重發的需求,而且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。一旦數據包分組建立起來,並注入前向糾錯編碼,以保障可靠性,這些數據包,就將被送到數位擴頻調制器中。
這一調制器將分組數據包中,每一比特時間劃分為眾多碼片,而LoRa調制碼片的可配置範圍為64~4 096碼片/比特。透過使用高擴頻因子,LoRa可將小容量數據,透過大範圍的無線電頻譜傳輸出去。
當使用者透過頻譜分析儀測量時,這些數據看上去像噪音,但區別在於噪音是不相關的,而數據具有相關性。基於這點,數據可以從噪音中提取出來。擴頻因子越高,越多的數據可從噪音中提取出來,接收靈敏度就可以達到更高。
因此LoRa晶片的接收靈敏度最高可達-148dBm,在20dBm的發射功率下,LoRa調制的鏈路預算可達168dB。
2、LoRaWAN
在傳統的廣域連接應用中,主要借助電信商提供的蜂窩網路進行連接,工業、能源、交通、物流等各行業,廣泛採用蜂窩網路實現互聯。
但仍有大量的設備應用,是現有蜂窩網路技術無法滿足的,比如水、電、氣、熱等計量表,市政管網、路燈、垃圾站點等公用設施,大面積畜牧養殖和農業灌溉,廣泛佈局且環境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數據採集,以及偏僻的戶外作業等。這些類型終端,若採用現有電信商蜂窩網路進行聯網,可能遇到如下問題。
但仍有大量的設備應用,是現有蜂窩網路技術無法滿足的,比如水、電、氣、熱等計量表,市政管網、路燈、垃圾站點等公用設施,大面積畜牧養殖和農業灌溉,廣泛佈局且環境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數據採集,以及偏僻的戶外作業等。這些類型終端,若採用現有電信商蜂窩網路進行聯網,可能遇到如下問題。
1)信號覆蓋不足:很多設備佈局在人口稀少,或環境複雜的區域,電信商網路覆蓋盲區,或信號強度不足,難以保障數據的穩定傳輸。
2)功耗高:大量設備需要電池供電,若採用蜂窩網路,則需頻繁更換電池,這在很多惡劣環境下很難實現。
3)費效比低:設備單次傳輸數據量極小,而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網路為高頻寬設計,採用蜂窩網路要佔用網路和碼號資源,還會產生包月流量費用。
基於以上原因,低功耗廣域網技術(Low Power Wide Area Network,LPWAN),成為彌補物聯網網路層缺陷的最佳選擇。2015年3月,由Semtech牽頭成立了LoRa Alliance(以下簡稱LoRa聯盟),聯盟是一個開放的非盈利性組織,目的在於加速LoRa技術全球商用化,主要發起成員還包括美國IBM、Cisco、法國Actility、荷蘭皇家電信、瑞士電信等知名企業。
聯盟發佈的LoRaWAN協議,將LPWAN分成了三部分,包括節點應用、通信服務(模組和基地台供應商)、雲服務,數據傳輸過程中的通信層包括兩級加密,數據通信更為安全。
截至到2016年10月,聯盟成員數量高達400多家,其中國家級的電信商有27家,新增電信商有法國Proximus、英國Orange、美國Comcast、日本軟銀、韓國SK電信、印度TATA電信等。
同時,LoRa的產業鏈中,還包括大量終端硬體廠商、模組網管廠商、軟體廠商、系統整合商等,構成了完整的LoRa生態系統,大大促進LoRa技術的快速發展與生態繁盛。
二 系統架構
1、網路架構
目前,基於LoRa技術的網路層協議,主要是LoRaWAN,也有少量的非LoRaWAN協議,但是通信系統網路,都是星狀網架構,以及在此基礎上的簡化和改進。主要包括以下3種:
一點對一點通信,多見於早期的LoRa技術,A點發起,B點接收,可以回覆,也可以不回覆確認,多組之間的頻點建議分開,如圖1所示。單純利用LoRa調制靈敏度高的特性,目前主要針對特定應用和試驗性質的項目。優點在於最簡單,缺點在於不存在組網。
圖1 點對點通信
2)星狀網輪詢。
一點對多點通信,N個從節點輪流與中心點通信,從節點上傳,等待中心點收到後返回確認,然後下一個節點再開始上傳,直到所有N個節點全部完成,一個循環週期結束,如圖2所示。
該結構本質上,還屬於點對點通信,但是加入了分時處理,N個從節點之間的頻點可以分開,也可重複使用。優勢在於單項目成本低,不足之處是僅適合從節點數量不大,和網路即時性要求不高的應用。
該結構本質上,還屬於點對點通信,但是加入了分時處理,N個從節點之間的頻點可以分開,也可重複使用。優勢在於單項目成本低,不足之處是僅適合從節點數量不大,和網路即時性要求不高的應用。
圖2 星狀網輪詢
3)星狀網併發。
如圖3所示,一點對多點通信,多個從節點可同時與中心點通信,從節點可隨機上傳數據,節點可以根據外界環境,和信道阻塞自動採取跳頻,和速率自適應技術,邏輯上閘道器可以接收不同速率,和不同頻點的信號組合,物理上閘道器可以同時接收8路、16路、32路甚至更多路數據,減少了大量節點上傳時,衝突的機率。
該系統具有極大的延拓性,可單獨建網,可交叉組網,LoRa領域內,目前主要指的是LoRaWAN技術。
該系統具有極大的延拓性,可單獨建網,可交叉組網,LoRa領域內,目前主要指的是LoRaWAN技術。
圖3 星狀網併發
2、系統組成
點對點通信和星狀網輪詢的系統組成比較簡單,兩端都是節點,分為主從。在主節點收到從節點上行數據後,會發下載確認幀給從節點,然後從節點進入休眠,工作模式比較簡單。這裡主要對LoRaWAN星狀網,併發結構進行展開說明,LoRaWAN系統主要分為三部分:節點/終端、閘道器/基地台,以及伺服器,如圖4所示。
圖4 LoRaWAN系統架構示意圖
節點/終端(Node):LoRa節點,代表了海量的各類傳感應用,在LoRaWAN協議裡,被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節點主動上傳,平時休眠,只有在固定的窗口期,才能接收閘道器下載數據。
閘道器/基地台:閘道器是建設LoRaWAN網路的關鍵設備,目的是緩解海量節點數據上報,所引發的併發衝突。主要特點如下:1)相容性強,所有符合LoRaWAN協議的應用,都可以接入;2)接入靈活,單閘道器可接入幾十到幾萬個節點,節點隨機入網,數目可延拓;3)併發性強,閘道器最少可支持8頻點,同時隨機8路數據併發,頻點可擴展;4)可實現全雙工通信,上傳下載併發不衝突,實效性強;5)靈敏度高,同速率下比非LoRaWAN設備的靈敏度更高;6)網路拓撲簡單,星狀網路可靠性更高,功耗更低;7)網路建設成本和營運成本很低。
伺服器(Server):負責LoRaWAN系統的管理和數據解析,主要的控制指令,都由伺服器端下達。根據不同的功能,分為:網路伺服器(Network Server)與閘道器通信,實現LoRaWAN數據包的解析,及下載數據打包,與應用伺服器通信,生成網路地址和ID等密鑰;應用伺服器(Application Server)負責負載數據的加密和解密,以及部分密鑰的生成;客戶伺服器(Client Server)是使用者開發的,基於B/S或C/S架構的伺服器,主要處理具體的應用業務和數據呈現。
LoRaWAN系統的優勢,包括:覆蓋範圍廣,節省網路優化和施工成本,減少現場施工複雜度;伺服器端鑒權可實現交叉覆蓋,減少覆蓋盲點;伺服器端統籌管理,提高信道利用率,增加系統容量; 閘道器多路併發減少衝突,支持節點跳頻,增加系統容量;節點速率自適應(Adaptive Data Rate)降低功耗和併發衝突,增加容量;安全性高,兩級AES-128(Advanced Encryption Standard-128)數據加密;星狀網路結構,提高魯棒性;LoRaWAN協議標準化。
三 典型環境
四 業務經營
五 展望未來
LoRaWAN的未來非常值得期待,短期可預見的是基於LoRaWAN的定位技術。
2016年,Semtech宣佈了LoRaWAN支持定位的應用,目前有少量企業,從事利用RSSI為基礎,附加參數修正的定位研究,但精度都不高。而基於Time Difference of Arrival(TDOA)的多LoRaWAN基地台測量定位技術,更具有商用化前景,理論精度可達50m以內,實用性更高。
依照普通LoRaWAN節點,平均休眠電流3μA、時間同步、無需增加其他定位晶片的特性,LoRaWAN完全有希望,大規模代替現有的某些定位技術。
較遠的距離+低功耗+低成本+可室內室外定位的組合,是LoRaWAN有別於其他定位技術的優勢。
2016年是窄頻物聯網技術商用化元年,未來對LoRaWAN會形成一定挑戰和競爭,而LoRa相對窄頻物聯技術,已有成熟商用案例。窄頻物聯技術擁有電信商的強力支持,但LoRaWAN不會被輕易取代,具有某些方面的先天優勢。
LoRaWAN允許企業搭建屬於自己的私有網路,很多企業並不願意把私有數據給別人,所以在投入成本可接受的情況下,企業寧願佈署自己的私有網路,並獨立經營,私有網路的誘惑力巨大。
物聯網技術的發展日新月異,每種技術路線都有其優勢領域,和不足之處,未來的技術接受程度如何,關鍵還是要靠市場來進行選擇,但最終受益的,肯定是整個產業鏈和使用者。
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