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低功耗WAN（LPWAN）为物联网远程通信

文章作者:M. Di Paolo Emilio

随着无线物联网部署的快速增长和现有免许可证频谱的使用增加，LPWAN解决方案将面临广泛的服务质量和可伸缩性挑战。

物联网(IoT)设备的数量预计将在全球范围内持续增长:最近的估计认为，到2020年将有超过300亿个连接设备。这无疑是一个值得注意的数字，它要求设备和通信基础设施的开发者必须适应的设计选择。这些选择影响设备的可伸缩性和能源效率，反映了用于实现物联网网络集中器(或网关)连接的技术类型。

在物联网中，物体(物)和网络(Internet)之间的连接显然是必需的。对于需要小区域覆盖的应用程序，我们熟悉蓝牙低能量(BLE)和ZigBee标准，它们属于更广泛的个人区域网络(PAN)范畴。对于需要覆盖更大区域的应用程序，有必要使用广域网(WAN)，或者在物联网中更好地使用低功耗WAN (LPWAN)。LPWAN技术非常适合连接需要远距离发送少量数据的设备，同时允许较长的电池寿命。

新的LPWAN技术在ISM(工业、科学、医疗)免许可证频段运行。因此，与移动网络运营商不同，LPWAN网络运营商不需要购买昂贵的无线频谱分配许可证。LoRaWAN是一种LPWAN规范，允许电池供电设备在区域、全国或全球网络中使用低带宽远程连接到物联网。

LPWAN.

低功耗广域网（LPWAN）是一种无线电信网络，旨在允许具有低比特率的远程通信。LPWAN技术专为机器到机器（M2M）网络环境设计。随着电力需求的降低，与移动网络相比，LPWAN网络的功率要求更大，成本较低，旨在允许更广泛的M2M应用和物联网，这通常受预算和功率问题的限制。

最著名的LPWAN是LoRaWAN，它通过区域、国家或全球网络无线连接物体。LoRaWAN规范提供了智能对象之间的互操作性，不需要复杂的本地安装，并为用户、开发人员和公司提供了开发物联网的自由。

物联网的连接

Lora是一种用于长途通信的无线技术，它是实现物联网基础设施的领先解决方案之一。通过降低的功率吸收和低数据传输速率来说，Lora由连接到网络端点的IOT设备使用，以与因特网连接网关进行通信。网关行为像真实的桥梁，允许终点设备和中央网络服务器之间的完全交互。

LoRA技术使用了两个不同的层:

物理层采用啁啾扩频(CSS)无线电调制技术;
MAC协议层（上面提到的洛拉狗）。

由SEMTECH开发的LORA物理层允许使用低功耗器件的远程通信，并且需要非常低的带宽。Lorawan是一种协议，允许使用Lora技术与网关通信的协议。虽然Lora调制技术是专有的，但Lorawan是由Lora Alliance本身开发的开放式标准。Lora网络的典型结构基于星形拓扑，存在三种不同类型的设备，如图1所示。

图1：Lora网络的典型示例

劳拉的身体水平

虽然专有的，Lora使用Chirp扩频（CSS）调制，基于使用Chirp（其频率增加或随时间越减小的信号）进行信息编码。通过啁啾脉冲的高线性，接收器和发射器之间的频率偏移等同于颞偏移，在解码电路中容易被消除。这方面还使调制免受多普勒效应，对应于频率偏移。图2显示了啁啾的典型波形。在横坐标的轴上表示时间，而在坐在幅度的幅度上;请注意，频率不是恒定的，但随着时间的推移而变化。

图2:典型的啁啾

影响LORA调制的参数如下：

带宽;
扩展因子(SF):由每个符号啁啾数的以2为底的对数来识别:在实践中，它表示每个啁啾的持续时间。LoRA使用的是7 ~ 12的啁啾:SF7对应的啁啾持续时间较短，SF12对应的啁啾持续时间较长;
码率(CR)，与LoRA中包含的前向纠错(FEC)机制有关。

LoRA框架主要包括一个前导，它从一个恒定的啁啾序列开始，频率不断增加，覆盖整个频率范围。最后两个啁啾识别了同步词，一个单独的字节用来区分使用相同频带的劳拉网络。配置了特定同步字的终端设备将忽略接收到的任何消息，如果相关的同步字与配置的同步字不匹配。同步单词后面紧跟着2.25 chirp。前导的总持续时间可以配置在10.25到65539.25之间。在导言之后，被传输(可选)报头:当存在时，报头有一个4/8的码率。载荷(最大长度为255字节)在报头之后传输，后面跟着一个CRC(可选)。

LoRAWAN协议

洛拉湾网络有一个星形，而不是明星的架构。与网状网络（网状网络）不同，其中各个节点接收和从相邻节点重新发送信息以增加网络的覆盖区域（具有保持所有网络组件的缺点，以便处理大多数情况下的信息不相关对于自己），在Lora网络中，终端节点通常是“睡眠”。

LoRaWAN是基于LoRA提供的物理层的MAC协议，旨在支持传感器网络。LoRaWAN网络的主要组成部分如下:

低功耗端点设备通过Lora与网关通信;
网关:使用宽带网络将从端点接收到的数据包转发到服务器的中间设备;
网络服务器：解码从传感器接收的数据包并准备任何回复。

劳拉网关是端点的接口。从端点接收到的消息依次传递到另一个具有网络服务器功能的单元。通常，到网络服务器的连接是通过一个标准的IP连接进行的，可以使用公共或私有网络。如果服务器有话要对远程设备说，网关将把消息发送到端点。

劳拉网络服务器是管理网络的单位。网络服务器完成的所有任务LoRaWAN预见的协议,例如,例如,消除重复的数据包(端点的消息可以同时被多个网关),适应各个节点之间的数据速率,发送数据到相关的应用程序(图3)。

图3.

图3:SAM R34 xexplained Pro芯片开发套件，用于LoRa设计

我的东西，一个新的劳拉?

BehrTech的MYTHINGS是一个无线连接平台，专门为大规模工业和商业物联网网络设计。在“我的东西”的核心是MIOTY^TM值（TS-UNB），由ETSI（TS 103-357）标准化的唯一低功耗，广域网（LPWAN）技术，用于生产水平的鲁棒性，容量和能效。通过独特的互操作性方法，可以轻松地将神话平台容易地集成到任何遗留环境中，降低成本和复杂性，同时促进IOT分布中数据的控制和所有权（图4）。

图4.

图4：神话网络

MYTHINGS的覆盖范围超过15公里，只需几个MYTHINGS基站就可以覆盖广阔的区域，如工业园区、园区或油田。

根据Abi Research，在未来几年，无用的LPWAN技术将超过70％以上的市场。这一瞥将未来强调了干扰弹性的重要性作为服务质量（QoS）和这些解决方案的未来存活率的关键。BehrTech已经进行了一项研究来评估和比较MYTHINGS和LoRa在现实世界中的QoS。研究测量了网络性能，定义为分组错误率(PER)，在干扰条件下。PER是发送的消息总数中失败传输的百分比(图5和6)。

图5.