物联网 (物联网) 正在推动各行业对无线连接的需求. 从供应链到基础设施等行业的公司希望无线监控远程资产, 跟踪发货情况, 设备数字化, 和更多. 但仅靠 WiFi 和蓝牙等许多无线技术无法满足这些远程用例的需要. LoRa 登场——一种新兴的无线标准，就像增强版蓝牙一样. 凭借其远距离和低功耗的能力，它似乎非常适合大规模物联网网络部署. 在这个博客中, 我将概述什么是 LoRa, 怎么运行的, 其主要优点, 应用领域, 以及亲自尝试的技巧.
LoRa技术的定义
LoRa代表远程无线电，主要针对物联网 (物联网) 和M2M网络. 它是一种新型无线调制方法，专为远程连接和低功耗通信而设计. 这项技术将允许多租户或公共网络连接同一网络上运行的许多应用程序.
LoRa协议包括许多不同的层，包括用于安全通信的应用程序级别和设备级别, 网络加密. 每个单独的LoRa网关都有能力处理多达数百万个节点. 信号可以延伸很远的距离, 这意味着所需的结构更少, 使构建网络更快，更便宜.
它最初由格勒诺布尔的 Cycleo 开发, 法国，被 Semtech 收购 2012. 之后, 标准化 LoRaWAN 非营利联盟 – 建立在 LoRa 调制之上的通信协议. LoRaWAN定义了系统架构，而LoRa提供了远程物理连接.
LoRa网络架构
LoRaWAN架构由终端节点组成, 网关, 网络服务器和应用服务器. 就LoRa网络的真实架构而言, 节点通常处于星型拓扑中，网关形成透明桥. 这些中继消息在中央网络服务器和后端中的终端设备之间. 与端点节点的通信通常是双向的, 但也可以支持多播操作, 这对于诸如此类的功能或其他批量分发消息或软件升级很有用.
- LoRa传感器: 端点是进行控制或传感的LoRa网络的元素. 他们通常位于偏远地区.
- LoRa网关: 网关从LoRa端点接收基础架构，然后将它们传输到回程系统. LoRa网络的这一部分可以是蜂窝网络, 乙太网路, 或任何其他无线或有线电信链路. 使用典型的IP连接将网关连接到网络服务器. 通过这种方式, 数据使用典型协议，但可以连接到任何电信网络, 无论是私人还是公共. 鉴于LoRa网络与蜂窝网络的相似性, LoRaWAN网关通常可能与蜂窝基站位于同一地点. 通过这种方式, 他们能够在回程网络上使用额外的容量.
- LoRa网络服务器: LoRa网络服务器成功进入网络并作为其功能的一部分, 它的作用是删除重复的数据包, 适应数据速率, 并安排确认. 对部署和连接方式的评估使得部署 LoRa 网络变得非常容易.
- 应用服务器: 然后, 远程计算机可以控制端点的操作或从端点收集数据 - LoRa 网络几乎是半透明的.
LoRa技术如何工作
LoRa无线使用扩频调制, 将窄带信号传播到更宽的信道带宽上. 它的远距离无线魔力来自于一些巧妙的优化:
线性调频扩频 (的CSS)
这是 LoRa 无线电使用的物理层调制技术. CSS 的工作原理是获取正弦信号并随时间线性改变其频率, 创建线性调频信号. 然后将该信号调制到载波频率上.
通过在更宽的带宽上啁啾信号, LoRa 将能量传播到更大的频率范围. 这增加了抗干扰和噪声的能力, 同时改善网关的信号接收.
自适应数据速率 (ADR)
这是 LoRa 动态优化终端节点设备和网关之间数据速率的方法. 使用 ADR, 当干扰较低时，节点可以转向更快的数据速率；当干扰增加时，节点可以转向更稳健的数据速率.
这种优化可确保在不断变化的信道条件下获得最佳数据速率, 最大限度地提高节点的电池寿命和整体网络容量.
CSS 和 ADR 共同为 LoRa 提供了令人印象深刻的范围和弹性，同时使用最小的功率. 这些信号对于其他系统来说就像噪声一样, 加强安全.
LoRa 技术的主要特性和优势
让我们更深入地了解 LoRa 无线电技术的一些突出优势:
- 远程连接– 启用范围 15+ 乡村地区的公里数以及 5+ 市区公里数. 允许城市范围的覆盖, 并实现了对建筑物的良好穿透.
- 低电量– 之间 10 毫安和 100 睡眠模式下的nA. 取决于应用, 电池寿命是 2 至 15 年份. 大幅降低维护成本.
- 安全传输– AES-128 位加密可保护数据并防止篡改.
- 准确的地理位置– 无需 GPS 信号即可精确定位到数十米范围内. 有助于资产追踪.
- 全球频段 – 868 兆赫 (863–870 MHz, 分为几个子带) 在欧洲和 915 美国的MHz. 频道使用期限受许多国家/地区的法规限制 (占空比).
- 双向通讯– 向上发送数据并向下推送配置. LoRa通信设备可远程控制.
- 大容量– 单个 LoRa 网关每天可以处理来自数千台设备的数百万条消息.
- 开放标准– LoRaWAN 是一个由非营利性 LoRa 联盟监管的开放规范. 推动采用和互操作性.
LoRa 技术基础知识
LoRa技术有几个关键要素. 它的一些主要功能包括：:
- 多达数百万个节点
- 电池寿命长; 余下的十年
- 长距离; 15-20 公里.
LoRa 技术的多种元素可提供整体连接性和功能.
LoRa协议栈: LoRa联盟还定义了一个开放协议栈. 这个开源堆栈的创建让 LoRa 的概念得以提出，因为所有不同类型的公司都参与了 LoRa 开发, 部署, 和使用已经能够结合在一起，创建一个低成本且易于使用的解决方案，用于连接各种方式的物联网设备.
LoRa网络设计: 除了LoRa无线系统的RF元件, 网络架构还有其他一些要素, 包括整体系统架构的存在, 服务器, 回程, 和应用计算机. 总体架构经常被称为LoRaWAN.
劳拉PHY / 射频接口: LoRa物理层或PHY是系统运行的关键. 它控制节点或端点之间传输的RF信号的各个方面, 即. LoRa网关和传感器是接收信号的地方. 物理层或无线电接口控制信号的各个方面，包括调制格式, 功率等级, 频率, 发射和接收元件之间的信令, 和其他相关主题.
LoRa调制
LoRa技术是无线调制还是物理 (物理层) 硅层, 用于创建远程通信链路.
LoRa物理层使用一种形式的扩频调制. LoRa调制系统使用宽带线性频率控制脉冲. 频率随时间增加或减少的水平用于编码要传输的数据, 如; 线性调频调制的一种形式.
当解调与转发错误校正结合使用时，这种类型的调制使LoRa无线系统能够解调低于本底噪声20dB的信号, 前向纠错. 与传统的FSK系统相比; LoRa系统的链路预算可以提高25dB以上.
由于这样的结果，传输以伪随机方式传播, 非 LoRa 用户可能很难检测到并且看起来像噪音. 这可以支持系统的安全性.
该系统的另一个优点是线性调频调制和系统, 一般来说, 能够容忍频率偏移，因此, 可以使用带有 20-30 ppm 接受，而不是支付温度的振荡器, TCXO. 这可以在节点电子电路内节省一些不错的成本.
LoRa网络安全
网络安全问题变得越来越重要. 因此，LoRa网络需要高度的安全性，以防止任何系统出现故障.
达到LoRa网络所需的安全级别, 使用了几层加密:
设备专用密钥 (EUI128).
唯一网络密钥 (EUI64) 确保网络级别的安全.
唯一的应用程序密钥 (EUI64) 证明端到端的安全性.
使用这些加密层可确保LoRa网络保持适当的安全性.
LoRa技术的应用
LoRa无线技术最好放置在多种应用中. 远距离和低功耗功能意味着端点可以部署在各种地方, 建筑物的内部和外部，并且仍然能够与网关进行通信. 由于该系统易于部署，并且可以用于大量物联网, 互联网事物, 和机器对机器, 应用领域, M2M. 以下是一些常见的 LoRa 应用:
智慧城市 – 智能计量, 环境监测, 智能停车, 街道照明, 废物管理等.
供应链/物流 – 资产跟踪和监控, 冷链监控, 车队的管理.
农业 – 土壤监测, 灌溉控制, 牲畜追踪.
工业物联网 – 设备监控, 预见性维护, 自动化.
基础设施监控 – 监控铁路轨道, 桥梁, 任何物理变化的隧道.
公用事业 – 智能电网, 燃气/水计量, 泄漏检测, 分布式发电.
楼宇自动化 – 暖通空调和照明控制, 能源管理, 房间占用情况监控.
卫生保健 – 资产追踪, 医疗设备传感器, 病人监护.
零售 – 仓库库存管理, 通过信标进行地理营销.
LoRa 与 LoRaWAN – 有什么不同?
LoRa描述了较低的物理层, 上层网络层不存在. LoRaWAN是为描述网络高层而开发的众多协议之一. LoRaWAN是基于云的媒体访问控制 (苹果电脑) 层协议，但主要用作网络层协议，以管理终端设备和LPWAN网关之间的通信, 作为指导协议, 由LoRa联盟维护. LoRaWAN规范版本 1.0 六月发布 2015.
广域网 定义网络的系统架构和通信协议, 而LoRa物理层允许进行远程通信链接.
所以总结一下:
LoRa = 物理层调制
LoRaWAN = 通信协议和架构
它们共同提供了完整的解决方案，包括远程连接和灵活的网络通信架构.
LoRa联盟是什么?
与许多其他系统一样, 成立了一个行业机构来开发并在整个行业内推广 LoRa 无线系统，称为“LoRa 无线系统”。 LoRa联盟. 它于三月推出 2015. 如联盟所言, 它的建立是为了提供一个开放的全球安全标准, 运营商级物联网LPWAN连接.
尽管LoRa实际上是由Semtech开发的, 开放该标准使其被众多公司采用, 从而发展生态系统并获得更大的参与度, 产品种类繁多，使用和接受度全面提高.
LoRa联盟的创始成员包括Actility, 思科公司, 欧兰, IBM公司, 柯林克, IMST, 多元科技, Sagemcom, Semtech, 和Microchip Technology, 以及领先的电信运营商: 布依格电信, 国民党, 新加坡电信, 前肢, 瑞士电信, 和FastNet (南非Telkom的一部分).
LoRa 技术入门
基本上, 每个人都可以操作自己的 LoRa 通信. 由于LoRa在未分配的频率范围内工作, 不需要频率许可费用. 如果您只需要在有限的区域内设置LoRaWAN, 您自己的网关和服务器的操作很有意义. 希望构建您自己的 LoRa 和 LoRaWAN 解决方案? 以下是 MOKOSmart 如何帮助您开始使用 LoRa 技术:
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– 我们的 LoRaWAN 网关具有 IP66 外壳和内置 LoRa 和蓝牙性能.
– 我们提供蓝牙 LoRaWAN 网关用于连接蓝牙设备.
– 请务必进行小型测试部署以评估实际覆盖范围和性能.
– 花时间设计完整的端到端系统架构.
– 加入 LoRa 联盟进行协作并获取资源.
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