功率通信的問題，為物聯(lián)網(wǎng)，以及如何去實(shí)現(xiàn)它，安全。在第2部分，LoRaWAN第2部分：如何使用Microchip的模塊，以加快物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，我們將討論使用過的，現(xiàn)成的LoRaWAN硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。
低功耗無線網(wǎng)絡(luò)是觀光（IOT）的因特網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵因素，但熟悉的選項(xiàng)，例如藍(lán)牙，ZigBee，無線網(wǎng)絡(luò)，或蜂窩，缺乏的擴(kuò)展范圍和電池壽命的可接受的組合。為了解決這個(gè)問題，正在提供新的sub-GHz規(guī)范，其中之一是LoRaWAN。
LoRaWAN可以達(dá)到15公里范圍內(nèi)的功率消耗水平足夠低，使10年的電池壽命。此外，場外的現(xiàn)成的開發(fā)工具的可用性，使設(shè)計(jì)人員能夠快速調(diào)出以最小的努力完全LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
本文將著眼于子千兆赫通信的優(yōu)勢，檢查調(diào)制方案中的重要作用，并與它的物理和媒體訪問控制層的描述，以及它的安全特性介紹LoRaWAN。它將與簡要介紹了Microchip Technology的RN2903 LoRaWAN模塊的結(jié)論。
亞GHz優(yōu)勢
高頻連接選項(xiàng)提供高數(shù)據(jù)傳輸率，但在可接受的功率電平具有有限的范圍內(nèi)。對于需要擴(kuò)展范圍功率受限的設(shè)計(jì)，低頻操作是優(yōu)選的方法。頻率越低，需要較少的功率在指定的范圍內(nèi)，以維持特定的鏈路預(yù)算，如由弗里斯傳輸方程：
哪里：
PT =發(fā)射功率
PR =接收功率
GT =發(fā)射機(jī)天線增益
GR =接收機(jī)天線增益
L =波長
發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間D =距離
低頻率的變速器通常轉(zhuǎn)化為較低的數(shù)據(jù)速率，但物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很少出現(xiàn)顯著吞吐量的要求。此外，較低的數(shù)據(jù)速率降低的錯(cuò)誤率的形式帶來另一優(yōu)點(diǎn)，從而降低接收機(jī)的靈敏度要求。
不足之處是與噪聲和其它信號因干擾低速鏈路占空比增加，從而增加了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。在發(fā)射器和接收器兩者。此外，發(fā)送消息所需要的時(shí)間越長意味著增加功耗結(jié)束。
這就是說，的sub-GHz通信可以幫助滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要的范圍內(nèi)，電源和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。盡管如此，調(diào)制方法的用于數(shù)據(jù)編碼的選擇增加了影響這些三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的另外的層。
調(diào)制方法
通信專家有多年依靠擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，以提高抗噪聲或干擾信號。信道編碼在擴(kuò)頻技術(shù)使用的方法，如直接序列擴(kuò)頻（DSSS），都能夠通過建立冗余進(jìn)入擴(kuò)展算法，以減少發(fā)射功率要求。
雖然這種方法可以支持非常高的數(shù)據(jù)速率，它要求高帶寬的載體和復(fù)雜的調(diào)制/解調(diào)信號鏈能夠確保寬帶信號的有效傳輸和接收。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序很少需要的那種如DSSS可能的調(diào)制技術(shù)，最大數(shù)據(jù)速率。此外，與傳統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和功率要求可以讓他們低成本，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)效果較差。
這是勞拉的用武之地。通過Semtech公司開發(fā)，LORA是帶來了一些的擴(kuò)頻抗噪聲能力的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)簡化設(shè)計(jì)需求的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻調(diào)制方法。洛拉調(diào)制是基于調(diào)制“啁啾”信號的頻率，可以用比較簡單的分?jǐn)?shù)-N鎖相環(huán)（PLL）來產(chǎn)生。
當(dāng)發(fā)起LORA變速器，洛拉調(diào)制解調(diào)器發(fā)出由一系列線性調(diào)頻脈沖（圖1，左）的前導(dǎo)碼。變速器具有一系列數(shù)據(jù)編碼基本上如頻率啁啾信號跳躍，類似于使用多個(gè)頻率音調(diào)來編碼M進(jìn)制FSK數(shù)據(jù)的線性調(diào)頻脈沖繼續(xù)（圖1，右圖）。
圖1：該瀑布視圖（在頂部最新的數(shù)據(jù)）示出了在傳輸洛拉前導(dǎo)碼（左）和編碼傳輸（右）的有效載荷中的線性調(diào)頻脈沖中使用的線性調(diào)頻脈沖重復(fù)。（圖像源：鏈接實(shí)驗(yàn)室）
在接收機(jī)側(cè)，一個(gè)PLL能夠鎖定到前同步碼來發(fā)起消息流的接收。由于線性調(diào)頻脈沖的不同的圖案，一LORA調(diào)制解調(diào)器可以檢測低至低于噪聲基底20分貝信號。LORA技術(shù)使-148 dBm的靈敏度，使可靠的連接，在很長的范圍內(nèi)。此外，洛拉調(diào)制解調(diào)器能夠同時(shí)接收多個(gè)不同的傳輸，每個(gè)僅在啁啾率不同。其結(jié)果是，它可以支持非常大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時(shí)工作。
洛拉聯(lián)網(wǎng)
LORA技術(shù)獨(dú)特的調(diào)制方法在于以性能特點(diǎn)使其非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的心臟：它可以在超過郊區(qū)設(shè)置15公里，在人口密集的城市環(huán)境2公里多范圍的成功運(yùn)行。它可以實(shí)現(xiàn)超過10年的電池壽命，它可以在包括高達(dá)1萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)操作。另外，其對于不同的啁啾率，或支撐件“的擴(kuò)頻因子，”根據(jù)需要來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能（圖2）使設(shè)計(jì)的靈活性，貿(mào)易數(shù)據(jù)速率范圍或功率。
圖2：與LORA技術(shù)，開發(fā)者的IoT可以通過使用不同的擴(kuò)展因子交易數(shù)據(jù)范圍的比特率。（圖像源：微晶片科技）
對于它的所有好處，勞拉仍然是一個(gè)物理層（PHY）機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用的IoT，開發(fā)者的應(yīng)用它作為一個(gè)連接解決方??案的能力取決于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧能夠建立在洛拉·菲的可用性。所述LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)做到了這一點(diǎn)，其在媒體訪問控制的定義（MAC）層設(shè)計(jì)成與洛拉·菲進(jìn)行操作。創(chuàng)建和維護(hù)由LORA聯(lián)盟，LoRaWAN規(guī)范是遠(yuǎn)距離的IoT應(yīng)用而開發(fā)并提供面向用于安全，低功率無線通信的訪問和控制協(xié)議。
LoRaWAN限定一個(gè)熟悉的IoT層級結(jié)構(gòu)包括端設(shè)備，本地控制器，并且基于云的服務(wù)器（圖3）。在LoRaWAN術(shù)語中，終端設(shè)備是在一個(gè)星形拓?fù)涞骄W(wǎng)關(guān)無線連接，并通過網(wǎng)關(guān)IP網(wǎng)絡(luò)連接到中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以兼作IOT中應(yīng)用程序服務(wù)器或連接到一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用服務(wù)器。
圖3：LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)一個(gè)熟悉的IoT層級結(jié)構(gòu)包括無線地（虛線）連接的終端設(shè)備，以通過IP網(wǎng)絡(luò)（實(shí)線）連接到上游網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器網(wǎng)關(guān)。（圖繪制采用與Digi-Key 方案，它）
所述LoRaWAN堆提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，基于LORA的通信（圖4）的應(yīng)用程序。在堆棧的底部，洛拉·菲工作與區(qū)域的sub-GHz ISM帶寬分配。上述洛拉·菲，該LoRaWAN MAC提供熟悉的MAC層服務(wù)，包括信道接入和尋址。如下面所描述的，LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)定義特定消息格式和定時(shí)用于上行鏈路和下行鏈路事務(wù)處理。
圖4：構(gòu)建在洛拉·菲，該LoRaWAN媒體訪問控制（MAC）規(guī)定了不同的設(shè)備類的消息格式。（圖像源：洛拉聯(lián)盟）
通信選項(xiàng)
所述LoRaWAN MAC協(xié)議被設(shè)計(jì)為支持與下行鏈路通信到終端設(shè)備不同的要求從LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的IoT的應(yīng)用程序。如由LORA聯(lián)盟所定義的，LoRaWAN MAC包括三個(gè)不同類別的設(shè)備，所有這些都支持雙向通信，但在它們的下行鏈路的可用性不同：
圖5：在默認(rèn)A類的事務(wù)，一個(gè)設(shè)備發(fā)送洛拉兼容消息至網(wǎng)關(guān)，然后在兩個(gè)接收窗口的響應(yīng)預(yù)設(shè)延遲之后偵聽。（圖像源：洛拉聯(lián)盟）
B類操作與附加的下行鏈路接收窗口延伸的一類。除了一般的兩個(gè)短收到以下傳輸窗，B類的IoT設(shè)備監(jiān)聽其他調(diào)度窗口附加下行鏈路消息。下行鏈路窗口在特定時(shí)間之后，其由識別LoRaWAN網(wǎng)關(guān)發(fā)送的信標(biāo)發(fā)生。B類的下行鏈路調(diào)度為應(yīng)用程序提供以接觸在特定時(shí)間的的IoT設(shè)備而不是根據(jù)在默認(rèn)A類操作中可用的非確定性的下行鏈路窗口的機(jī)制。
C類操作支持需要下行鏈路的近連續(xù)的可用性接收窗口的裝置。A C類設(shè)備不斷監(jiān)聽下行鏈路消息，除了當(dāng)它被發(fā)送數(shù)據(jù)或打開兩個(gè)默認(rèn)接收窗口。
LoRaWAN被設(shè)計(jì)帶有多個(gè)安全功能，使用設(shè)備，會(huì)話和應(yīng)用程序的密碼鍵的組合對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和驗(yàn)證到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的訪問。對于LoRaWAN應(yīng)用，終端設(shè)備可以在工廠加入特定LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)LoRaWAN稱之為“通過個(gè)性化活化”所需要的認(rèn)證信息進(jìn)行編程。LoRaWAN還提供了“過度的空氣活化”，指定一個(gè)程序身份驗(yàn)證和授權(quán)所需的設(shè)備加入任何可用的網(wǎng)絡(luò)LoRaWAN。
對于網(wǎng)絡(luò)連接操作和安全的數(shù)據(jù)通信，物聯(lián)網(wǎng)只有設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器保持加密的秘密（圖6）。加密的消息被簡單地傳送，不進(jìn)行處理，由中間網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)，從而消除了它們作為不良行為的有效攻擊面使用。
圖6：在一個(gè)典型的應(yīng)用LoRaWAN，加密密鑰被保持僅在終端設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器（綠色高亮）。末端裝置MCU和上游的IoT應(yīng)用軟件（紅色突出顯示）上的純文本操作，而LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（藍(lán)色突出顯示）只看到加密的數(shù)據(jù)。（圖像源：微晶片科技）
簡化通信
旨在簡化LoRaWAN通信的發(fā)展，微芯片科技提供實(shí)現(xiàn)洛拉調(diào)制并提供LoRaWAN兼容性的離散模塊。Microchip的RN2903支持在915MHz的ITU區(qū)域1個(gè)ISM標(biāo)準(zhǔn)頻帶LoRaWAN兼容的通信。隨著LORA調(diào)制，車載收發(fā)器還支持用于專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)FSK和GFSK調(diào)制。類似地，Microchip的RN2483提供相同的特征，支持在433或868兆赫的ITU區(qū)域2 ISM頻帶。
圖7：Microchip的洛拉模塊提供LoRaWAN連接與它的板載命令處理器，LoRaWAN協(xié)議棧，無線電收發(fā)機(jī)，和串行連接一插入式解決方案。（圖像源：微晶片科技）
充分認(rèn)證，Microchip的模塊包括所有實(shí)施LoRaWAN連接（圖7）所需的組件。該模塊的命令處理器使用板載LoRaWAN固件完全支持LoRaWAN類的協(xié)議。板載EEPROM提供存儲用于LoRaWAN配置參數(shù)，增強(qiáng)性能和通過減少主機(jī)和模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸提高安全性。
結(jié)論
在創(chuàng)建用于遠(yuǎn)距離通信的IoT設(shè)備，開發(fā)人員面臨尋找能夠滿足擴(kuò)展范圍，電池壽命長，并有足夠的數(shù)據(jù)速率要求的無線連通性的挑戰(zhàn)。LoRaWAN能夠滿足具有獨(dú)特的調(diào)制技術(shù)，這些需求是可以實(shí)現(xiàn)15公里無線范圍和10年的電池壽命。盡管如此，會(huì)議LoRaWAN的底層PHY和MAC要求可伸展的開發(fā)資源和項(xiàng)目進(jìn)度。Microchip Technology的RN2903 LORA模塊向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LoRaWAN近插入式解決方案。正如我們將在第二部分討論，最終設(shè)備的連接僅僅是一個(gè)完整的基于LoRaWAN，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一部分。
