物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程低功耗通信問(wèn)題及如何安全地實(shí)現(xiàn)它

低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵的推動(dòng)因素對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）而言，藍(lán)牙，ZigBee，Wi-Fi或蜂窩等熟悉的選項(xiàng)缺乏擴(kuò)展范圍和電池壽命的可接受組合。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們提供了新的sub-GHz規(guī)范，其中一個(gè)是LoRaWAN。

LoRaWAN可以在功耗水平低至15千米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10年的電池續(xù)航時(shí)間。此外，現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)套件的可用性使設(shè)計(jì)人員能夠以最小的努力快速啟動(dòng)完整的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

本文將介紹sub-GHz通信的優(yōu)勢(shì)，檢查重要的調(diào)制方案的作用，并介紹LoRaWAN的物理和媒體訪問(wèn)控制層的描述，以及它的安全功能。最后將簡(jiǎn)要介紹Microchip Technology的RN2903 LoRaWAN模塊。

Sub-GHz優(yōu)勢(shì)

高頻連接選項(xiàng)可提供高數(shù)據(jù)速率，但在可接受的功率范圍內(nèi)具有有限的范圍水平。對(duì)于需要擴(kuò)展范圍的功率受限設(shè)計(jì)，低頻操作是首選方法。頻率越低，將特定鏈路預(yù)算維持在指定范圍所需的功率越小，如Friis傳輸方程所示：

低頻傳輸通常會(huì)轉(zhuǎn)換為較低的數(shù)據(jù)速率，但物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用很少會(huì)出現(xiàn)大量的吞吐量要求。此外，較低的數(shù)據(jù)速率以降低的錯(cuò)誤率的形式帶來(lái)了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，從而降低了接收器的靈敏度要求。

缺點(diǎn)是隨著慢速鏈路的占空比增加，從而增加了由于噪聲和其他信號(hào)的干擾引起的誤差。此外，發(fā)送消息所需的時(shí)間越長(zhǎng)意味著發(fā)送器和接收器端的功耗都會(huì)增加。

也就是說(shuō)，sub-GHz通信可以幫助滿足范圍，功率和數(shù)據(jù)速率的要求。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都需要。仍然，用于數(shù)據(jù)編碼的調(diào)制方法的選擇增加了影響這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的另一層。

調(diào)制方法

通信專家多年來(lái)依靠擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)來(lái)增強(qiáng)對(duì)噪聲或干擾信號(hào)的免疫力。擴(kuò)頻技術(shù)中使用的信道編碼方法，如直接序列擴(kuò)頻（DSSS），能夠通過(guò)在擴(kuò)頻算法中建立冗余來(lái)降低發(fā)射機(jī)功率要求。

雖然這種方法可以支持非常高的數(shù)據(jù)在速率方面，它需要高帶寬載波和復(fù)雜的調(diào)制/解調(diào)信號(hào)鏈，能夠確保寬帶信號(hào)的有效傳輸和接收。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用很少需要DSSS等調(diào)制技術(shù)可能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率。此外，與傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功率要求可能使它們對(duì)低成本，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)效率降低。

這是LoRa的用武之地。由Semtech開(kāi)發(fā)，LoRa是獨(dú)特的擴(kuò)頻調(diào)制方法，具有擴(kuò)頻抗擾度的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)要求。 LoRa調(diào)制基于頻率調(diào)制的“啁啾”信號(hào)，該信號(hào)可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)（PLL）生成。

當(dāng)啟動(dòng)LoRa傳輸時(shí)，LoRa調(diào)制解調(diào)器發(fā)出前導(dǎo)碼由一系列唧唧聲組成（圖1，左）。傳輸繼續(xù)進(jìn)行一系列啁啾，這些啁啾基本上將數(shù)據(jù)編碼為啁啾信號(hào)中的頻率跳變，類(lèi)似于使用多個(gè)頻率音調(diào)來(lái)編碼M-ary FSK中的數(shù)據(jù)（圖1，右）。

圖1：此瀑布視圖（頂部的最新數(shù)據(jù)）顯示LoRa傳輸前導(dǎo)碼（左）中使用的重復(fù)啁啾聲和編碼傳輸有效載荷的啁啾聲（右側(cè)） ）。 （圖像源：Link Labs）

在接收器端，PLL可以鎖定前導(dǎo)碼以啟動(dòng)消息流的接收。由于啁啾的獨(dú)特模式，LoRa調(diào)制解調(diào)器可以檢測(cè)低于本底噪聲20 dB的信號(hào)。 LoRa技術(shù)可實(shí)現(xiàn)-148 dBm的靈敏度，可在很長(zhǎng)的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的連接。此外，LoRa調(diào)制解調(diào)器可以同時(shí)接收幾個(gè)不同的傳輸，每個(gè)傳輸僅在啁啾速率上不同。因此，它可以支持大量同時(shí)運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

LoRa網(wǎng)絡(luò)

LoRa技術(shù)獨(dú)特的調(diào)制方法是性能特征的核心，使其非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：它可以在郊區(qū)環(huán)境中超過(guò)15公里的范圍內(nèi)成功運(yùn)行，在密集的城市環(huán)境中可以超過(guò)2公里。它可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)10年的電池壽命，并且可以在包含多達(dá)100萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。此外，它支持不同的啁啾率或“擴(kuò)展因子”，使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地根據(jù)需要交換范圍或功率的數(shù)據(jù)速率，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能（圖2）。

圖2：借助LoRa技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)使用不同的擴(kuò)頻因子來(lái)交換比特率的數(shù)據(jù)范圍。 （圖像來(lái)源：Microchip Technology）

為了實(shí)現(xiàn)其所有優(yōu)勢(shì)，LoRa仍然是物理層（PHY）機(jī)制。在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)人員將其作為連接解決方案應(yīng)用的能力取決于能夠構(gòu)建在LoRa PHY上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的可用性。 LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)就是通過(guò)定義媒體訪問(wèn)控制（MAC）層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該層設(shè)計(jì)用于與LoRa PHY一起工作。 LoRaWAN規(guī)范由LoRa聯(lián)盟創(chuàng)建和維護(hù)，專為遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，提供適用于安全，低功耗無(wú)線通信的接入和控制協(xié)議。

LoRaWAN定義了一個(gè)熟悉的物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，包括終端設(shè)備，本地控制器和基于云的服務(wù)器（圖3）。在LoRaWAN術(shù)語(yǔ)中，終端設(shè)備以星型拓?fù)錈o(wú)線連接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)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)用程序服務(wù)器。

圖3：LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮峁┝艘粋€(gè)熟悉的物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，包括通過(guò)無(wú)線方式（虛線）連接到通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)的終端設(shè)備（固態(tài)（上行）到上游網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

LoRaWAN堆棧為應(yīng)用程序提供了基于LoRa的通信的標(biāo)準(zhǔn)接口（圖4）。在堆棧的底部，LoRa PHY與區(qū)域sub-GHz ISM帶寬分配協(xié)同工作。在LoRa PHY之上，LoRaWAN MAC提供熟悉的MAC層服務(wù)，包括信道訪問(wèn)和尋址。如下所述，LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)定義了上行鏈路和下行鏈路事務(wù)的特定消息格式和定時(shí)。

圖4：LoRaWAN媒體訪問(wèn)控制（MAC）建立在LoRa PHY上，定義了不同設(shè)備類(lèi)的消息格式。 （圖像來(lái)源：LoRa聯(lián)盟）

通信選項(xiàng)

LoRaWAN MAC協(xié)議旨在支持對(duì)從LoRaWAN網(wǎng)關(guān)到終端設(shè)備的下行鏈路通信有不同要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。根據(jù)LoRa聯(lián)盟的定義，LoRaWAN MAC包括三類(lèi)不同的設(shè)備，所有設(shè)備都支持雙向通信，但下行鏈路可用性不同：

A類(lèi)操作支持低功耗設(shè)備，如無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，在上行鏈路傳輸之后需要來(lái)自服A類(lèi)設(shè)備可以隨時(shí)向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，但只能在兩個(gè)窗口內(nèi)接收，每個(gè)窗口在傳輸后以指定的延遲發(fā)生（圖5）。

圖5：在默認(rèn)的A類(lèi)事務(wù)中，設(shè)備將一個(gè)LoRa兼容的消息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，然后在兩個(gè)接收窗口中監(jiān)聽(tīng)響應(yīng)的預(yù)設(shè)延遲。 （圖像來(lái)源：LoRa聯(lián)盟）

B類(lèi)操作通過(guò)附加的下行鏈路接收窗口擴(kuò)展了A類(lèi)。除了傳輸后通常的兩個(gè)短接收窗口外，B類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還在其他預(yù)定窗口監(jiān)聽(tīng)額外的下行鏈路消息。下行鏈路窗口在由識(shí)別的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)發(fā)送的信標(biāo)之后的特定時(shí)間發(fā)生。 B類(lèi)下行鏈路調(diào)度為應(yīng)用程序在特定時(shí)間聯(lián)系IoT設(shè)備提供了一種機(jī)制，而不是依賴于默認(rèn)A類(lèi)操作中可用的非確定性下行鏈路窗口。

C類(lèi)操作支持需要接近的設(shè)備 - 下行鏈路接收窗口的連續(xù)可用性C類(lèi)設(shè)備不斷監(jiān)聽(tīng)下行鏈路消息，除非它正在傳輸數(shù)據(jù)或打開(kāi)兩個(gè)默認(rèn)接收窗口。

LoRaWAN設(shè)計(jì)有多種安全功能，使用設(shè)備，會(huì)話和應(yīng)用程序加密密鑰，用于加密數(shù)據(jù)和驗(yàn)證設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。對(duì)于LoRaWAN應(yīng)用程序，終端設(shè)備可以在出廠時(shí)使用加入特定LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)所需的身份驗(yàn)證信息進(jìn)行編程，LoRaWAN稱之為“通過(guò)個(gè)性化激活”.LoRaWAN還提供“無(wú)線激活”，指定一個(gè)過(guò)程用于設(shè)備加入任何可用的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)所需的身份驗(yàn)證和授權(quán)。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接操作和安全數(shù)據(jù)通信，只有IoT設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器擁有加密秘密（圖6）。加密的消息只是由中間網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)傳送而不是處理，從而消除了它們作為壞人的有效攻擊面的用途。

圖6：在典型的LoRaWAN應(yīng)用程序中，加密密鑰僅在終端設(shè)備和應(yīng)用程序服務(wù)器中維護(hù)（綠色突出顯示）。終端設(shè)備MCU和上游IoT應(yīng)用軟件（紅色突出顯示）以純文本格式運(yùn)行，而LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（藍(lán)色突出顯示）僅查看加密數(shù)據(jù)。 （圖像來(lái)源：Microchip Technology）

簡(jiǎn)化通信

Microchip Technology旨在簡(jiǎn)化LoRaWAN通信的開(kāi)發(fā)，提供實(shí)現(xiàn)LoRa調(diào)制并提供LoRaWAN兼容性的分立模塊。 Microchip RN2903支持國(guó)際電聯(lián)1區(qū)ISM標(biāo)準(zhǔn)915 MHz頻段的LoRaWAN兼容通信。除了LoRa調(diào)制，板載收發(fā)器還支持FSK和GFSK調(diào)制，用于專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)。同樣，Microchip的RN2483提供相同的功能，支持433或868 MHz的ITU Region 2 ISM頻段。

圖7：Microchip LoRa模塊提供了用于LoRaWAN連接的插入式解決方案，包括板載命令處理器，LoRaWAN協(xié)議棧，無(wú)線電收發(fā)器和串行連接。 （圖像來(lái)源：Microchip Technology）

完全認(rèn)證的Microchip模塊包含實(shí)現(xiàn)LoRaWAN連接所需的所有組件（圖7）。模塊的命令處理器使用板載LoRaWAN固件來(lái)完全支持LoRaWAN A類(lèi)協(xié)議。板載EEPROM為L(zhǎng)oRaWAN配置參數(shù)提供存儲(chǔ)，通過(guò)減少主機(jī)和模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)提高性能并提高安全性。

結(jié)論

創(chuàng)建用于遠(yuǎn)程通信的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)人員面臨著尋找能夠滿足擴(kuò)展范圍，長(zhǎng)電池壽命和足夠數(shù)據(jù)速率要求的無(wú)線連接的挑戰(zhàn)。 LoRaWAN可以通過(guò)獨(dú)特的調(diào)制技術(shù)滿足這些需求，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)15公里的無(wú)線范圍和10年的電池壽命。盡管如此，滿足LoRaWAN的基礎(chǔ)PHY和MAC要求可以擴(kuò)展開(kāi)發(fā)資源和項(xiàng)目進(jìn)度。 Microchip Technology的RN2903 LoRa模塊為在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)LoRaWAN提供了近乎可靠的解決方案。正如我們將在第二部分中討論的那樣，終端設(shè)備連接只是完整的基于LoRaWAN的IoT應(yīng)用的一部分。

在這個(gè)由兩部分組成的系列的第2部分中，我們將討論如何實(shí)現(xiàn)Microchip RN2903。模塊使用相關(guān)代碼示例。我們還將研究其在Microchip LoRaWAN評(píng)估套件中的作用，該評(píng)估套件提供完整的現(xiàn)成LoRaWAN兼容解決方案，包括用于終端設(shè)備，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的硬件和軟件。