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LoRa基础知识与生态链

2019-6-26 13:40:33 显示全部楼层
LoRa是如何诞生的?

LoRa其实是一种非常简单的连接的技术,基于FSK,有0和1两个频率,用两个振荡器就可以把0和1传出去,接收端可以解码。目前,LoRa 主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。

早年间很多公司都能做FSK,Semtech也在做,做了十几年已经做到了世界领先。“但后面越来越多人做FSK,Semtech就想怎样把这个技术延伸开来。于是Semtech、Actility和IBM Research在苏黎世共同制定了物联网的规范。”自2014年以来,这几家公司合作设计了LoRaMAC,在不改变发射功率的前提下,把功耗降到非常低,传输距离做到一般FSK的3-5倍距离,LoRa就这样诞生了。

2015年2月,LoRa联盟成立于巴塞罗那移动世界大会。 LoRaMAC被重新命名为“LoRaWAN”,成为LoRa联盟成员的规范。

摘自:
LoRaWAN介绍 - LoRa从业者读这篇就够了 
LoRa网络结构     https://blog.csdn.net/iotisan/article/details/69939241, https://blog.csdn.net/DreamBitByBit/article/details/79889561    
LoRa基础知识     https://blog.csdn.net/m0_38134493/article/details/72724600 
当今国际贸易形势下,LoRa在中国还有机会吗?
LoRa在中国最不缺需求和客户,但是缺… https://www.eet-china.com/news/201905232035.html

LoRa生态链及其中国力量

从技术上看,LoRa仅仅是物理层的一种调制技术,为了能够将LoRa技术更好推广,Semtech(LoRa技术拥有者)主导成立的LoRa联盟(LoRa Alliance)制定了以LoRa技术为基础的组网、端到端的通信业务的协议标准—LoRaWAN。在LoRa联盟成员的努力下,在全球100个国家和地区共部署了超过9000万个LoRa节点,成为一种市场选择的主流物联网连接技术,LoRaWAN更形成了“LoRa芯片-模组-传感器-基站或网关-网络服务-应用服务”完整产业链。

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LoRaWAN产业链  图片来源:网络

LoRa芯片是整个LoRaWAN产业链的起点和核心,而LoRa芯片的底层技术的核心专利掌握在Semtech公司手里,芯片或模组企业通过向Semtech授权IP进行LoRa芯片开发,或者直接采用Semtech芯片做SIP级芯片开发。目前,全球仅有意法半导体(STM)和阿里云IOT(芯片由ASR实现)两家获得LoRa的IP授权,其它如微芯科技(Microchip)、深圳华普、国民技术、群登科技等通过获得Semtech晶圆的方式,推出SIP级芯片或者模组。

LoRaWAN是以MAC层为主的一套协议标准,提供了多信道接入、频率切换、自适应速率、信道管理、定时收发,节点接入认证与数据加密、漫游等特性。有了这个标准之后,LoRaWAN就变成一种网络技术,可将其用于不同的协议和不同网络架构。

目前,中国有包括中兴通讯、腾讯、阿里巴巴、中国联通、铁塔公司、贵州广电等重量级玩家加入LoRa物联网领域,其中阿里巴巴、腾讯等互联网巨头均以最高级别会员身份加入LoRa联盟。

●阿里巴巴不仅获得Semtech的授权,可以开发LoRa芯片,把芯片导入光宝科技、海华科技等模组大厂,更开发了LinkWAN核心网管理平台,改变目前LoRa管理平台各自为战的局面,形成平台合力,成为对整个LoRa的网关和节点设备进行有效管理的核心网平台;

●腾讯在深圳与当地合作伙伴共同建立一个LoRaWAN网络,为各种物联网应用和终端用户(如政府公共服务)提供从设备、边缘到云端的LoRaWAN一体化解决方案;

●联通物联网公司也表示联通正在打造一个基于LoRa的统一云化核心网或者LoRaWAN连接管理平台,在偏远地区、公共事业管理等方面,考虑LoRaWAN业务的落地;

●以克拉科技为主导力量的中国LoRa应用联盟(CLAA)其联盟成员已经增加到了1200多家。

我们看到,中国企业已经深度参与到LoRaWAN生态链的每个环节,尤其在应用落地方面,依托中国庞大的市场和CLAA成员的努力,2018年中国市场LoRa芯片出货量占全球一半以上,中国已成为LoRa产业生态最大的市场。


LoRa基础知识

1.什么是LoRaWAN?

LoRaWAN是LoRa Wide Area Network(LoRa广域网)的简称,是基于LoRa技术的一种通信协议。它主要包括三个层次的通信实体:LoRa终端、LoRa网关和LoRa服务器。

2.LoRa协议层次

LoRa整个网络协议层如图所示: 12.png                                                                                        
Application为应用层,常见的LoRaWAN协议即为LoRaMAC协议,协议定义的终端类型有ClassA、ClassB、ClassC三种类型,其主要差别ClassA上行触发下行接收窗口,只有在上行发送了数据的情形下才能打开下行接收窗口;ClassB定义ping周期,周期性进行下行数据监测;ClassC尽可能多地监测下行接收,基本只有在上行发送时刻停止下行接收;协议要求每个终端必须支持ClassA,而B、C为可选功能,同时在支持ClassC功能的终端上无需支持classB类型。

Class A B C介绍

Class A

双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信,每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求,其微调是基于一个随机的时间基准(ALOHA协议)。A所属的终端设备在应用时功耗最低,终端发送一个上行传输信号后,服务器能很迅速地进行下行通信,任何时候,服务器的下行通信都只能在上行通信之后。

Class B

具有预设接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口,为了达到这一目的,终端设备会同步从网关接收一个Beacon,通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。

Class C

具有最大接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口,只在传输时关闭。

3.LoRa网络结构

LoRa整体网络结构分为终端、网关、网络服务、应用服务几个功能。终端节点可以同时发给多个基站,一般LoRa终端和网关之间可以同过LoRa无线技术进行数据传输,而网关和核心网或广域网之间的交互可以通过TCP/IP协议,当然可以是有线连接的以太网,亦可以为3G/4G类的无线连接。为了保证数据的安全性、可靠性,LoRaWAN采用了长度为128比特的对称加密算法AES进行完整性保护和数据加密。
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星型拓扑结构
32.png
LoRaWAN中Server模块按照功能可以细分为Join server、Application server和Network Server,实际中可以是一个物理整体。Join Server用于终端设备的请求网络服务能力时的激活流程,Netwrok Server负责和网关及终端的MAC数据交互,Application Server为应用层服务端。

4.终端节点的加网

终端节点有两种加网方式:Over-the-Air Activation(空中激活方式OTAA),Activation by Personalization(独立激活方式ABP)。

OTAA激活流程需要准备三个参数:DevEUI,AppEUI,AppKey

DevEUI:类似于设备的MAC地址,标识唯一终端设备。

AppEUI:标识唯一的应用提供者,比如垃圾桶监测应用、烟雾报警器应用等,都具有自己的唯一ID。

AppKey:是一个AES-128的应用密钥,由该应用程序所有者分配给终端设备,从每一个应用独立的根密钥中推演出来。每当一个终端设备通过加入过程加入网络时,AppKey用于推演出为终端设备定义的会话密钥NwkSKey和AppSKey,用于网络通信的安全。而应用密钥用于保障应用的端到端安全。

终端在发起加网join流程后,发出加网命令,NS(网络服务器)确认无误后会给终端做加网回复,分配网络地址 DevAddr(32位ID),双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey,产生会话密钥NwkSKey和AppSKey,用来对数据进行加密和校验。

如果是ABP激活,则比较简单粗暴,直接配置 DevAddr,NwkSKey,AppSKey 这三个LoRaWAN最终通讯的参数,不再需要join流程。在这种情况下,这个设备是可以直接发应用数据的。

5.数据收发


LoRaWAN规定的数据帧类型有Comfirmed(需要应答)和Unconfirmed(不需要应答)两种。另外,为支持应用多样性,除了用AppEUI来划分应用类型外,在数据传输时也可以利用FPort应用端口来对数据分别处理。FPort的取值范围是(1-223),由应用层指定。



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