LoRa以及LoRaWAN在无线传感器网路上的评估
简介：LoRa是一种新型的为低功率，通过未授权频谱，进行长距离操作而设计的ISM（IndustrialScientificMedical）频段无线技术。LoRaWAN是将LoRa无线通信包含进网络基础设施的一种广域网协议。我们对其技术的户内与户外表现，无线物理层技术以及多网关广阔区域网络通信的情况在格拉斯哥（苏格兰）的CBD进行了评估。最终结果展示了这项技术能够作为一个面向低成本遥感应用的可靠的连接。
1.介绍
当需要提供M2M（机器到机器）构建网络给传感器和其他设备时，这里有许多取决于特定环境下有效的技术。对于附近的设备，这里的附近可以是几米到几百米，构建网络能够通过使用线缆，蓝牙，wifi区域，zigbee或者其他的短距离技术。如果地点十分遥远并且线缆不是一种合适的选择，并且如果设备或者数据有足够的价值，那么可以使用移动网络调制解调器或者卫星调制解调器构成连接。在这两种情况，即附近低价和远处高价之间，这里就会有许多的令人敏感的（sensitive）情形，即成本效益不足以满足手机网络连接的费用而且距离对已有的ISM频段技术过远。随着M2M构建网络的拓展，或者随着物联网（IoT）的越来越知名，那么就会出现在低成本远距离领域的技术之间的竞争。
A.有竞争力的技术
LoRa技术：LoRa是由Semtech公司注册商标的，一种新型ISM频段远距离低功耗技术其中之一的技术。另一种新兴技术是SigFox，一种基于签署协定的网络服务，SigFox公司在许多城市和地区都有建立的基站。低成本的SigFox无线电设备能够并入一个传感器系统，并且能够打包传送十几字节的数据到基站，即SigFox能够路由流量到达数据的所有者。每天都会有大量的数据包取决于付费签署协定的等级而进行传输。另外一种有竞争力的技术是On-Ramp，对比于LoRa和SigFox，它是一种完全合适的网络解决方案，它因为对于基站的要求所以有着更显著的优势。这里也有更远距离的ZigBee，nWave——一种由超窄带软件定义的无线电以及许多更小的设备。在许多国家，即将或者已经要关闭2G或者3G移动网络，他们已经着重于在4G网络，它是一种更提倡使用NBIoT，即一种M2M通信在授权的移动网络频段的窄带物联网服务、LTE-MTC（长期演进机器类别通信，现在是LTE-M）和NB-LTE-M这些有竞争力的移动技术。这些移动网络技术将会填满由于低功耗低成本2G M2M技术离去所造成的空白。
B. LoRa和LoRaWAN操作
LoRa无线技术使用的是啁啾扩频（CSS）调制，对于不同的扩散系数（SF）和频宽进行选择，继而优化调制使其能够满足距离和数据的要求。LoRa使用的ISM频段为433MHz，868MHz或者915MHz，频段的选取取决于划分频段为不同渠道的管辖权。扩散系数和频宽的组合牺牲了速度以换取距离。 在欧洲传输功率被限定在14dBm全向等效辐射功率（EIRP），即占空比被限制在1%。取决于调制以及传输功率，链路预算（link budget）能达到156dB。
LoRaWAN（由LoRa联盟注册的商标）是将作为物理层的LoRa无线技术进行级联的一种协议。LoRaWAN终端（LoRa Motes）的信号通过空气传播到网关，网关将接收器和集中器结合，能够解码10个并发传输，网关紧接着与网络服务器进行通信。
如果一个LoRaWAN终端传输的信号被多个网关检测到，那么由网络服务器作出决定以使用哪一个网关来发出回应（acknowledgement）（如果需要的话）。网络服务器传输数据包到“应用服务器”，接着应用服务器传输数据通过用户服务器。空中下载（OTA,over the air）认证就发生在应用服务器。应用服务器允许将许多的终端聚集在一起形成一个“应用（application）”。这样用户就能够拥有大量不同类型的终端并且能够在不同的地点使用到。这个“应用”是一群相关联的终端的有管理的组合（administrative grouping），一个“应用”有它自己的加密密钥。
图1 LoRaWAN的拓扑逻辑，终端可以属于任何一台网关
C.评估目的
考虑到这是一个新型的技术，在有许多新闻稿以及发布合资企业公告的情况的时候，这项技术的使用和有效性的实际经验几乎没有。这个评估计划是作为一项实际练习来培养LoRa和LoRaWAN在特定环境下性能和可靠性的熟悉感（familiarity）。
- 测试
有关LoRa无线技术和LoRaWAN的评估是在格拉斯哥的CBD里进行的，这里的环境是新型混凝土和玻璃材质的大楼以及最多只有七层的旧式砂石材质的大楼的混合体。这个区域包含了平坦的溪流平原，向后由许多小山，这些山的高度大概在溪流平面以上的50米。
- LoRa无线技术测试
LoRa无线技术使用的是对称RF网络连接，即使用两个带有相同天线Semtech SX1272收发器，用以测试范围。一个收发器安装在格拉斯哥卡里多尼亚大学校园七楼顶部的升降机房上面。这个单元（unit）由一个Arduino处理器控制，并且作用为一个信标发射器（beacon transmitter），另外一个收发器是作用在一个移动单元里。这个移动单元包含了一个树莓派，一个3G-GPS模块，一个SX-1272和一个TTi可携带式频谱分析仪。其中SX1272使用的是Libelium USB适配器。树莓派记录连接数据，GPS数据使用的是Python脚本。频谱分析仪是用在测量有效的附近RF能量的有关研究项目。这个记录单元是放在一个背包内进行携带，它接受并且记录顺序标号的信标消息（beacon message），同时它还记录接收到的信号的强度以及地点。为了能够最大化接收范围，使用的是高接收灵敏度的调制模式（modulation mode）。最终结果的数据记录在了CBD的地图之上。数据通过步行的方式收集，并且由于天气的原因在时间上有所限制。树莓派通过3G网络连接到网络服务器，通过智能机能够浏览到开放街区地图，在此RSSI信息能够展示并且标记，同时与GPS一起构成使用者反馈。
B. LoRaWAN测试
LoRaWAN测试是通过将Multitech mDot设备作为移动设备而进行的。mDot包括了一个LoRa无线芯片，一个ARM处理器，LoRaWAN协议桩和一个“AT”命令接口（command interface）。为了在格拉斯哥进行测试，mDot设备通过FTDI 5V USB线接入树莓派。这个树莓派也与3G/GPS单元相接用来记录现在的地点。网关使用的是Kerlink设备，包含一个Semtech LoRa SX1301集中器芯片，一个处理器和一个移动网络调制解调器。网关能够通过使用有线网络或者通过移动网络与网络服务器连接。在测试中这里存在一个有线网关和通过不同移动操作系统与移动网络连接的两个网关。网关放置在乔治摩尔大楼（格拉斯哥卡里多尼亚大学）、詹姆斯威尔大楼（思克莱德大学）和空中花园1号（skypark 1）的顶部。不幸的是，在一些测试中，空中花园的网关由于屋顶作业暂时性地移至到了室内。终端设备通过Stream Technologies公司的物联网平台操作激活，作为面向应用服务器的终点。移动单元设置为传输有序标号的数据包并且记录收到ACK的成功与否。数据包能够在两种调制模式中转换，以达到合适的范围和重复率。网络服务器记录所有来自不同网关发送包含大量元数据在内的数据包以用来描述传输状况。以携带记录单元在背包里面步行的方式来收集数据，同时数据也能通过人为记录不同时间和方位的大楼的方式进行收集。通过网络服务器同时还有移动设备收集到的数据会被记录下来然后有序地加载进入数据库。
C．可靠性测试
这项测试通过使终端长时间重复发送信息进行，这个单元被编程以不断地通过大量的扩散系数和通道进行重复。这个随后更改为仅仅去测试扩散系数。传输率通过扩散系数和占空比测定。来自一个终端对一个网关的起始数据被用以进行分析，随后测试更改为一个终端与一个网关距离1.9千米，同时与另一个网关距离2.1千米，进行通讯的多网关情况。
- 结果
- LoRa无线技术性能
全部结果标记在网上交互式地图，即下方图2的粗略图。在山下远离信标发射机的地方，远方的单元仍然能够在2.2千米远的地方接收信息传输（向南的方向）。向北的接收器会在穿越过一座山之后大概1.6千米的地点失去联络。
图2 LoRa范围测试结果的地图概括图，整张地图能够看到LoRa的位置，并且能够从菜单中进行选择
向东的方向和向西的方向并没有完全进行探索，但是也在地图上标下了2千米长的一条线。虽然仍然能够接收到数据包，但是山脉似乎会阻拦掉一些信号。在行人地下通道或者垂直街道中传输的接收效果会比在直行的街道中传播的接收效果要差。开阔的区域比有着高楼的街区的接收效果普遍的要好。
- LoRaWAN性能
比起一个网关，多个网关在不同地点上的操作更易被检测到。发现了几个有问题的观测点，包括一个100米地下通道（亚皆街，中心站），因为GPS无法记录这个LoRaWAN进行通信的地点。
图3 LoRaWAN网络操作系统，来自交互地图的粗略图。标记指的是终端，与网关的连线表示进行传输
- 可靠性测试
关于可靠性最初的结果展示了一个终端传输成功的连接，以及ACK接收效果在超过1.9千米连接后，所有的传输因子将少于42%。起初不知道如果是这种结果的话到底是好是坏，再通过RSSI数据得知似乎是更高的百分比应该会更成功。关于连接时间的分析展示了如果一个小时或者更久没有连接是存在巨大阻碍的。这种连接丢失（connection loss）通常发生在午夜。这个测试重复使用两个网关，然后连接成功率提高到了70%，但是这里仍然存在一个大的时间差。网关是由移动网络进行操作的，但是在被说明没有一个移动网络停电的情况下每晚都会发生掉线（drop out）的情况。大量的原因包括移动网络的潜在性因素、RF干扰因素以及网络服务器因素都会被怀疑到。由于网络服务器是指引着一个网关到另一个网关的流向，所以它不太被怀疑成为原因。RF干扰通过使用频谱分析仪进行着监视，网关IP潜在因素通过使用从网关到网络服务器的ICMP脉冲进行监视。很快通过脉冲发现了原因，LoRaWAN连接率上升到了95.5%，并且在剩下的4.5%中有2.5%是由于数据到达了目的地但是终端没有接收到ACK数据。停电的原因似乎是移动网络供应商的一项侵略性的（aggressive）不活动断开政策。然而来自SF测试的结果是十分有用的，它们没有记录在这里，因为这个百分数有可能会误导给出移动网络连接有问题的结论。在以后这些测试会继续进行重复的。
D. 室内连接
如果一个网关放置在同一楼层，户内接收效果是非常好的，它的接收效果比-70dBm还好。如果网关被安置在屋顶，那么屋顶下的网关会迅速接收到600米以外的网关发来的指令。在更低的楼层，终端会接收当地屋顶上的网关和远处的网关同时发来的指令。在一些完全封闭的楼层连接会丢失。外部空间的接收效果比中央走廊的接受效果要好。
- 讨论
这项测试确定了影响LoRaWAN功性能的一些重要但是来自于外部的因素。网关的移动网络连接的不可靠性和在网关和网络服务器之间UDP的使用意味着不仅仅是传感器数据，关于网络功能的信息也会丢失。较次重要的是数据包丢失很小的哪怕只有1%的数据，可能造成一些长时间的（10秒），宽带（2MHz）调制信号居中的频段，大概在868MHz附近，会在一些情况下被观测到。这种信号的源头还没有被确定。在不同的时间下，网关会被观测到如最初设计一般地解调并发传输数据。
- 结论amp;未来的工作
总的说来这次的结果还是非常激动人心的。在大量网关的情况下，网络的覆盖范围虽然到达了一些被认为是有些问题的地方。在信号传输过程中地形同时还有楼群的密度扮演了十分显著的角色。移动网络连接问题现在正在被估计并且也对这个问题考虑着不同的解决方案。不久，通过对操作上的深度研究和网络的性能的研究，这个问题很快就能解决得更多。这将包含了在终端功能耗费上的研究，以及定制调制（tailor the modulation）方法和优化终端使用功率的传输功率的能力。
LoRa低功耗大范围网络技术的性能以及规模的分析
低功耗广泛区域网络（LPWANs）代表了一种关于无线通信技术革命的新型趋势。与传统的宽带不同的是，这些系统比那个不关注于让每个设备能够进行高数据速率的传输。而是其中至关重要的性能指标是要求（defined）这些系统是节能，大范围并且有很强的覆盖能力。
今天的LPWANs通常被看作有终端和基站组成的移动网络。这些终端连接到基站，并且接收基站的指令，这样就组成一种星型网络。通常，一个终端只与一个基站通信而不与其他的终端通信。与传统移动网络那种为了大量下载流量远超过上传流量的方式不同的是，对于LPWANs来说上传流量占了主宰地位。
今天有几种具有竞争性的LPWAN技术屹立在市场上。第一选择是超窄带SigFox技术，其在868/902MHz的免费授权的工业 ，科学和医疗（ISM）无线电频段进行操作。这个公司既做技术同时也做服务器供应商，并且已经在欧洲部署了它的许多基站。另一种选择是Weightless技术，它包括了三项协议。Weightless-W是设计用来在470MHz-790MHz电视白空间频谱之间进行操作，能够提供1kbit/s-10Mbit/s流量给连接预算和设置。Weightless-P主要是提供超高的LPWAN连接性能。这项技术能够在12.5kH
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资料编号：[3976]
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