物联网的远程低功耗通信问题及如何安全地实现它

低功耗无线网络是关键的推动因素对于物联网（IoT）而言，蓝牙，ZigBee，Wi-Fi或蜂窝等熟悉的选项缺乏扩展范围和电池寿命的可接受组合。为了解决这个问题，我们提供了新的sub-GHz规范，其中一个是LoRaWAN。

LoRaWAN可以在功耗水平低至15千米的范围内实现10年的电池续航时间。此外，现成的开发套件的可用性使设计人员能够以最小的努力快速启动完整的LoRaWAN网络应用。

本文将介绍sub-GHz通信的优势，检查重要的调制方案的作用，并介绍LoRaWAN的物理和媒体访问控制层的描述，以及它的安全功能。最后将简要介绍Microchip Technology的RN2903 LoRaWAN模块。

Sub-GHz优势

高频连接选项可提供高数据速率，但在可接受的功率范围内具有有限的范围水平。对于需要扩展范围的功率受限设计，低频操作是首选方法。频率越低，将特定链路预算维持在指定范围所需的功率越小，如Friis传输方程所示：

低频传输通常会转换为较低的数据速率，但物联网应用很少会出现大量的吞吐量要求。此外，较低的数据速率以降低的错误率的形式带来了另一个优势，从而降低了接收器的灵敏度要求。

缺点是随着慢速链路的占空比增加，从而增加了由于噪声和其他信号的干扰引起的误差。此外，发送消息所需的时间越长意味着发送器和接收器端的功耗都会增加。

也就是说，sub-GHz通信可以帮助满足范围，功率和数据速率的要求。大多数物联网应用程序都需要。仍然，用于数据编码的调制方法的选择增加了影响这三个关键参数的另一层。

调制方法

通信专家多年来依靠扩频调制技术来增强对噪声或干扰信号的免疫力。扩频技术中使用的信道编码方法，如直接序列扩频（DSSS），能够通过在扩频算法中建立冗余来降低发射机功率要求。

虽然这种方法可以支持非常高的数据在速率方面，它需要高带宽载波和复杂的调制/解调信号链，能够确保宽带信号的有效传输和接收。物联网应用很少需要DSSS等调制技术可能达到的最大数据速率。此外，与传统扩频技术相关的设计复杂性和功率要求可能使它们对低成本，电池供电的物联网设计效率降低。

这是LoRa的用武之地。由Semtech开发，LoRa是独特的扩频调制方法，具有扩频抗扰度的一些优点，同时简化了设计要求。 LoRa调制基于频率调制的“啁啾”信号，该信号可以通过相对简单的分数N锁相环（PLL）生成。

当启动LoRa传输时，LoRa调制解调器发出前导码由一系列唧唧声组成（图1，左）。传输继续进行一系列啁啾，这些啁啾基本上将数据编码为啁啾信号中的频率跳变，类似于使用多个频率音调来编码M-ary FSK中的数据（图1，右）。

图1：此瀑布视图（顶部的最新数据）显示LoRa传输前导码（左）中使用的重复啁啾声和编码传输有效载荷的啁啾声（右侧） ）。 （图像源：Link Labs）

在接收器端，PLL可以锁定前导码以启动消息流的接收。由于啁啾的独特模式，LoRa调制解调器可以检测低于本底噪声20 dB的信号。 LoRa技术可实现-148 dBm的灵敏度，可在很长的范围内实现强大的连接。此外，LoRa调制解调器可以同时接收几个不同的传输，每个传输仅在啁啾速率上不同。因此，它可以支持大量同时运行的物联网设备。

LoRa网络

LoRa技术独特的调制方法是性能特征的核心，使其非常适合物联网应用：它可以在郊区环境中超过15公里的范围内成功运行，在密集的城市环境中可以超过2公里。它可以实现超过10年的电池寿命，并且可以在包含多达100万个节点的网络中运行。此外，它支持不同的啁啾率或“扩展因子”，使设计人员能够灵活地根据需要交换范围或功率的数据速率，以优化网络性能（图2）。

图2：借助LoRa技术，物联网开发人员可以通过使用不同的扩频因子来交换比特率的数据范围。 （图像来源：Microchip Technology）

为了实现其所有优势，LoRa仍然是物理层（PHY）机制。在实际的物联网应用中，开发人员将其作为连接解决方案应用的能力取决于能够构建在LoRa PHY上的网络协议栈的可用性。 LoRaWAN标准就是通过定义媒体访问控制（MAC）层来实现的，该层设计用于与LoRa PHY一起工作。 LoRaWAN规范由LoRa联盟创建和维护，专为远程物联网应用而开发，提供适用于安全，低功耗无线通信的接入和控制协议。

LoRaWAN定义了一个熟悉的物联网层次结构，包括终端设备，本地控制器和基于云的服务器（图3）。在LoRaWAN术语中，终端设备以星型拓扑无线连接到网关，网关通过IP网络连接到中央网络服务器。网络服务器可以兼作IoT应用程序服务器或连接到一个或多个单独的应用程序服务器。

图3：LoRaWAN网络拓扑提供了一个熟悉的物联网层次结构，包括通过无线方式（虚线）连接到通过IP网络连接的网关的终端设备（固态（上行）到上游网络服务器和应用程序服务器。 （使用Digi-Key Scheme绘制的图表 - 它）

LoRaWAN堆栈为应用程序提供了基于LoRa的通信的标准接口（图4）。在堆栈的底部，LoRa PHY与区域sub-GHz ISM带宽分配协同工作。在LoRa PHY之上，LoRaWAN MAC提供熟悉的MAC层服务，包括信道访问和寻址。如下所述，LoRaWAN标准定义了上行链路和下行链路事务的特定消息格式和定时。

图4：LoRaWAN媒体访问控制（MAC）建立在LoRa PHY上，定义了不同设备类的消息格式。 （图像来源：LoRa联盟）

通信选项

LoRaWAN MAC协议旨在支持对从LoRaWAN网关到终端设备的下行链路通信有不同要求的物联网应用。根据LoRa联盟的定义，LoRaWAN MAC包括三类不同的设备，所有设备都支持双向通信，但下行链路可用性不同：

A类操作支持低功耗设备，如无线传感器节点，在上行链路传输之后需要来自服A类设备可以随时向网关传输数据，但只能在两个窗口内接收，每个窗口在传输后以指定的延迟发生（图5）。

图5：在默认的A类事务中，设备将一个LoRa兼容的消息发送到网关，然后在两个接收窗口中监听响应的预设延迟。 （图像来源：LoRa联盟）

B类操作通过附加的下行链路接收窗口扩展了A类。除了传输后通常的两个短接收窗口外，B类物联网设备还在其他预定窗口监听额外的下行链路消息。下行链路窗口在由识别的LoRaWAN网关发送的信标之后的特定时间发生。 B类下行链路调度为应用程序在特定时间联系IoT设备提供了一种机制，而不是依赖于默认A类操作中可用的非确定性下行链路窗口。

C类操作支持需要接近的设备 - 下行链路接收窗口的连续可用性C类设备不断监听下行链路消息，除非它正在传输数据或打开两个默认接收窗口。

LoRaWAN设计有多种安全功能，使用设备，会话和应用程序加密密钥，用于加密数据和验证设备对网络的访问。对于LoRaWAN应用程序，终端设备可以在出厂时使用加入特定LoRaWAN网络所需的身份验证信息进行编程，LoRaWAN称之为“通过个性化激活”.LoRaWAN还提供“无线激活”，指定一个过程用于设备加入任何可用的LoRaWAN网络所需的身份验证和授权。

对于网络连接操作和安全数据通信，只有IoT设备和应用服务器拥有加密秘密（图6）。加密的消息只是由中间网关和网络传送而不是处理，从而消除了它们作为坏人的有效攻击面的用途。

图6：在典型的LoRaWAN应用程序中，加密密钥仅在终端设备和应用程序服务器中维护（绿色突出显示）。终端设备MCU和上游IoT应用软件（红色突出显示）以纯文本格式运行，而LoRaWAN网关和网络服务器（蓝色突出显示）仅查看加密数据。 （图像来源：Microchip Technology）

简化通信

Microchip Technology旨在简化LoRaWAN通信的开发，提供实现LoRa调制并提供LoRaWAN兼容性的分立模块。 Microchip RN2903支持国际电联1区ISM标准915 MHz频段的LoRaWAN兼容通信。除了LoRa调制，板载收发器还支持FSK和GFSK调制，用于专有网络协议设计。同样，Microchip的RN2483提供相同的功能，支持433或868 MHz的ITU Region 2 ISM频段。

图7：Microchip LoRa模块提供了用于LoRaWAN连接的插入式解决方案，包括板载命令处理器，LoRaWAN协议栈，无线电收发器和串行连接。 （图像来源：Microchip Technology）

完全认证的Microchip模块包含实现LoRaWAN连接所需的所有组件（图7）。模块的命令处理器使用板载LoRaWAN固件来完全支持LoRaWAN A类协议。板载EEPROM为LoRaWAN配置参数提供存储，通过减少主机和模块之间的数据传输来提高性能并提高安全性。

结论

创建用于远程通信的物联网设备开发人员面临着寻找能够满足扩展范围，长电池寿命和足够数据速率要求的无线连接的挑战。 LoRaWAN可以通过独特的调制技术满足这些需求，该技术可实现15公里的无线范围和10年的电池寿命。尽管如此，满足LoRaWAN的基础PHY和MAC要求可以扩展开发资源和项目进度。 Microchip Technology的RN2903 LoRa模块为在物联网设备设计中实现LoRaWAN提供了近乎可靠的解决方案。正如我们将在第二部分中讨论的那样，终端设备连接只是完整的基于LoRaWAN的IoT应用的一部分。

在这个由两部分组成的系列的第2部分中，我们将讨论如何实现Microchip RN2903。模块使用相关代码示例。我们还将研究其在Microchip LoRaWAN评估套件中的作用，该评估套件提供完整的现成LoRaWAN兼容解决方案，包括用于终端设备，网关和网络服务器的硬件和软件。