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对,从LoRaWAN,到LoRaLAN

来源:艾森智能 2018-09-06 17:58

在不久的将来,万亿规模的传感器将互联,形成万物互联的大规模物联网络。在逐步构建这一网络的过程中,将会有多种无线技术出现并发展成熟。无线技术的多样性源自大规模物联网场景的多样化需求。在这中间,低功耗广域网(LPWA)技术,获得了足够的关注。

LoRaWAN是LPWA网络的典型代表,它采用一种叫做LoRa的扩频调制技术,在亚洲、欧洲和北美等地区都有大量部署。该技术的特点是具有极高链路预算,可以通过单网关实现高达10公里的覆盖。即使与其他同样强调广域覆盖的LPWA技术相比,LoRa仍然具有一些优势。目前,仅在中国大陆,每年就有数千万计的传感器通过LoRa技术组网,其中,越来越多为LoRaWAN网络。

LoRaWAN优势

低功耗和覆盖范围广是LoRaWAN技术的主要特点,同时,LoRaWAN的产业链已经非常成熟,从芯片、模组、到网关和云服务,都有相当多的厂家、代理商、集成商在提供专业的产品和服务。这使得LoRaWAN能够以低成本快速形成网络覆盖。这是LoRaWAN得以流行的关键。“快速”反映了当今社会信息技术的快节奏发展,“低成本”则对成本敏感的早期项目,尤其是概念验证项目尤为重要。

LoRaWAN的另一特点是协议开放。开放的协议促进了产业生态的萌发。加上其他替代网络技术未能快速真正成熟,使得LoRaWAN在某种程度上成了早期LPWA的事实标准。 LoRaWAN这些优势促成了该技术的流行。据艾森智能LoRaWAN平台业务loraFlow.io的统计,其支撑的LoRaWAN应用场景涵盖包括农业、环境、能源、制造、城市管理和生活服务等诸多行业和领域。

LoRaWAN面临的挑战

即便是一门炙手可热的技术,我们在设计和运营LoRaWAN的过程中仍然遇到一些局限性。我们的客户也常常面对一些困惑。比如,很多客户会将LoRaWAN用于采集和监控一些传感器读数。这些读数会被周期刷新,一般认为这些读数偶尔丢失也不会引起严重的后果。一个监控电子产品生产流水线工作参数的传感采集监控系统就是这样一个例子。

这个系统中,多种传感数据被采集和监视,包括流水线环境温湿度,以及一些用于流水线生产过程的特殊气体压力等。在构建物联网之前,这些数据未被采集,或者靠人工以很低的频率(比如一天两次)进行巡检采集。通过联网,这些数据每天都会多次被采集并上传到监控中心或云端,支持业务。

LoRaWAN的一个局限性在于很难提供确定性保障。在上面的例子中,人们最开始对传感数据丢失持容忍态度,然而,随着时间发展,数据丢失会变得敏感。这种情况可能发生,比如,工厂的信息化和自动化程度加深,裁剪了一些可以容忍错误的人工环节。

此时,监控系统不再是业务系统一个“可有可无”的伴生系统,而是需要相互协作的有机体,成为业务系统的一部分(如SCADA业务的一部分)。在这种情况下LoRaWAN变得不再适应。LoRaWAN的另外一个局限在于容量非常有限。这是受其底层调制技术和简单的介质访问协议共同制约的。然而,底层调制技术与介质访问协议同时也是LoRaWAN得以“流行”的一个优点。因此,可以这样解释,当LoRaWAN的优点与其使用场景不再相匹配,或者这些优点在使用场景不再如此关键时,LoRaWAN就不再具有优势。这种场景在我们与客户的业务实践中越来越多的出现,并促使我们提出了新的解决方案——LoRaLAN。

LoRaLAN解决方案

LoRaLAN在诸多方面改进了LoRaWAN。

物理层

在物理层调制技术方面,LoRaLAN采用2.4G LoRa调制技术。与LoRaWAN的调制技术相比,它们都采用相同的扩频技术,但是LoRaLAN支持更快的扩频因子(SF5,SF6,SF7),信道带宽也从LoRaWAN的125KHz提高到了最高1.6MHz。调制方式的改变带来网络速率和网络容量两个数量级的提升。

调制参数的变化也带来了更低的功耗。因此,同样的业务场景中,采用LoRaLAN能够数倍的提升电池寿命,或者同样的电池寿命下支持更频繁的数据采集。

介质访问技术

LoRaLAN采用了基于TSCH(Time Sync Channel Hopping)技术的介质访问技术。LoRaLAN的TSCH技术具有几个主要特征:

  • 链路级可靠技术,提供100%的消息可靠性保障
  • 先进的时钟同步技术,即使在低精度振荡器(50ppm)上也能可靠同步
  • 支持跳频,有效防止干扰和多径衰减
  • 支持多网关联合组网,设备自动切换
  • 支持设备移动
  • 支持Class A和Class C类设备,Class A设备可以长时间休眠,不影响同步
  • 频谱利用高效。支持网关动态调度无线资源,支持预分配固定周期资源。对动态调度资源和固定周期资源实现无冲突访问

安全性

LoRaLAN采用比LoRaWAN更安全的加密技术,包括支持双向认证的会话密钥分发机制,以及基于AES128 CBC的加密技术,能更好的防止重放攻击和差分攻击。

网络管理

网络管理对规模部署IOT网络是一个值得关注的问题。在LoRaWAN中,网关和终端设备一般需要事先规划好网络参数,包括频点和SF选择。这些参数一旦固化就很难改变。 对于LoRaLAN中,网络参数可以在云端动态调整,一旦变化,终端能够在几秒钟之内发现并建立新的同步。云端可以管理多个网关,终端还能自动根据网关的信号质量和负载程度选择一个最佳网关加入网络。

LoRaLAN云服务

LoRaLAN的设计者,深圳市艾森智能技术有限公司,是一家专注提供物联网云服务的创新企业,也是LPWA行业的知名企业,其多个LoRaWAN端到端的解决方案吸引了全球众多对对技术和服务有高标准的行业客户。LoRaLAN的设计正是基于其长期设计和运营LoRaWAN的经验积累。艾森智将提供LoRaLAN从模组、网关到云端数据服务的端到端的整体解决方案。

senzFlow.io是艾森智能新一代IOT云平台,具备3大主要技术特征

  1. 灵活的接入能力。支持多协议接入,支持任意数据格式。senzFlow.io支持的协议包括LoRaLAN,LoRaWAN,WiFi以及NB-IoT等其他协议。任何数据格式均可接入,也支持完整的数据格式转码能力。
  2. 支持快速生成应用。senzFlow.io支持具备通过声明式的语法在线创建应用的能力,同时提供易用的交互式控制台UI完成所有操作。senzFlow.io同时提供完整的IOT能力API,支持客户生成更复杂的私有业务系统。
  3. 具有端到端的安全性。端到端的安全性要求物联网全链路不存在安全漏洞,包括无线协议,接入网回传链路,云端接口等。以LoRaLAN为例,在无线协议设计中采用了比LoRaWAN更安全的加密技术,包括支持双向身份认证的安全的密钥交换技术,以及基于AES 128 CBC的全空口消息加密技术。

结论

LoRaLAN和LoRaWAN,同属于低功耗物联网技术,适合在园区,小区,矿场,农场等场所提供运营部署。相比LoRaWAN,LoRaLAN缩小了单点覆盖范围,但是大大提高了网络带宽,提升了网络容量,并进一步降低了设备功耗。

LoRaLAN相比其他物联网技术,如同属2.4G技术体系的ZigBee和WirelessHART,LoRaLAN仍然具有明显的覆盖能力优势。同时,LoRaLAN具有低成本,低延迟的特点,能支持确定性业务。结合艾森智能IOT云服务,用户可以快速的构建可靠的,具有相当网络容量的IOT网络,并支撑一部分敏感业务。