低功耗無線網絡是關鍵的推動因素對于物聯網（IoT）而言，藍牙，ZigBee，Wi-Fi或蜂窩等熟悉的選項缺乏擴展范圍和電池壽命的可接受組合。為了解決這個問題，我們提供了新的sub-GHz規范，其中一個是LoRaWAN。

LoRaWAN可以在功耗水平低至15千米的范圍內實現10年的電池續航時間。此外，現成的開發套件的可用性使設計人員能夠以最小的努力快速啟動完整的LoRaWAN網絡應用。

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

Sub-GHz優勢

高頻連接選項可提供高數據速率，但在可接受的功率范圍內具有有限的范圍水平。對于需要擴展范圍的功率受限設計，低頻操作是首選方法。頻率越低，將特定鏈路預算維持在指定范圍所需的功率越小，如Friis傳輸方程所示：

低頻傳輸通常會轉換為較低的數據速率，但物聯網應用很少會出現大量的吞吐量要求。此外，較低的數據速率以降低的錯誤率的形式帶來了另一個優勢，從而降低了接收器的靈敏度要求。

缺點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的干擾引起的誤差。此外，發送消息所需的時間越長意味著發送器和接收器端的功耗都會增加。

也就是說，sub-GHz通信可以幫助滿足范圍，功率和數據速率的要求。大多數物聯網應用程序都需要。仍然，用于數據編碼的調制方法的選擇增加了影響這三個關鍵參數的另一層。

調制方法

通信專家多年來依靠擴頻調制技術來增強對噪聲或干擾信號的免疫力。擴頻技術中使用的信道編碼方法，如直接序列擴頻（DSSS），能夠通過在擴頻算法中建立冗余來降低發射機功率要求。

雖然這種方法可以支持非常高的數據在速率方面，它需要高帶寬載波和復雜的調制/解調信號鏈，能夠確保寬帶信號的有效傳輸和接收。物聯網應用很少需要DSSS等調制技術可能達到的最大數據速率。此外，與傳統擴頻技術相關的設計復雜性和功率要求可能使它們對低成本，電池供電的物聯網設計效率降低。

這是LoRa的用武之地。由Semtech開發，LoRa是獨特的擴頻調制方法，具有擴頻抗擾度的一些優點，同時簡化了設計要求。 LoRa調制基于頻率調制的“啁啾”信號，該信號可以通過相對簡單的分數N鎖相環（PLL）生成。

當啟動LoRa傳輸時，LoRa調制解調器發出前導碼由一系列唧唧聲組成（圖1，左）。傳輸繼續進行一系列啁啾，這些啁啾基本上將數據編碼為啁啾信號中的頻率跳變，類似于使用多個頻率音調來編碼M-ary FSK中的數據（圖1，右）。

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

在接收器端，PLL可以鎖定前導碼以啟動消息流的接收。由于啁啾的獨特模式，LoRa調制解調器可以檢測低于本底噪聲20 dB的信號。 LoRa技術可實現-148 dBm的靈敏度，可在很長的范圍內實現強大的連接。此外，LoRa調制解調器可以同時接收幾個不同的傳輸，每個傳輸僅在啁啾速率上不同。因此，它可以支持大量同時運行的物聯網設備。

LoRa網絡

LoRa技術獨特的調制方法是性能特征的核心，使其非常適合物聯網應用：它可以在郊區環境中超過15公里的范圍內成功運行，在密集的城市環境中可以超過2公里。它可以實現超過10年的電池壽命，并且可以在包含多達100萬個節點的網絡中運行。此外，它支持不同的啁啾率或“擴展因子”，使設計人員能夠靈活地根據需要交換范圍或功率的數據速率，以優化網絡性能（圖2）。

圖2：借助LoRa技術，物聯網開發人員可以通過使用不同的擴頻因子來交換比特率的數據范圍。 （圖像來源：Microchip Technology）

為了實現其所有優勢，LoRa仍然是物理層（PHY）機制。在實際的物聯網應用中，開發人員將其作為連接解決方案應用的能力取決于能夠構建在LoRa PHY上的網絡協議棧的可用性。 LoRaWAN標準就是通過定義媒體訪問控制（MAC）層來實現的，該層設計用于與LoRa PHY一起工作。 LoRaWAN規范由LoRa聯盟創建和維護，專為遠程物聯網應用而開發，提供適用于安全，低功耗無線通信的接入和控制協議。

LoRaWAN定義了一個熟悉的物聯網層次結構，包括終端設備，本地控制器和基于云的服務器（圖3）。在LoRaWAN術語中，終端設備以星型拓撲無線連接到網關，網關通過IP網絡連接到中央網絡服務器。網絡服務器可以兼作IoT應用程序服務器或連接到一個或多個單獨的應用程序服務器。

圖3：LoRaWAN網絡拓撲提供了一個熟悉的物聯網層次結構，包括通過無線方式（虛線）連接到通過IP網絡連接的網關的終端設備（固態（上行）到上游網絡服務器和應用程序服務器。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

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

圖4：LoRaWAN媒體訪問控制（MAC）建立在LoRa PHY上，定義了不同設備類的消息格式。 （圖像來源：LoRa聯盟）

通信選項

LoRaWAN MAC協議旨在支持對從LoRaWAN網關到終端設備的下行鏈路通信有不同要求的物聯網應用。根據LoRa聯盟的定義，LoRaWAN MAC包括三類不同的設備，所有設備都支持雙向通信，但下行鏈路可用性不同：

A類操作支持低功耗設備，如無線傳感器節點，在上行鏈路傳輸之后需要來自服A類設備可以隨時向網關傳輸數據，但只能在兩個窗口內接收，每個窗口在傳輸后以指定的延遲發生（圖5）。

圖5：在默認的A類事務中，設備將一個LoRa兼容的消息發送到網關，然后在兩個接收窗口中監聽響應的預設延遲。 （圖像來源：LoRa聯盟）

B類操作通過附加的下行鏈路接收窗口擴展了A類。除了傳輸后通常的兩個短接收窗口外，B類物聯網設備還在其他預定窗口監聽額外的下行鏈路消息。下行鏈路窗口在由識別的LoRaWAN網關發送的信標之后的特定時間發生。 B類下行鏈路調度為應用程序在特定時間聯系IoT設備提供了一種機制，而不是依賴于默認A類操作中可用的非確定性下行鏈路窗口。

C類操作支持需要接近的設備 - 下行鏈路接收窗口的連續可用性C類設備不斷監聽下行鏈路消息，除非它正在傳輸數據或打開兩個默認接收窗口。

LoRaWAN設計有多種安全功能，使用設備，會話和應用程序加密密鑰，用于加密數據和驗證設備對網絡的訪問。對于LoRaWAN應用程序，終端設備可以在出廠時使用加入特定LoRaWAN網絡所需的身份驗證信息進行編程，LoRaWAN稱之為“通過個性化激活”.LoRaWAN還提供“無線激活”，指定一個過程用于設備加入任何可用的LoRaWAN網絡所需的身份驗證和授權。

對于網絡連接操作和安全數據通信，只有IoT設備和應用服務器擁有加密秘密（圖6）。加密的消息只是由中間網關和網絡傳送而不是處理，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應用程序中，加密密鑰僅在終端設備和應用程序服務器中維護（綠色突出顯示）。終端設備MCU和上游IoT應用軟件（紅色突出顯示）以純文本格式運行，而LoRaWAN網關和網絡服務器（藍色突出顯示）僅查看加密數據。 （圖像來源：Microchip Technology）

簡化通信

Microchip Technology旨在簡化LoRaWAN通信的開發，提供實現LoRa調制并提供LoRaWAN兼容性的分立模塊。 Microchip RN2903支持國際電聯1區ISM標準915 MHz頻段的LoRaWAN兼容通信。除了LoRa調制，板載收發器還支持FSK和GFSK調制，用于專有網絡協議設計。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協議棧，無線電收發器和串行連接。 （圖像來源：Microchip Technology）

完全認證的Microchip模塊包含實現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固件來完全支持LoRaWAN A類協議。板載EEPROM為LoRaWAN配置參數提供存儲，通過減少主機和模塊之間的數據傳輸來提高性能并提高安全性。

結論

創建用于遠程通信的物聯網設備開發人員面臨著尋找能夠滿足擴展范圍，長電池壽命和足夠數據速率要求的無線連接的挑戰。 LoRaWAN可以通過獨特的調制技術滿足這些需求，該技術可實現15公里的無線范圍和10年的電池壽命。盡管如此，滿足LoRaWAN的基礎PHY和MAC要求可以擴展開發資源和項目進度。 Microchip Technology的RN2903 LoRa模塊為在物聯網設備設計中實現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，終端設備連接只是完整的基于LoRaWAN的IoT應用的一部分。

在這個由兩部分組成的系列的第2部分中，我們將討論如何實現Microchip RN2903。模塊使用相關代碼示例。我們還將研究其在Microchip LoRaWAN評估套件中的作用，該評估套件提供完整的現成LoRaWAN兼容解決方案，包括用于終端設備，網關和網絡服務器的硬件和軟件。