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LoRa技术特点,LoRa安全及性能测试评估

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LoRa技术特点
2020-11-05 09:58:49 阅读:13 发布人:纵横智控

LoRa简介

LoRa是由Semtech公司提供的超长距离、低功耗的物联 网解决方案。Semtech公司和多家业界领先的企业,如Cisco、 IBM及Microchip发起建立了LoRa(Long Range,广距)联 盟,致力于推广其联盟标准LoRaWAN技术,以满足各种需要 广域覆盖和低功耗的M2M设备应用要求。LoRaWAN目前已 有成员150多家,也有数家中国公司参与其中,并且在欧洲数 个国家进行了商业部署,国内也开始有了应用。

LoRa技术特点

LoRa的物理层和MAC层设计充分体现其对IoT业务需 求的考虑。LoRa物理层利用扩频技术可以提高接收机灵敏 度,同时终端可以工作于不同的工作模式以满足不同应用的 省电需求。

LoRa的网络架构和协议栈如图1所示,网络架构中包括 终端、网关、网络服务器和业务服务器等。其中终端节点包 括物理层、MAC层和应用层的实现;网关完成空口物理层 的处理;而网络服务器负责进行MAC层处理,包括自适应 速率选择、网关管理和选择、MAC层模式加载等。应用服 务器从网络服务器获取应用数据,进行应用状态展示、即时 告警等。MAC层可遵循联盟标准的LoRaWAN协议,也可以 遵循各厂商制定的MAC协议。

(1)LoRa物理层和MAC层设计 LoRa为半双工系统,上下行工作在同一频段。目前国内 单芯片支持的LoRa系统带宽为2Mbit/s,包括8个固定带宽为 125kbit/s的信道,每个固定带宽的信道之间需要125kHz的保护带,则至少需要2Mbit/s系统带宽。每个信道支持6种扩频 因子 SF7~12,扩频因子加1则增加2.5dB的接收机灵敏度。

终端采用随机信道选择方式进行干扰规避。每次终端在 进行上行数据发送或者数据重发时,都会在8个信道中随机 选择一个信道进行接入。终端和网关的通信可选用不同的速 率即不同的SF,速率的选择需要权衡通信距离或信号强度、 消息发送时间等因素,使得终端获取最大的电池寿命并使网 关容量最大化。当链路环境好的时候,可以使用较低的扩频 因子即较大的数据速率,而当终端远离网关、链路环境较差 时,可以增大扩频因子以获取更高的灵敏度,但同时数据速 率会降低。对于125kbit/s固定带宽的信道而言,数据速率从 250bit/s到5kbit/s,可以在一个相当大的范围内进行选择。

(2)终端工作模式

LoRa设计终端有三种不同的模式,即Class A、B和C, 但一个时间内终端只能工作于一个模式,每种模式可由软件 进行加载。不同的模式适用于不同的业务模型和省电模式, 目前广泛使用的为Class A类工作模式,以适应IoT应用的省 电需求。

Class A(双向终端设备):A类终端设备提供双向通 信,但不能进行主动的下行发送。每个终端的发送过程会跟 随两次很短的下行接收窗口,如图2所示。下行发送时隙是根 据终端需要和很小的随机量决定的,因此A类终端最省电。

Class B(支持下行时隙调度的双向终端):B类终端兼 容A类终端,并且支持接收下行Beacon信号保持和网络的同 步,以便在下行调度的时间上进行信息监听,因此功耗会大 于A类终端。

Class C(最大接收时隙的双向终端): C类终端仅在发 射数据的时刻停止下行接收窗口,适用于大量下行数据的应 用。相比A类和B类终端,C类终端最耗电,但对于服务器到 终端的业务,C类模式的时延最小。

LoRa技术特点

(3)LoRa网络安全

终端设备必须在与网络服务器数据交互前的一个加入 过程完成网络安全的密钥获取。终端在接入使用时需具备 以下安全信息:包括终端设备标识(DevEUI)、应用标识 (AppEUI)和AES-128应用密钥(AppKey)。其中DevEUI 是唯一标识终端设备的全球终端设备ID。AppEUI是存储在终 端设备中的全球应用程序ID,唯一标识终端设备的应用程序 提供商(即使用者)。AppKey是一个AES-128的应用密钥定 义于终端设备,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,根密钥由程序提供者知 晓并处于应用程序提供者的控制下。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,会话密钥用于网络通信的安 全保障,而应用密钥用于保障应用的端到端安全。

(4)性能测试和评估

LoRa作为LPWA技术,重点关注其覆盖、功耗和成本 等关键性能指标。 

①覆盖

由于支持扩频技术,不同的扩频因子可以实现不同的灵 敏度要求。当发射功率达到23dBm时,LoRa支持大约160dB 的MCL(最大耦合损耗),几乎达到NB-IoT等全新空口设 计的窄带物联网技术的MCL要求,可以实现深度室内覆盖目 标。LoRa系统不同扩频因子对应灵敏度见表1。 LoRa系统所处频段的干扰情况将直接影响其覆盖性 能。从目前在上海LoRa外场470MHz和915MHz频段的测试 情况看,470MHz噪声基底约为-110dBm,SF12情况下最低 SINR为15dB,则470MHz实际最小接收电平约为-125dBm, 因此实际覆盖受外界干扰影响有近10dB的损失,则相对GPRS的覆盖优势不突出。915MHz频段干扰较大,最低 RSSI达到-100dBm,无法体现覆盖优势因此不建议选择该 频段。

②容量

目前LoRa系统主要使用Class A模式,是上行触发下行 数据发送,不能进行资源调度,主要依靠在不同的信道上 跳频以避免干扰,因此随机信道选择和碰撞规避的机制都 对系统容量有影响。按业务模型为50B/2h进行上报,估算 每小时成功发送的报告数,每个LoRa网关支持约5万条上报 消息,超出了目前业界对LPWA技术的容量要求。对间距为 1km的4个网关和4000个用户的场景进行仿真,用户每半小 时上报一次120B的数据包。仿真结果如图3所示,由于终端 信道条件不同会自适应地选用适合的SF即不同速率进行通 信,对不同SF的总的信道占用情况进行统计,总信道占用 率不超过10%。

③功耗

LoRa的接收状态电流为12mA,当发射功率在14dBm 时,电流大约为32mA;而当进入Sleep状态时,电流消耗小 于1μA。而速率自适应ADR机制可以在无线条件允许时使用 更高的速率进行发送,从而使得Tx状态持续时间减少以降低 总的电池功耗。表2为不同覆盖条件且不同业务模型下,自 带5Wh电池的LoRa应用的电池寿命(以年为单位)估算。 从估算结果看,LoRa系统的功耗相对于目前的蜂窝通信系统及窄带物联网系统等都具有相当的优势。

④时延

目前广泛使用Class A的终端,即只能支持上行触发下行 发送,不能支持主动的下行业务。因此对有下行主动发送的 业务而言,LoRa并不能支持相应的业务需求。同时,对上 行的数据发送而言,如需进行数据确认,其下行的ACK必须 在上行触发的固定下行时隙进行发送。目前上下行时隙的间 隔一般设置为1s,这意味着时延至少超过1s。由于系统本身 设计没有完善的QoS机制保障可靠接收,因此其时延特性和 基于调度的蜂窝系统相比不具备任何优势。

⑤成本

LoRa目前的芯片成本约为1美金,模块成本约为5美金, 基本实现了业界对LPWA技术的要求。

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