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LoRa® 在物聯技術環伺中嘗試走出自己的道路

 

Posted on 三月 27, 2018

作者:黃景茂 - 群登科技

前言

  隨著物聯網技術(IoT)這幾年被高度關注,耳熟能詳如 NB-IoT、LTE-M、 WiSUN及 Sigfox等市場上有非常多的技術與相關推廣聯盟爭相競逐; LoRa®技術在全球也有許多的佈建與關注,本文將針對LoRa®技術的發展狀況與推廣導入做詳細的介紹。

LoRa® 與 LoRaWAN™

  網路科技的發展一日千里,伴隨著對裝置通訊的需求被大量重視,以較少頻寬、低功耗、長距離及大量裝置連接需求為主所發展的通訊領域 LPWAN(長距離低功耗廣域網路,Low Power Wide Area Network)有著顯著的發展,這些基於免費頻段 Sub-1G Hz 運作的技術更是快速興起,其中 Semtech 於 2013年 8 月宣布推出一系列基於啁啾展頻(Chirp Spread Spectrum,CSS)調變的 LPWAN 晶片取名為 LoRa®,名稱來自英文Long Range的含意縮寫。吸引許多目光,筆者於2014年接觸到這個產品,對於其優異的傳輸距離印象非常深刻。CSS 採用線性調頻擴頻調制技術,保有原本FSK技術的低功耗特性但明顯的增加了傳輸距離。主要的特性數據為:

  1. -148 dBm極佳的接收感度(RF Sensitivity) 與 168 dB 的鏈路預算(Link Budget)。
  2. RF 輸出功率為 +14 ~ +20 dBm,內建放大器。
  3. 接收操作電流 9.9 mA
  4. 支援 FSK,OOK等調變運作
  5. 自動射頻載波(RF carrier)偵測
  6. 資料傳輸速率: 0.29 ~ 37 Kbps,使用頻寬為 125,250與500KHz(參考圖一)。

      目前LoRaWANTM為一個開放規格且開放原始碼的通訊協議,目前最新版本為 v1.1。相關技術規格與原始碼網址如下:

         LoRa® Alliance 官網 : https://www.lora-alliance.org/

         Open Source 位置 : https://github.com/Lora-net

 

拆解LoRaWANTM

可以將LoRaWAN TM技術簡單歸納成兩個面向:

(1) 從實體網路基礎建設佈建與裝置關係來看。LoRa® 技術基於星狀(Star)的網路拓譜架構(圖二)。表一則歸納了目前LoRa®網路所需的設備與其功能。

(2) LoRaWANTM 通訊協議。如圖二所示,目前終端裝置與閘道器間的通訊就 MAC層的行為模式分為三大類別(Class)。在通訊協議中星狀拓蹼資料傳輸方向分為上行(Uplink)與下行(Downlink)。上行代表裝置對閘道器發送資料。反之,下行為閘道器對裝置發送資料。圖三簡述此三種類別的收發行為。

 

LoRaWANTM裝置的啟動入網方式

  前面已經說明裝置在做傳輸時運作的類別,接下來說明LoRaWANTM 如何接受並啟動傳輸資料的入網機制,此部分可以思考成裝置合法與否的確認機制。目前有兩種啟動方式,分別為 ABP 與 OTAA兩種。

 

LoRaWANTM認證

  LoRa®聯盟為了實現將來為數眾多的物聯網裝的相容性,透過制定各區域或國家地區的統一通訊規範。讓各區域不同國家製造商所生產的LoRaWAMTM裝置實現互通, 這些區域規範都是參考各國家區域的LPWAN無線頻段安規所制定。此一標準規範彙整於LoRaWANTM文件 Regional Parameters 中,目前最新版本為 v1.1。表三為目前LoRa®聯盟所訂定的國家或區域的頻道規範簡單整理說明。

  接下來針對 EU868、US915、AS923與 CN470等主要的區域規範做進一步的說明。目前大多數國家針對免費頻段多規範使用於 ISM(Industrial Scientific Medical) 頻段或者 RFID頻段中,各區域的介紹將以各區域中的使用頻段,頻道資訊,傳送速率及安規等重點項目做整理說明。

[1] EU 863-870MHz ISM Band

 

[2] US 902-928 ISM Band

 

[3] AS923 ISM Band

 

[4] CN 470-510MHz Band

 

LoRaWANTM 系統整合實例

  前面章節已經介紹了LoRaWANTM 的架構及各項協議規範,此章節將透過一個簡單的LoRaWANTM網路的建構作為LPWAN實際應用概念性驗證(Proof  Of Concept) 範例。如前面圖二所示,一個LoRa®網路可以是電信業者等級如亞太電信等營運商等級的LoRa基礎建設,也可以依單一區域、工廠、社區或者家庭為基礎來進行佈建,這部分的特性是目前 NB-IoT等  3GPP 制定的協議較不易實現的架構。表六 列出了此一基礎建置所需的設備列表。

  閘道器部分目前國內外有非常多廠商可供選擇,同時很多廠商都有提供內建伺服器的閘道器產品。基本的硬體配備大多為:

(1) 上行支援頻道數 8或16頻道

(2) 下行頻道 1~2 頻道

(3) 具備Ethernet 或 WiFi 介面

(4) 支援 GPS以及3G/4G網卡擴充功能。軟體部分大多支援UDP packet forwarder、MQTT、RESTful 等通訊協議,提供外部伺服器或者應用程式進行資料存取。戶外型的閘道器大多配備高增益天線與防水功能。

  LoRaWANTM裝置以模組而言目前市面上有兩大類,分別為COB(Chip On Board) 的模組,與透過晶粒(Die) 堆疊與封裝的SiP(System in Package) 設計。SiP是將LoRa®晶片與微處理器(MCU)甚至GPS晶片等晶粒透過3D堆疊封裝成一顆晶片的設計, 此類設計最大的優點在於整個產品的尺寸減少非常多,更讓應用面產品設計較為精簡與單純。圖六針對市面上模組與SiP模組尺寸外觀做簡單比較,可以看出兩者之間物理尺寸的差異。

  建構一個POC階段的LoRaWANTM網路架構並沒有想像中的複雜與困難。透過國內外廠商多款內建伺服器的閘道器搭配AcSiP基於Arduino平台為基礎的LoRa®智慧積木,或者任何相容於LoRaWANTM協議的終端裝置,可以快速地建構一個區域性LoRaWANTM網路,透過Arduino平台豐富的感應器(Sensors)支援裝置與龐大社群的軟體資源,可以快速的建構應用的架構雛型來驗證各式各樣的物聯網應用 。 圖七所示透過簡單的閘道器裝設與一台PC或伺服器建置出一個落地的LoRa®網路,終端裝置透過LoRa®無線射頻將感應器資料發送給室內型或戶外型閘道器; 應用層面則可以透過PC或伺服器的軟體架設對閘道器進行資料存取與儲存,亦可以透過閘道器發送控制封包給裝置端進而建構完整的雙向傳輸網路。

  目前內建伺服器的閘道器非常普遍,同時支援多種物聯網資料存取協議,比如基於 TCP/IP協議已變成ISO標準的 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport), RESTful(Representational state transfer) API等。可以透過這些協議搭配Python 或者 Node-red 等直覺性的開發工具, 快速的建構出各種應用情境與架構。目前以群登的LoRa®智慧積木銷售套件為例。圖七中閘道器部分,可以自由選擇搭配兩家室內型LoRa®閘道器生產廠商的產品,終端部分套件裡有基於Arduino處理器平台且內建了溫度、濕度及三軸加速器等感應裝置。 同時預留了許多周邊介面跟GPIO讓使用者可以方便的整合各種所需的感應器。亦附有電池以便於不方便接電的環境下仍能進行資料收集。圖八介紹透過  Node-RED 直覺式的程式撰寫搭配MQTT等元件實作的IoT dashboard範例, 所有相關程式碼均為開源方式提供。

 

LoRa®效能實測

  無線射頻訊號傳輸距離在環境中會有許多變因造成傳輸效能降低,不考慮太複雜的影響變因下,目前LoRa®技術經實測確實有極佳的抗干擾性,在接收靈敏度也有相當不錯的表現。圖九顯示從石門水庫大壩沿著大漢溪空曠河谷採用 0 dBi天線下測得傳輸距離最遠可達16公里,在空曠處有非常好的傳送效能。另外,在都會區的測試部分,將閘道器架設於桃園新光大樓10樓位置,約可以涵蓋半徑大約 2公里上下的範圍傳輸。不過,在真實場域可能會因為建物的阻隔等環境影響而有增減。整體而言,實測數據顯示LoRa®技術在傳輸距離上確實有不錯的表現。

 

LoRa®如何面對NB-IoT等技術的挑戰

  面對NB-IoT 等新技術威脅,LoRa® 仍然小心翼翼的面對,硬體方面新一代更為便宜,尺寸更小且效能更佳的晶片也將於今年三月份上市,希望透過較低的成本價格、效能與功耗的改良、輔以降低應用設計複雜度等面向調整,期待能以更有競爭力與良好性價比的產品線保持競爭力。2018年1月 Semtech 於美國CES 所揭露的新一代LoRa®晶片就是基於這些基礎所推出的新產品。圖十為SX126X的功能結構圖,與2013年所發表的前一代晶片相比有許多新的設計與效能部分的提升。

  主要聚焦的功能與改善為:(1)晶片尺寸減少了 45%,新晶片尺寸 4mm x 4mm (2)接收模式的功耗降低了 50%,原9mA降至 4.6mA  (3) 傳輸距離增加 20% (4) 同一顆晶片支援全球Sub-1G頻段的使用,頻率範圍為 150-960MHz(4) 為減低應用的開發的複雜度,導入協議引擎(Protocol Engine),透過硬體實作的協議引擎搭配 256 Bytes的資料緩衝區(Data Buffer)提供使用者應用程式介面(Application Programming Interface)的擴展命令,應用開發者可以用更精簡的程式達到LoRa®程式的開發。 原廠資料顯示處理器只需要用10行程式碼就能編寫出LoRa®傳輸與接收的功能  (5)針對中、短無線涵蓋範圍應用且需要較多裝置收發資料的應用需求,增加了展頻因子SF5 (Separating Factor 5)的速率,藉由提高實際的LoRa® 傳輸速率,進而增進頻道的利用率,讓閘道器可以支援更多裝置的資料傳輸。 前述的這些改進設計揭露了LoRa®   面對新技術的競爭與挑戰,持續的改善成本與效能,希望開闢出一塊屬於自己在物聯網市場的一片天地。

  另一方面,就組建整個LoRaWANTM 網路的軟體協議的部分,LoRa® 聯盟於去年提出了v1.1 的新版本,對於協議的穩定性、以及未來更大量裝置的網路建構所面臨的問題,新協議在網路的安全機制、 新的區域規範提出、核心伺服器後端介面(Back-end Interfaces)與伺服器間資料交換規範等均做了改進設計。 主要的項目有: (1) LoRaWANTM裝置在不同LoRa®營運商(Operator)間的漫遊(Roaming)機制部分,除原有的被動式漫遊基礎下增加了跨營運商的切換漫遊(Handover Roaming)機制 (2) 終端裝置Class B 完整傳輸方案 ; Class A 與 Class C的動態切換 (3) 因應未來移動裝置漫遊的需求,增加了入網伺服器( Join Server)的設置,提供漫遊時裝置切換LoRa®營運商時可以進行裝置的資格與特性等參數的確認 (3) 安全部分AES 加密的金鑰由原來的三把擴充為五把,讓資料的完整性與安全信更為嚴謹 (4) 空中線上升級(Firmware Upgrade Over-the-Air),物聯網裝置數量非常龐大,需類似手機平板等行動裝置,能透過無線的方式進行必要的軟體更新。FUOTA也是物聯網技術不可或缺的功能。

  根據LoRa® 聯盟 2017年度報告的資料顯示,在整個 2017年取得LoRaWANTM認證的產品或模組數目較2016年增加51個,成長率為 176%。另全球新增的LoRaWANTM網路增加了31個,成長率為100%。目前超過100個以上國家有提供LoRa®網路服務,營運商等級的會員有 54 家。聯盟成員也穩定增加。以數據來看是呈現持續成長的態勢。與NB-IoT 相較,因為LoRa®較早進行推廣與應用導入,現階段在成本與成熟度仍有一些優勢。可以簡單的建構私有化的網路依舊吸引許多系統商與應用商的投入。不可諱言使用免費頻段有較嚴重的干擾問題存在,但是在物聯網技術的競逐舞台上,LoRa®後續的發展,還是值得持續關注。

 

*以上資料來源 (群登科技-黃景茂)

刊載於新通訊 2018 年 3 月號 205 期 《封面故事》

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