低功耗广域网 (LPWA)

低功耗广域网技术 (LPWA；也称为LPWAN ) 使连接的设备能够以低比特率在较大的地理区域内进行通信。这是用于将传感器和控制器连接到互联网而不使用传统 WiFi 或蜂窝网络的各种技术的广义术语。

LPWA 通过一家名为 Sigfox 的法国公司正式起步 . （尽管这种发展有先兆，您可以在此处阅读。）Sigfox 在意识到蜂窝无法满足低功耗、低数据速率物联网 (IoT) 设备的需求后，开发了一种替代电信系统网络。用于智能手机等设备的传统蜂窝技术覆盖范围广，能耗高；对于较小的传输数据包，物联网设备需要较少的功率。为了更好地满足 M2M 和 IoT 设备的需求，Sigfox 创建了一种具有以下特点的新型网络技术：

• 廉价的芯片组和网络。
• 电池寿命长。
• 有限的数据通信。

Sigfox 技术使用标准无线电传输方法（移相键控，DBPSK，上行和频移键控，GFSK，下行）非常缓慢（300 波特）发送非常少量的数据（12 字节）。长距离是由于非常长且非常慢的消息而实现的。 Sigfox 将其专有的物联网解决方案商业化，现在拥有并运营一个使用其技术的网络（主要在欧洲）。

今天，Sigfox 并不是唯一一个创造 LPWA 技术的组织。 LoRa 联盟开发了 LoRa ，另一种射频技术，它使用未经许可的无线电频谱来实现设备之间的低功率、广域通信。 LoRa 仅由 Semtech 制造的芯片支持；它与 Sigfox 的不同之处在于它使用 chirp 扩频，而 Sigfox 使用窄带（或超窄带）技术。 LoRa 本身不是 LPWA 解决方案，但 LoRaWAN——一种建立在 LoRa 技术之上的协议规范——是。

许多公司，包括 Link Labs，通过在 LoRa 芯片之上构建更大的技术，寻找连接物联网设备的替代方法，利用了 LPWA 市场的快速增长。所有人都在 LPWA 领域找到了自己的定位。 LoRaWAN 和 Symphony Link 是正在积极开发和部署的两项主要技术。

• LoRaWAN 是一种使用 LoRa 调制方案构建的开放协议，该协议是为希望使用未经许可的频谱与其网络中的物联网设备进行通信的无线运营商使用而开发的。它专为具有单一运营商的大型公共网络而设计。

• Symphony 链接 还建立在 LoRa 的啁啾扩频物理层技术之上；它是 Link Labs 开发的 LoRaWAN 的替代规范。 Link Labs 为试图在企业或工业环境中销售第三方连接设备的客户提供服务。

下面我们将探讨 Link Labs 无线技术和 LoRaWAN 之间的技术差异，并介绍 Symphony Link 的高级功能。

观看我们的网络研讨会，详细了解哪种 LPWAN 技术适合您的用例。

Symphony Link 与 LoRaWAN

交响乐链接 ® 是由 Link Labs 开发的无线系统。它主要供喜欢 LoRa 系列但需要其 LPWA 系统具有高可靠性和高级功能的工业和企业客户使用。

LoRaWAN 是一种媒体访问控制 (MAC) 层协议，主要用于欧洲的移动网络。

LoRa 符号编码

Symphony Link 和 LoRaWAN 都使用 Semtech 的 LoRa 调制方案。本质上，LoRa 是一种波形。它使用啁啾扩频技术，每个符号编码多位，集成了分组和纠错，并与称为 SX1301 的强大集成基带数字信号处理器配合使用。 LoRa® 是 Semtech 的商标。 LoRa 在 LoRaWAN® 和 Symphony Link® 中扮演的角色是在第 1 层或物理层。它类似于不同系统中的频移键控或其他 PHY 技术。

OSI 数据模型

LoRaWAN 技术很有用，供应商生态系统庞大且不断增长，但它有几个限制，使其不适用于专用网络解决方案：

• 超过 50% 的数据包错误率很常见，因为 LoRaWAN 是一种异步的、基于 ALOHA 的协议，确认非常有限。 LoRaWAN、Sigfox 和其他公司使用了不适合大多数工业用例的“喷雾和祈祷”的消息传递方法。 100% 的消息确认对于大多数将收集的数据用于业务分析的组织而言至关重要。

• 只有一个网络可以在一个区域内不受干扰地运行。 在 LoRaWAN 中，所有网关，无论谁拥有或运营它们，都使用相同的频率信道。这意味着您的 LoRaWAN 网络会看到我的所有流量，反之亦然。我的服务器无法解密您的消息，但它仍然占用了容量。随着 LoRaWAN 网络的扩展，这种类型的第 2 层干扰可能会带来很大的问题。

• 更新设备几乎是不可能的 使用 LoRaWAN 无线传输固件。 LoRaWAN 声称能够进行固件升级，但当你把时间（可能是数天甚至数周）、复杂性（因为你必须完全在应用层管理固件升级）加起来时，这似乎并不合理，以及对网络性能的影响（在 LoRaWAN 网络中发送大量下行链路会导致数据包错误率飙升，因为网关经常传输 - 但节点在尝试发送消息时不知道这一点）。我们所有的大型 OEM 客户都无法或不满意将固件推向市场，他们必须亲自接触才能升级。

• 它没有真正的多播解决方案。 由于 LoRaWAN 以一对一的方式对所有流量进行加密，因此为控制系统（例如照明系统）实施多播非常困难。

• LoRaWAN 的设计围绕 1% 的占空比限制，这是由欧洲 ETSI 要求驱动的，这阻止了将 LoRaWAN 用于需要能够一次发送大量数据的系统中。 由于此限制也适用于 LoRaWAN 基站，因此其控制网络、发送命令或发送确认的能力非常有限。

• LoRaWAN 架构的占空比限制阻止中继器在该系统上运行。 但中继器对于某些公司来说是必需品，因为它们有助于降低网络基础设施要求，并且是扩展射频性能和规模的经济高效的方式。

• LoRa 无法实时控制功率和数据速率。 其通道内动态范围限制在 20 dB 左右；由于动态范围问题，靠近基站的发射机将阻止更远的节点被听到。而且由于 LoRaWAN 中的确认很少，这些消息将丢失。 （未来，如果建立覆盖范围内有许多基站的大型 LoRaWAN 公共网络，这种影响会有所缓解。） LoRaWAN 也具有自适应数据速率 (ADR)，但由于它是由服务器驱动的，如果一个节点的链接突然消失，服务器无法告诉它改变传播因子来补偿。

• LoRaWAN 安全漏洞不会对大多数用户构成重大风险，但使用预共享密钥和身份确实会造成漏洞。

• 任何运营公共 LoRaWAN 网络的人都需要获得 LoRa 联盟授予的 NetID。 由于这些仅适用于贡献者及以上成员，因此每年预算 20,000 美元以使用 LoRaWAN。

LoRa 联盟正在努力提升该技术，但就目前而言，LoRaWAN 最适合希望开发连接 LoRaWAN 公共网络的解决方案的客户。对于专用网络，我们强烈建议我们的客户使用 Symphony Link。

客户选择 Symphony Link® 而不是 LoRaWAN® 的原因

保证收到消息。

对于某些抄表应用，一定比例的未确认消息是可以的，但对于工业或企业传感器网络或控制系统，0% PER 是必需的。我们有许多 Symphony Link 客户，从财富 100 强企业到初创公司，他们试图在 LoRaWAN 上构建并失败了。 Symphony Link MAC 确认每条消息，包括上行和下行。

无线固件。

使用 Symphony Link，您可以在设备部署后更新设备上的主机固件。这是物联网发展早期的一个巨大优势，因为它使客户能够以更低的风险更快地进入市场。对于许多客户来说，这是采用 Symphony Link 的最大原因。

无占空比限制。

在欧洲，Symphony Link 使用跳频收听前通话加上自适应频率捷变频带，从而消除了占空比限制。在 900 MHz 频带中，没有占空比限制。此外，通过使用全跳频方案，终端设备可以在 900 MHz 频段中传输高达 1W 的功率。这对于电表和电灯等交流供电设备非常有用。

中继器。

由于 Symphony Link 是一种同步协议，中继器允许用户在不影响延迟的情况下显着扩展网络范围。中继器的成本比室外接入点低很多倍，因此 Symphony Link 客户可以覆盖更大的区域，而无需在基础设施上花费数千美元。它们也非常节能，因此中继器可以使用太阳能或电池供电。

服务质量。

借助 Symphony Link，网关可以控制它正在创建的网络，我们实施了服务质量分层系统，以允许具有重要流量的节点优先于具有较低优先级流量的设备。您不希望警报必须与水表竞争通道访问。

无每台设备配置。

使用 LoRaWAN 时最大的头痛可能是在设备生产时和服务器端对多个每设备加密密钥的复杂管理。使用 Symphony Link，主机设备配置对于相同类型的所有设备都是相同的，并且密钥交换通过我们基于世界级 PKI 的 Diffie Hellman AES 架构进行处理。

实时功率和数据速率控制。

在 Symphony Link 中，在每次传输之前，终端设备都会计算到网关的反向链路，并调整其传输功率和扩频因子或调制速率以进行匹配。这样，整个网络中的节点就有了平衡的链路预算。近节点正在安静而快速地传输，而远节点正在大声而缓慢地传输。 Symphony Link 中的 ADR 与优化性能和可靠性有关。 Symphony Link ADR 即时优化容量甚至比 LoRaWAN 更好。

没有安全漏洞。

通过 Symphony Link 和公钥基础设施 (PKI) 的使用，NSA 标准认为空中无线信道是牢不可破的。 PKI 还可以防止欺骗并确保基础设施的身份。

多网关共存和干扰缓解。

Symphony Link 使用由网关控制的动态通道掩码以确保尽可能少的冲突。在美国，Symphony Link 使用的频谱是 LoRaWAN 的 28 倍，在欧洲则是其 7 倍。

更高的容量。

通过使用时隙和上行链路/下行链路协调等异步功能，Symphony Link 网络的容量是 LoRaWAN 的四倍以上。如果您将其与服务质量相结合，Symphony Link 是需要它的用户的更强大的选择。

多播。

Symphony Link 实施多播会话密钥，允许对设备组进行寻址。通过逻辑地将节点组合在一起，您可以以对您的应用程序有意义的任何方式控制它们。例如，如果是照明控制，您可以将 10 个节点组合在一起并以这种方式发送和接收消息。这也是 Symphony Link 可以无线传输固件的原因。

没有与网络 ID 相关的费用。

操作 Symphony Link 网络不需要 LoRa 联盟的网络 ID。 Symphony Link 不会干扰 LoRaWAN，反之亦然。

Symphony Link 还具有其他对部分用户至关重要的独特功能，例如时间同步广播，它允许终端设备与网关的实时时钟同步，以及边缘数据的时间戳。有关这些的更多信息，请参阅下面的 Symphony Link 用例部分。

Symphony 链接协议说明

假设我们刚刚打开了 Symphony Link 网关。它做的第一件事是扫描频段并创建干扰配置文件。 （请注意，这是系统在 900 MHz 下的运行方式。对于 868，运行方式略有不同，因为信标信道是固定的，但使用的是 TDMA 方案。）

干扰扫描完成后，网关为其下行链路选择 500 kHz 信道（欧洲为 125 kHz），然后侦听该信道以确保那里没有弱 LoRa 流量，这将表明另一个 Symphony Link 网关更远选择了相同的频道。还要注意，这是自动频道选择模式；用户也可以通过我们网管软件的网管界面手动设置频道。

所以选择了这个频道，系统开始每两秒传输一次。该消息可以称为信标或帧头。这个帧头包含几个重要的信息位。

首先，此消息使用网络 ID 进行加密。这就是允许客户将其网络设为“私有”且其他 Symphony Link 用户无法使用的原因。这是在终端设备上配置的两个参数之一，另一个是Application Token，用于标识设备数据流。

第二条信息是上行/下行时间边界。这会告诉在此帧期间处于唤醒状态的节点网关何时将完成传输。由于 LoRa 是一种半双工技术，因此防止上/下冲突非常重要，这在 LoRaWAN 中非常普遍。 （LoRaWAN 网关必须在固定时间范围内响应节点的确认或下行链路请求。在此期间发送的任何 LoRaWAN 消息都不会被网关接收。在 LoRaWAN 中请求更多确认只会使问题成倍地复杂化。）

第三条信息是即将到来的上行链路帧的上行链路信道频率。由于 Symphony Link 使用“块跳跃”上行链路方法，接收器组在每一帧中跳跃，因此需要告诉节点这些信道的位置。这也是 Symphony Link 可以在给定时间拥有如此多的广播网络而不受干扰的原因。此外，由于网关告诉节点哪些通道可用，Symphony Link 可以有 1 通道、8 通道或 64 通道网关——终端节点并不关心。中继器或廉价的单通道网关可以为网络带来与更大网关相同的功能，唯一的区别是上行链路容量。此外，终端节点还有一个额外的好处是能够被动地检测网络的存在，即使在 868 和 915 上也是如此。 LoRaWAN 终端节点必须在盲态中进行传输，以查看是否有任何网络响应以了解那里是否存在网络或不;这会消耗很多能量。

网关还为该帧发送服务质量级别，以便如果网络拥塞，不太重要的节点可以在传输之前等待。

最后，网关传输压缩的确认包，其中包含对前一帧中所有消息的确认。在 LoRaWAN 中，确实发生的确认总是一对一的，当您将 LoRa 前导码添加到这些消息时，它们会占用大量带宽。通过将 ACK 压缩为一条消息，我们可以在 LoRaWAN 上节省大量时间。

节点需要与网络进行交易的附加信息包含在信息块消息中，并由网关每八帧传输一次。有关监管功率限制和网关传输功率的信息对于节点很重要，因为它们会计算每次传输的功率和扩频因子。如果网络需要用可靠性来换取容量，信息块还可以告诉节点将额外的信号余量应用于其自适应功率和数据速率计算。网关的软件版本也被传输，以防止端节点和网关之间的能力不匹配。信息块消息还可以打开或关闭节点中的先听后说模式，这仅在欧洲和日本操作时需要。此外，信息块告诉节点它是否连接到网管云，从而知道PKI服务器是否可以用于公钥源，以及节点在加入网络之前是否需要注册。这允许某些网络在与互联网完全断开的情况下运行。

假设一个节点想要向网关传输上行链路负载。由于这是一个低功耗网络，它已经完全休眠并空闲了一段时间。它将唤醒并将其接收器调谐到它最后一次听到网关的频率。它假设一些最坏情况的晶体偏移，因此在网关帧头前导开始前几毫秒开始侦听。

然后它应该检测和处理帧头消息。它了解上行链路窗口何时开始，以及哪些频率可用。

然后它在下行链路的剩余时间里休眠，除非它是“下行链路始终开启”节点，我稍后会解释。

一旦帧的下行链路部分结束，它就会从网关刚刚通告的集合中调谐到一个随机频率。在剩余的帧内是一系列时隙，每个时隙构成 10 个字节的消息有效载荷长度，加上一个先听后谈时间。

此时节点计算关闭返回网关的链路所需的功率和扩频因子。假设信号比较强，所以选择扩频因子7，发射功率0dBm。

该节点有一个 37 字节的消息要传输，因此需要 4 个子帧时隙。

现在，节点的服务质量在这一点上起着重要作用。假设网关没有抑制具有该 QOS 的节点，则 QOS 决定了节点可以占用的时隙百分比。高质量的服务每次都会选择4个子帧时隙。

在最低QOS下，一个节点每帧只允许使用一个子帧槽，所以需要4帧才能出37个字节。

但是，让我们假设 QOS 在中间，比如 8，在 0-15 的 QOS 范围内。所以它选择了 4 个插槽。

然后它回到睡眠状态，并在下一个接收确认后唤醒帧。如果与 4 个子数据包中的一个发生冲突，则只有 3 个会被确认，节点将重新传输该帧中丢失的子数据包。

由于 Symphony Link MTU 或最大传输有效载荷长度为 256 字节，因此上行一条大消息最多可能需要 26 个时隙。好消息是模块会自动重新发送丢失的任何插槽。在 LoRaWAN 中，如果要发送大约 12 个字节以上的数据，则必须在应用层处理重试和打包。想想在多个节点上实施这件事有多难。

Symphony Link 中的中继器通过在正常 Symphony 帧的上行链路部分中安装信标、下行链路、上行链路和传输消息来工作。这是因为中继器的调制速率或扩频因子比网关快 2 倍。这放弃了 3 dB 的链路，但这对于中继器来说并不是很明显，中继器可以为网络增加巨大的覆盖范围。虽然中继器的容量比网关小得多，但单个网关可以承载数十个中继器。这是一个很棒的架构，可以经济高效地覆盖大面积区域。

这些只是 Symphony Link 工作原理的基础知识。还有更多的功能，如固件传输、多播和密钥交换，但以上内容应该能让您对基本系统架构有一个很好的了解。

Symphony Link 用例

Link Labs 客户正在各种企业和工业环境中使用 Symphony Link。一些当前用例的示例包括：

• 高尔夫球场高尔夫球车的 GPS 资产跟踪。 蜂窝解决方案在这些情况下运行良好，但每月经常性费用很高。在这个用例中，实时自适应数据速率很重要，因为随着高尔夫球车的行驶，信道正在发生巨大变化。为了正常工作，跟踪设备需要能够在信道淡入淡出时实时更新功率电平和扩频因子调制率。
• 公共住房的需求响应。 热水器可以使用由 Symphony Link 系统控制的 DR 控制器进行改装。热水器实时向网关发送使用信息；当需求响应信号从互联网到达网关时，它可以在不到两秒钟的时间内关闭部分或部分热水器。
• 商业建筑能源监测。 Link Labs 模块连接到一个脉冲计数传感器，该传感器安装在整个大型建筑物的电路板上。通过建筑物中的一个接入点，您可以连接整个建筑物内的数十到数百个子服务面板，以监控电力消耗。

此外，Symphony Link 是唯一适用于以下用例的 LPWAN 技术：

• 锁定控制
• 需求响应
• 工业控制系统
• 灯光控制
• 报警系统
• 物理安全

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在 Link Labs，我们帮助设计了各种解决方案，从简单的温度探头一直到用于复杂资产跟踪系统的多传感器 GPS 加速度计。如果您想了解 Symphony Link 如何适用于您的用例，请立即安排该技术的免费演示。我们将向您展示它如何适用于您的 LPWA；如何在 Symphony Conductor 中设置网关和开发套件；并审查集成步骤、功率预算和范围。或者，如果您对该技术有任何疑问，请与我们联系。