LoRa 論文讀後摘要 : 運用 LoRa 技術實現 IoT 平台之開發

今天找到一篇關於 LoRa 的碩士論文 :

# 運用 LoRa 技術實現 IoT 平台之開發 (義大, 2017, 吳柏穎)

我經常上碩博士論文網站下載論文電子檔, 學術論文第二章的文獻回顧是吸取知識的很棒來源, 因為撰寫者在寫文獻回顧前須看過很多書籍與論文, 然後將相關知識消化後濃縮在這一章裡. 本篇論文之文獻回顧摘要如下 :

1. 物聯網的三層結構 :
   (1). 應用層 : 負責資料演算與處理
   (2). 網路層 : 負責資料送收
   (3). 實體層 : 負責環境感測與資料收集
2. 三個 ISM 免費 (毋須授權) 頻段 :
   (1). 915MHz : 僅 region2 (美洲) 可用
   (2). 2.4GHz : 最早開放, 非常壅塞
   (3). 5.8GHz : 高頻段適合短距離高傳輸量應用 (例如 WiFi)
3. 三種無線傳輸技術比較 :
   (1). WiFi : 高傳輸量但耗電
   (2). Bluetooth : 傳輸量佳但處於 2.4GHz 頻段易受干擾
   (3). Zigbee : 網路架構優但傳輸量低
4. LPWAN (Low Power Wide Area Network) : 位於 Sub-GHz 頻段可實現遠距離低功耗與低傳輸量的廣域無線網路 (例如 LoRa 或 SigFox), 可用較低成本來實現廣域網路, 其特點為 :
   (1). 電池壽命長 (一般超過十年)
   (2). 開箱即可廣域連接
   (3). 低成本晶片與網路
   (4). 受限之資料吞吐量 (物聯網終端不需要傳輸大量資料)
5. LoRa 無線調變技術最早為 Cycleo 公司於 2010 年發明, Semtech 半導體於 2012 年收購 Cycleo 並為 LoRa 添加 MAC 層以便將其擴展到物聯網應用上, 此 MAC 層被稱為 LoRaWAN.
6. LoRa 以 chirp spread spectrum 技術調變, 此技術與一般無線技術所使用的 FSK 調變方式一樣具有低功耗特性, 但通訊距離與靈敏度卻明顯高出許多. 
7. LoRaWAN 通常使用星狀 (Star) 拓樸網路結構, 終端節點設備的訊息會被上傳到周遭所有的 Gateway 中繼節點設備, Gateway 會彼此溝通由誰將資料透過有線或無線網路上傳端雲端伺服器並向終端送出 ACK 信號, 終端設備不需要挑選哪個 Gateway 來收發資料, 因為將複雜與耗電的運算都交給 Gateway 處理, 從而讓這些以電池運作的終端設備更省電. 
8. LoRa 內部網路傳遞資料採用的是一種稱為 ALOHA system 的非同步傳輸協定 :
   (1). 終端設備有資料要傳送時會立即送出, 接收端收到後會回應 ACK 信號給終端.
   (2). 若接收的資料有誤則回應 NACK 信號.
   (3). 若兩個終端設備同時傳送資料 (碰撞), 兩者會各自等待一個隨機時間後再次送出. 
9. 由於可能有數以百萬計的終端設備,  LoRaWAN 定義了 Class A, B, C 三種協議來解決衝突問題 :
   (1). Class A :
   A 類終端設備允許雙向溝通 (uplink/downlink), 每個終端之上傳鏈路發送窗口帶有兩個下傳鏈路接收窗口, 且下傳鏈路只會在上傳鏈路結束後打開一小段時間, 因此 A 類終端最省電, 但下載延遲大且資料傳輸穩定性較差, 當終端設備多時容易形成資料雍塞現象.
   (2). Class B :
   除了隨機接收窗口外, B 類終端會在預定時間打開額外的窗口, 以便接收來自 Gateway 之同步信號, 因此 Gateway 能夠知道哪個終端在聆聽, 且時間同步特性可避免資料雍塞問題, 但是比 A 類終端耗電.
   (3). Class C : 
   C 類終端幾乎是連續打開其接收窗口, 僅在發送時關閉, 因此最耗電, 但可隨時接收資料且資料傳輸穩定性最佳. 

雖然內容不太多, 但也提供了一些基礎知識.