LoRaWAN?通信良好的關(guān)鍵 —“LBT（對(duì)話前監(jiān)聽）”

如今，LoRaWAN?已經(jīng)不再是一個(gè)生僻的新術(shù)語了。它是專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的一種低功耗廣域網(wǎng)，通過開源技術(shù)，可以使 LoRaWAN?信號(hào)在免授權(quán)的頻段上傳輸。LoRaWAN?技術(shù)的傳輸距離比 Wi-Fi 和藍(lán)牙更遠(yuǎn)，它也成為了如今許多新物聯(lián)網(wǎng)解決方案的首選技術(shù)。另外，LoRaWAN?在室內(nèi)也能很好地運(yùn)行，這一點(diǎn)對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)來說意義重大。

LoRaWAN?其實(shí)是定義網(wǎng)絡(luò)通信和架構(gòu)的上層協(xié)議棧。更具體來說，它是一個(gè)帶有網(wǎng)絡(luò)層組件的媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議，主要是指網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)如何通過它傳輸。那么這個(gè)協(xié)議內(nèi)部設(shè)備之間的通信到底是如何發(fā)生的呢？

LoRaWAN?協(xié)議內(nèi)部設(shè)備間如何通信？

LoRaWAN?設(shè)備之間的通信方式雖然有很多種，但比較受歡迎且用得較多的是“基于純 ALOHA”的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。那是什么呢？ALOHA 是一種多路訪問協(xié)議，一般用于通過共享網(wǎng)絡(luò)通道來傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)景中，在開放系統(tǒng)互連（OSI）模型的 MAC 子層中運(yùn)行。這其實(shí)是一個(gè)十分簡(jiǎn)單的協(xié)議，其中來自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù)流通過多點(diǎn)傳輸通道進(jìn)行傳輸。

簡(jiǎn)單是 ALOHA 受歡迎的主要原因，但如果應(yīng)用到大型部署時(shí)，它并非數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。在純 ALOHA 中，傳輸時(shí)間是連續(xù)的，每當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，它就立刻發(fā)送。但數(shù)據(jù)包中存在沖突就會(huì)比較麻煩，如果這時(shí)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)也同時(shí)在傳輸，該幀就會(huì)被銷毀，而且發(fā)送方等待重新傳輸?shù)臅r(shí)間量也是隨機(jī)不確定的。這就有可能導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失和傳輸延遲。

雖然 LoRaWAN?可以免費(fèi)使用，但仍然有一些規(guī)定限制。為確保每個(gè)人都可以訪問并安全使用，很多國家和地區(qū)的政府都從國家層面的做了一定的限制。例如：韓國頻率法規(guī)對(duì) LoRaWAN?每個(gè)子頻段的設(shè)備規(guī)定了特定的占空比。LoRaWAN?使用的大多數(shù)通道的占空比低至 2%，日本也有具體要求。在這些國家和地區(qū)，如果要訪問免授權(quán)頻道的設(shè)備，LBT（對(duì)話前監(jiān)聽）是強(qiáng)制要求的，在這些國家和地區(qū)需要在傳輸前執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)暢通信道評(píng)估（CCA）。

什么是 LBT，它是如何工作的？

標(biāo)題中的 LBT（對(duì)話前監(jiān)聽）并不是文字游戲，也不是噱頭。LBT 可以解決很多創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的兩個(gè)主要問題：

• 由于嚴(yán)格的準(zhǔn)入規(guī)定而無法進(jìn)入該國市場(chǎng)
• 由于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包沖突導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失

正如我們說的，要想在韓國和日本銷售和使用的設(shè)備，集成 LBT 功能是必須的。沒有它，這類設(shè)備就無法得到這些國家和地區(qū)合法運(yùn)營所需的認(rèn)證。這個(gè)問題倒是比較容易解決，更大的問題其實(shí)是數(shù)據(jù)丟失。

解決這一問題的方法實(shí)際上就是 LBT 本身的性質(zhì)。LoRaWAN?協(xié)議使多個(gè)用戶可以共享同一頻道，啟用 LBT 后，設(shè)備會(huì)持續(xù)監(jiān)控通道，使其只在通道未使用時(shí)進(jìn)行傳輸。因?yàn)樾枰谑褂妙l道之前應(yīng)用 CCA（空閑信道評(píng)估）檢查。也就是說：一個(gè)設(shè)備首先要傳輸它的數(shù)據(jù)（進(jìn)行通話），不過前提是它需要確保信道是空閑的（進(jìn)行監(jiān)聽）。

根據(jù)不同國家和地區(qū)的特定法規(guī)，CCA 可以使用兩種方法中的任意一種進(jìn)行。Jorge Ortín、Matteo Cesana 和 Alessandro Redondi 在他們的論文《用 LBT 增強(qiáng)LoRaWAN?的表現(xiàn)》中解釋了 LBT 的兩種不同實(shí)現(xiàn)方式：基于能量檢測(cè)的物理層 LBT 和基于第 2 層幀解碼的 MAC 層 LBT。他們還提出了一個(gè)馬爾可夫框架來評(píng)估 LoRaWAN?在這種設(shè)置下的數(shù)據(jù)提取率和傳輸上行鏈路消息所經(jīng)歷的平均延遲的性能。

這篇論文挺有趣的，文章探討了在 LoRaWAN?中使用 LBT 方法來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能的可能性，因?yàn)?LoRaWAN?采用基于純 ALOHA 的 MAC 方案之前已經(jīng)被證明存在性能瓶頸了。而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，最大信道的利用率卻只有 18.4%。

是否需要使用 LBT 其實(shí)也是是由設(shè)備本身決定的。MAC 級(jí)別定義了三類終端設(shè)備。A 類設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)使用基于簡(jiǎn)單隨機(jī) ALOHA 的接入?yún)f(xié)議在上行鏈路中傳輸，而且只有在上行鏈路傳輸之后才能在下行鏈路中接收流量；B 類設(shè)備可以定期喚醒以接收預(yù)定的下行數(shù)據(jù)流量；C 類設(shè)備持續(xù)收聽，并且通常由市電供電。

在撰寫本文時(shí)，A 類設(shè)備是市場(chǎng)上普及率最高的設(shè)備。為了限制 ISM 頻段中的干擾，如果運(yùn)行 ALOHA 接入?yún)f(xié)議或采用對(duì)占空比沒有限制的對(duì)話前監(jiān)聽方法，A 類設(shè)備必須在歐洲以低于 1% 的占空比運(yùn)行。

因此，“監(jiān)聽”是在物理層或 MAC 層完成的，各有優(yōu)缺點(diǎn)。那么“對(duì)話”部分呢？

在《無數(shù)據(jù)丟失的 LoRaWAN?中：研究不同通道訪問方法的性能》這一文章當(dāng)中，F(xiàn)rank Loh、Noah Mehling 和 Tobias Ho?feld 很好地解釋了關(guān)于減少數(shù)據(jù)丟失的不同數(shù)據(jù)傳輸方法的研究結(jié)果。在那里，他們解釋了 LBT 通常使用的原則 — 退避策略。在設(shè)備使用 LBT 發(fā)送消息之前，它會(huì)先監(jiān)聽信道是否已被占用。如果是空閑的，就開始傳輸，否則，就會(huì)根據(jù)預(yù)定義的退避策略延遲消息，而且不需要額外的同步。LBT 的回退策略決定了當(dāng)信道被占用時(shí)，在嘗試傳輸失敗后消息延遲的持續(xù)時(shí)間（對(duì)于 ALOHA，延遲始終是傳輸時(shí)間）。在那篇文章中，他們演示了一種如何確定消息的最佳延遲的方法。一方面，目標(biāo)是在新的傳輸嘗試之前不能延遲太多；但是，另一方面，由于通道仍在使用中，會(huì)存在再次嘗試失敗的風(fēng)險(xiǎn)。最佳回退延遲是通過考慮實(shí)際部署的物理環(huán)境（位置和距離）（嘗試預(yù)測(cè)是否會(huì)出現(xiàn)隱藏節(jié)點(diǎn)問題）和部署的密度來確定的。

瑞科慧聯(lián)產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)中的“LBT”

瑞科慧聯(lián)（RAK）的 WisGate Edge 系列網(wǎng)關(guān)就能支持 LBT。該系列網(wǎng)關(guān)為其最新的操作系統(tǒng) WisGateOS 2 推出的LBT功能提供了所需的物理支持。

其實(shí)，LBT 并不是在所有地方都需要，瑞科慧聯(lián)通過“插件”的方式將其添加到“拓展選項(xiàng)”種，用戶可以根據(jù)自己的需要安裝或卸載。但我們相信，隨著 LoRaWAN?的發(fā)展，LBT 是必不可少的。

LoRaWAN?中的通道訪問規(guī)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。具有挑戰(zhàn)性的因素很多，包括：不同的信道訪問方法、由于 A 類設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的占空比限制而導(dǎo)致的同步可能性有限，以及終端設(shè)備對(duì)節(jié)省電池的嚴(yán)格要求等等。另外，LoRaWAN?頻段的免費(fèi)使用可能會(huì)導(dǎo)致潛在的交叉流量。LBT 正好提供了一種解決方案和一條更清晰的 LoRaWAN?通信路徑，使其不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。無論是想要將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到韓國和日本的解決方案提供商，還是考慮使用 LoRaWAN?的公司，或者只是想確保數(shù)據(jù)安全地通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，LBT 都可以實(shí)現(xiàn)這些需求。