一文了解LoRa與LoRaWAN差異及市場(chǎng)前景

總體介紹

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，NB-IoT、LoRa、SigFox等技術(shù)名詞時(shí)不時(shí)出現(xiàn)在我們的視野中，對(duì)普通讀者或者剛剛接觸物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，在一大堆名詞面前可能會(huì)混淆。本文資本論將針對(duì)LoRa和LoRaWN做細(xì)致的介紹與比較。

總體而言，LoRa僅包含鏈路層協(xié)議，并且非常適用于節(jié)點(diǎn)間的P2P通信；同時(shí)，LoRa模塊也比LoRaWAN便宜一點(diǎn)；

LoRaWAN也包含網(wǎng)絡(luò)層，因此可以將信息發(fā)送到任何已連接到云平臺(tái)的基站。只需將正確的天線(xiàn)連接到其插座，LoRaWAN模塊就可以以不同的頻率工作。

LoRa是什么

雖然LoRa經(jīng)常被誤用來(lái)描述整個(gè)LPWAN通信系統(tǒng)，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，LoRa是Semtech擁有的專(zhuān)有調(diào)制格式。 SX1272和SX1276 LoRa芯片使用稱(chēng)為chirp擴(kuò)頻（CSS）的調(diào)制技術(shù)來(lái)組成技術(shù)棧的物理層（PHY）。

LoRa有兩種不同的協(xié)議棧：LoRaWAN和Symphony Link。 Symphony Link適用于需要高級(jí)功能的工業(yè)和企業(yè)用戶(hù)。 LoRaWAN適用于基于LoRaWAN的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在歐洲發(fā)展得比較快。

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）預(yù)計(jì)將會(huì)支持物聯(lián)網(wǎng)預(yù)測(cè)的數(shù)十億設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中，由很多個(gè)組件組成。物理（PHY）層在硬件層面定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣規(guī)格。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)檢測(cè)PHY層的變化并建立發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議。

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LoRaWAN是什么

LoRaWAN是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，它定義了基于LoRa芯片的LPWAN技術(shù)的通信協(xié)議。 LoRaWAN在數(shù)據(jù)鏈路層定義媒體訪問(wèn)控制（MAC），由LoRa聯(lián)盟維護(hù)。 LoRa和LoRaWAN之間的這種區(qū)別很重要，因?yàn)長(zhǎng)ink Labs等其他公司在LoRa芯片的頂部使用專(zhuān)有的MAC層來(lái)創(chuàng)建更好的混合設(shè)計(jì) - 在Link Labs案例中稱(chēng)為Symphony Link。

正如上文提到的，LoRaWAN是一種媒體訪問(wèn)控制（MAC）層協(xié)議，專(zhuān)為具有單一運(yùn)營(yíng)商的大型公共網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。 它使用Semtech的LoRa調(diào)制方案構(gòu)建，具體涉及到以下幾方面：

你可能已經(jīng)了解到LoRaWAN不適合專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的解決方案，目前它的確更適合于公共廣域網(wǎng)絡(luò)。其根本原因在于在LoRaWAN中，所有頻道都調(diào)到相同的頻率，并且在單一區(qū)域最好只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作以避免碰撞問(wèn)題。

由于網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)關(guān)都綁定到同一臺(tái)服務(wù)器，因此確定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)對(duì)傳輸作出響應(yīng)是服務(wù)器的工作。在大型網(wǎng)絡(luò)中，任何給定的傳輸通常由多個(gè)接收器接收到，然后服務(wù)器通知一個(gè)網(wǎng)關(guān)作出響應(yīng)，其他網(wǎng)關(guān)忽略傳輸。該過(guò)程有助于避免下行鏈路和上行鏈路沖突，因?yàn)閱蝹€(gè)網(wǎng)關(guān)正在傳輸，而且重疊的網(wǎng)關(guān)可以簡(jiǎn)單地偵聽(tīng)其他傳輸。

另外，可以通過(guò)LoRa聯(lián)盟來(lái)為特定用途設(shè)置特定頻道。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商也可以從服務(wù)器端限制其網(wǎng)絡(luò)中的下行鏈路數(shù)量，以確保低優(yōu)先級(jí)端點(diǎn)不會(huì)因下行鏈路流量而“堵塞”網(wǎng)絡(luò)。

具體應(yīng)用中面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是LoRaWAN主要是數(shù)據(jù)鏈路（MAC）層（OSI第2層），只有網(wǎng)絡(luò)層的一些元素（OSI第3層）。雖然這為應(yīng)用程序提供了很大的靈活性，但它使應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員有相當(dāng)數(shù)量的工作來(lái)提供完整的產(chǎn)品。這包括分組化，下行鏈路控制，多播等。

在最基本的層面上，像LoRaWAN這樣的無(wú)線(xiàn)協(xié)議相當(dāng)簡(jiǎn)單。LoRaWAN是一種星型或星型對(duì)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樵?span style="">保持電池電量并增加通信范圍方面的優(yōu)勢(shì)，所以普遍認(rèn)為它比網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)更好。

具體而言，星型拓?fù)渫ㄟ^(guò)網(wǎng)關(guān)將消息中繼到中央服務(wù)器，每個(gè)末端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)網(wǎng)關(guān)。然后網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上執(zhí)行冗余檢測(cè)，安全檢查和消息調(diào)度。

這種設(shè)計(jì)的兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)在于：

1.更簡(jiǎn)單的跟蹤：由于終端節(jié)點(diǎn)向多個(gè)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此不需要網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)的通信。 這簡(jiǎn)化了終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)跟蹤應(yīng)用的邏輯。

2.更好的公共網(wǎng)絡(luò)：這種不對(duì)成的關(guān)系讓中央服務(wù)器來(lái)解決碰撞問(wèn)題，所以LoRaWAN可能更適合部署在公共網(wǎng)絡(luò)。

上圖顯示了LoRaWAN的主要運(yùn)行過(guò)程。 頂欄顯示網(wǎng)關(guān)是否正在傳輸。 （橙色表示正在傳輸;藍(lán)色不在傳輸。）底部顯示接收器通道，幾乎所有的LPWAN系統(tǒng)（包括LoRaWAN）都有多個(gè)接收通道，大多數(shù)LoRaWAN系統(tǒng)可以在任意數(shù)量的頻率通道上同時(shí)接收八條消息。

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LoRaWAN的A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)

LoRaWAN有三個(gè)同時(shí)操作的類(lèi)。 A類(lèi)是異步的，這意味著終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)等待特定的時(shí)間與網(wǎng)關(guān)通話(huà)，而是只在需要時(shí)進(jìn)行傳輸，在此之前一直處于休眠狀態(tài)。只要一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成傳輸，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)立即開(kāi)始。在溝通方面沒(méi)有任何差距，純阿羅哈網(wǎng)絡(luò)的理論最大容量約為此最大值的18.4％。這主要是由于碰撞，因?yàn)槿绻粋€(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)射并且另一個(gè)節(jié)點(diǎn)醒來(lái)并決定使用相同的無(wú)線(xiàn)電設(shè)置在相同的頻道中發(fā)射，則它們將發(fā)生沖突。

B類(lèi)允許將消息發(fā)送到電池供電節(jié)點(diǎn)。每128秒，網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)。所有LoRaWAN基站都同時(shí)發(fā)送信標(biāo)消息，因?yàn)樗鼈儚膶儆谝粋€(gè)脈沖每秒（1PPS）。這意味著每個(gè)在軌軌道上的GPS衛(wèi)星都會(huì)在每秒開(kāi)始時(shí)傳輸一條信息，從而讓世界各地的時(shí)間同步。所有B類(lèi)節(jié)點(diǎn)在128秒周期內(nèi)被分配一個(gè)時(shí)隙，并被告知何時(shí)收聽(tīng)。

C類(lèi)允許節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)聽(tīng)，并可隨時(shí)發(fā)送下行消息。這主要用于交流供電的應(yīng)用，因?yàn)樗枰馁M(fèi)大量的精力來(lái)保持節(jié)點(diǎn)始終保持清醒地運(yùn)行接收器。

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總結(jié)

綜上所述，面對(duì)類(lèi)似于LoRa和LoRaWAN這樣容易混淆的名詞，其實(shí)只要系統(tǒng)梳理一下就可以發(fā)現(xiàn)其中的區(qū)別。下表總結(jié)了兩者之間最主要的幾點(diǎn)特性：

結(jié)合上圖，用最簡(jiǎn)單的公式，你可以這么理解：

LoRa = PHY Layer

LoRaWAN or Symphony Link = MAC Layer

LoRa + LoRaWAN = LPWAN