LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)及其工作原理

在上一篇文章中我大概解釋了什么是LoRaWAN網(wǎng)關(guān)。今天我將會(huì)更詳細(xì)地給大家介紹LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)及其工作原理。只有了解這些，我們才能讓我們更好地了解網(wǎng)關(guān)、更好的利用LoRaWAN技術(shù)、完善任何想應(yīng)用的場(chǎng)景。

一、技術(shù)基礎(chǔ)

要說(shuō)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，我們要先來(lái)了解一下它的技術(shù)原理。我們都知道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)使用的是LoRa技術(shù)，那為什么我們又叫“LoRaWAN網(wǎng)關(guān)”呢？LoRa?和LoRaWAN?有什么區(qū)別？

LoRa其實(shí)是低功耗廣域網(wǎng)系列的一部分，它是從chirp 擴(kuò)頻技術(shù)中衍生出來(lái)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。目前是Semtech公司的專利技術(shù)。而LoRaWAN則是建立在LoRa技術(shù)之上的媒體訪問控制（MAC，Media Access Control）協(xié)議。

了解了LoRaWAN的技術(shù)基礎(chǔ)，接下來(lái)我們一起來(lái)看看LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的構(gòu)成。

二、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)構(gòu)成

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)由很多的部件組成。其中有兩個(gè)東西尤其關(guān)鍵，即LoRa集中器和主機(jī)MCU。

1、集中器

LoRa集中器是為網(wǎng)關(guān)接收和傳輸LoRa消息服務(wù)的。它由一個(gè)LoRa基帶處理器和兩個(gè)前端芯片組成。有時(shí)，為了信道監(jiān)聽（LBT）、接口轉(zhuǎn)換、GPS、時(shí)間戳等額外功能，集中器有時(shí)會(huì)帶有額外的芯片。集中器也分很多種形式：mPCIe卡（RAK2247、RAK2287、RAK5146）、40 PIN樹莓派標(biāo)準(zhǔn)（RAK2245）等。

以RAK最新的mPCIe形狀因子集中器RAK5146為例，從下面的框圖中我們可以看到帶有LoRa天線連接器的射頻（RF）部分、限制不需要頻率的濾波器（SAW）、信號(hào)放大器（FEM）、雙前端芯片（SX1250），以及SX1303基帶芯片。

此外，它還有STM32芯片，它運(yùn)行的代碼使集中器與USB兼容，并與附加的SX1262通信，從而實(shí)現(xiàn)LBT和光譜掃描等功能。該集中器還可使用GPS模塊和GPS天線連接器，可用于某些LoRaWAN功能，比如Class B。

這兩個(gè)前端芯片分為Radio 0和Radio 1。Radio 0在TX和RX模式下均可工作，最多可以分配5個(gè)頻道。Radio 1僅在RX模式下工作，也可以分配多達(dá)5個(gè)頻道。總計(jì)為：8個(gè)MultiSF頻道、一個(gè)LoRaSTD頻道和一個(gè)FSK頻道。

2、主機(jī)

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的主機(jī)一般是像樹莓派這類通用的單板計(jì)算機(jī)，定制開發(fā)的系統(tǒng)板也可以。

當(dāng)然，如果我們想要LoRaWAN網(wǎng)關(guān)工作，就還需要軟件與LoRa集中器進(jìn)行通信，從而接收射頻信息并將其傳送到LoRaWAN服務(wù)器上。

3、外殼

除了集中器和主機(jī)之外，每個(gè)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)都還需要一個(gè)很重要的東西，即外殼。外殼可以保護(hù)網(wǎng)關(guān)不受周圍環(huán)境變量的影響。外殼會(huì)根據(jù)預(yù)期使用環(huán)境而改變，比如：室內(nèi)網(wǎng)關(guān)采用緊湊的外殼。而戶外網(wǎng)關(guān)則使用更加堅(jiān)固、耐用和防水的外殼。

由于用到外殼，為了保證我們信號(hào)接收和發(fā)射的順暢，我們得用到天線。沒有天線，收發(fā)過(guò)程是很難完成的。一般來(lái)說(shuō)，室內(nèi)網(wǎng)關(guān)的天線較小，室外網(wǎng)關(guān)天線較大。以RAK的產(chǎn)品為例，如下圖所示，不同的網(wǎng)關(guān)采用的天線都是不同的。

三、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)工作通信鏈

說(shuō)完了構(gòu)成，我們來(lái)看一下網(wǎng)關(guān)工作的通信鏈。其通信鏈?zhǔn)沁@樣的：網(wǎng)關(guān)從終端節(jié)點(diǎn)收集LoRa數(shù)據(jù)幀—→并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa Packet forwarder程序重傳到—→LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

反之也是一樣，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器也可通過(guò)網(wǎng)關(guān)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送下行指令集。在某種程度上，可以說(shuō)網(wǎng)關(guān)是終端節(jié)點(diǎn)和LoRaWAN服務(wù)器之間的橋梁。

1、LoRa Packet forwarder

LoRa Packet forwarder是一個(gè)運(yùn)行在LoRaWAN網(wǎng)關(guān)主機(jī)上的程序。它通過(guò)安全的IP鏈接將集中器（上行鏈路）收到的RF數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上（LNS）。它還可以將LNS發(fā)送的RF數(shù)據(jù)包（下行鏈路）通過(guò)同一安全I(xiàn)P鏈路傳輸給一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備上。此外，它還可以傳輸?shù)接糜诰W(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備時(shí)間同步的beacon信號(hào)中。

不過(guò)，由于Semtech發(fā)布了LoRa Basics? Station，經(jīng)典的LoRa Packet Forwarder現(xiàn)在已經(jīng)被叫做傳統(tǒng)版本了。不過(guò)，它確實(shí)提供了一個(gè)更安全的連接到首選LNS，也是一種通過(guò)CUPS協(xié)議遠(yuǎn)程配置包轉(zhuǎn)發(fā)器和網(wǎng)關(guān)設(shè)置的方法。

大多數(shù)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)都可以同時(shí)支持傳統(tǒng)的Packet Forwarder和LoRa Basics? Station。

2、LoRaWAN服務(wù)器

當(dāng)LoRa Packet forwarder將集中器上行鏈路收到的RF數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)之后，就需要LoRaWAN服務(wù)器接收。LoRaWAN服務(wù)器是任何LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的必備組件，它可以保留在云端或內(nèi)置網(wǎng)關(guān)本身（所有RAK網(wǎng)關(guān)都有一個(gè)）。其作用是設(shè)備認(rèn)證、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、信息解密、管理和監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)、托管終端用戶應(yīng)用程序等。它確保了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由的安全性、可靠性和可擴(kuò)展性。

3、回程連接

由于網(wǎng)關(guān)需要連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或至少是終端用戶應(yīng)用程序所在的云端。因此，它需要穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)接入。

網(wǎng)關(guān)通常具備以下一個(gè)或多個(gè)功能：以太網(wǎng)、Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)。它們被用作回程連接。更高級(jí)的網(wǎng)關(guān)（RAK室外網(wǎng)關(guān)系列）具有上述所有功能，并可在其中一個(gè)鏈路發(fā)生故障時(shí)選擇接口故障轉(zhuǎn)移，以提供穩(wěn)定的連接。

4、附加功能/軟件組件

除了在終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間接收/傳輸射頻信號(hào)的主要功能外，不同的網(wǎng)關(guān)還提供一些附加功能。例如，RAK室外網(wǎng)關(guān)在支持傳統(tǒng)LoRa Packet Forwarder和Basics Station的同時(shí)，還提供內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。另外，它還支持MQTT，允許用戶使用現(xiàn)有的MQTT消息服務(wù)器。也有HTTP集成，允許直接向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。

四、總結(jié)

我們重新回顧一下整個(gè)通信鏈，讓大家對(duì)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)作用有一個(gè)完整的了解。

網(wǎng)關(guān)從終端節(jié)點(diǎn)收集LoRa數(shù)據(jù)幀，并將這些數(shù)據(jù)重傳到LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，該服務(wù)器負(fù)責(zé)認(rèn)證和數(shù)據(jù)幀去重。反之亦然，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器也可通過(guò)網(wǎng)關(guān)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送下行指令集。所以說(shuō)，在某種程度上，網(wǎng)關(guān)是終端節(jié)點(diǎn)和LoRaWAN服務(wù)器之間的橋梁/協(xié)議轉(zhuǎn)換。

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