LoRaWAN協(xié)議的工作原理是怎樣的

考慮使用LoRaWAN部署您的物聯(lián)網(wǎng)解決方案？倘若您正在開發(fā)用于工業(yè)或企業(yè)用途的專用網(wǎng)絡(luò)解決方案，那么您需要了解此技術(shù)的一些限制（以及在許多情況下將為您提供更好服務(wù)的替代協(xié)議）。

在本文中，我們將深入探討：

LoRa與LoRaWAN的區(qū)別

LoRaWAN如何運作

LoRaWAN A，B和C類

啁啾率，處理增益和正交性

利用LoRaWAN構(gòu)建專用網(wǎng)絡(luò)的障礙

另一種解決方案：Symphony Link

LoRa與LoRaWAN的區(qū)別

有時人們認為術(shù)語LoRa和LoRaWAN意思相同，其實它們是有所不同的。

LoRa是一種用于發(fā)送無線電信號的方法，該無線電信號使用啁啾的多符號格式來編碼信息。它是由芯片制造商Semtech制造的專有系統(tǒng); 其LoRa IP也被許可給其他芯片制造商。本質(zhì)上，這些芯片是標準的ISM頻段無線電芯片，可以使用LoRa（或其他調(diào)制類型，如FSK）將射頻轉(zhuǎn)換為比特，而無需編寫代碼來實現(xiàn)無線電系統(tǒng)。LoRa是一種較低級別的物理層技術(shù)，可用于廣域以外的各種應(yīng)用。

LoRaWAN是一種使用Semtech的LoRa調(diào)制方案的點對多點網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這不僅僅是關(guān)于無線電波; 它是關(guān)于無線電波如何與LoRaWAN網(wǎng)關(guān)通信以執(zhí)行加密和識別等操作。它還包括一個云組件，多個網(wǎng)關(guān)連接到該組件。由于其局性，LoRaWAN很少用于工業(yè)（專用網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用。

LoRaWAN如何運作

在最基礎(chǔ)的層面上，像LoRaWAN這樣的無線電協(xié)議則顯得比較簡單。

例如，假設(shè)您有四個網(wǎng)關(guān)和一個節(jié)點。節(jié)點盲目地傳輸?shù)綗o線電頻譜中，任何有幸聽到傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)都可以接收它并將其發(fā)送到云端。所有四個網(wǎng)關(guān)都可能聽到該消息并發(fā)送它。（這樣做的一個優(yōu)點是：盡管鏈路很弱，但仍然可以傳輸消息。如果一個節(jié)點發(fā)送了五條消息而只有一條消息發(fā)送，那么你的消息仍然可以通過。）

郵件一旦發(fā)送，就不會收到確認。但是，LoRaWAN中的節(jié)點可以請求確認。如果請求確認并且所有四個網(wǎng)關(guān)都收到相同的消息，則云選擇一個網(wǎng)關(guān)在固定時間響應(yīng)，通常在幾秒鐘后響應(yīng)。那么問題是：當該網(wǎng)關(guān)傳輸回節(jié)點時，它會停止收聽其他所有內(nèi)容。因此，如果您的應(yīng)用程序需要大量確認，則很可能會花費更多時間來傳輸確認而不是傾聽，這最終會導致網(wǎng)絡(luò)崩潰。

上圖顯示了LoRaWAN的運行方式。頂部欄指示網(wǎng)關(guān)是否正在傳輸。（如果是橙色，它正在傳輸;如果它是藍色，則不是。）底部的條形圖顯示了接收器通道。幾乎所有LPWAN系統(tǒng)（包括LoRaWAN）都有多個接收通道，大多數(shù)LoRaWAN系統(tǒng)可以在任意數(shù)量的頻道上同時接收八條消息。

LoRaWAN A，B和C類

LoRaWAN有三個同時運行的類。A類純粹是異步的，我們稱之為純ALOHA系統(tǒng)。這意味著終端節(jié)點不會等待特定時間與網(wǎng)關(guān)通話 – 它們只需在需要時進行傳輸，并在此之前處于休眠狀態(tài)。如果您擁有一個完全協(xié)調(diào)的八個頻道系統(tǒng)，您可以在每個時段填充一條消息。一個節(jié)點完成傳輸后，另一個節(jié)點立即啟動。在沒有任何通信空白的情況下，純aloha網(wǎng)絡(luò)的理論最大容量約為該最大值的18.4％。這主要是由于沖突造成的，因為如果一個節(jié)點正在發(fā)送而另一個節(jié)點正在喚醒并決定在相同的頻率信道中使用相同的無線電設(shè)置進行發(fā)送，則它們將發(fā)生沖突。

B類允許將消息發(fā)送到電池供電的節(jié)點。每128秒，網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個信標。（參見圖頂部的時隙。）所有LoRaWAN基站在同一時間發(fā)送信標消息，因為它們是每秒一個脈沖（1PPS）的從屬信號。這意味著軌道上的每顆GPS衛(wèi)星都會在每秒開始時發(fā)送一條消息，讓時間在世界各地同步。所有B類節(jié)點在128秒周期內(nèi)被分配一個時隙，并被告知何時收聽。例如，您可以告訴節(jié)點每十個時隙監(jiān)聽一次，當這個時間點出現(xiàn)時，它允許傳輸下行鏈路消息（見上圖）。

C類允許節(jié)點不斷監(jiān)聽，并且可以隨時發(fā)送下行鏈路消息。這主要用于交流供電應(yīng)用，因為它總是需要很多能量來保持節(jié)點主動喚醒運行接收器。

啁啾率，處理增益和正交性

注意：在LoRaWAN中，擴頻因子（SF）指的是啁啾率。該圖顯示了隨時間變化的LoRa Chirp調(diào)制。可以在同一頻率信道中同時解碼不同的SF。

LoRa通過以非常線性的方式隨時間移動RF音調(diào)來工作。該圖顯示了反向瀑布中的啁啾 – 最新數(shù)據(jù)位于頂部，稱為“向上啁啾”。您可以看到音調(diào)的頻率隨時間的增加。LoRa傳輸通過啁啾來工作，在時間和頻率方面打破不同位置的芯片以編碼符號。LoRa傳輸在特定時間從一個地方跳到另一個地方的事實可能意味著一個字符串與另一個字符串。它不僅僅是二進制 – 它可以傳達很多信息（高符號深度）。

暫時想一想純頻移鍵控（FSK）。如果音調(diào)靜止了一段時間然后跳到其他地方一段時間，你會看到不同的線條或音調(diào)。這稱為2-ary FSK，表示兩個頻率符號。M-ary FSK具有多個頻率音調(diào)，可以代表更多符號。LoRa采用了這個概念，但它在唧唧聲中做了一切。因此，它正在獲得處理收益。因為它具有非常獨特的模式，所以LoRa接收器可以檢測到更安靜的啁啾聲，即低于本底噪聲。如果您以不同的啁啾率在同一信道中發(fā)生另一次傳輸，則它是正交的 – 這意味著它可以同時被檢測到?？偠灾?，接收方有很多容量。

利用LoRaWAN構(gòu)建專用網(wǎng)絡(luò)的障礙

LoRaWAN適用于某些應(yīng)用程序，但它不適合客戶部署（也稱為專用網(wǎng)絡(luò)）解決方案。主要原因是：

1、多個網(wǎng)關(guān)的共存允許干擾。使用LoRaWAN，所有網(wǎng)關(guān) – 無論是誰擁有或操作它們 – 都被調(diào)諧到相同的頻率。這意味著您的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)可以看到我的所有流量，反之亦然。最好只在一個區(qū)域內(nèi)運行一個網(wǎng)絡(luò)，以避免碰撞問題。但是，可以通過LoRa聯(lián)盟為特定用途留出特定渠道。網(wǎng)絡(luò)運營商還可以從服務(wù)器端限制其網(wǎng)絡(luò)中的下行鏈路量，以確保低優(yōu)先級端點不會使用下行鏈路流量“阻塞”網(wǎng)絡(luò)。

2、它不保證收到郵件。LoRaWAN是一種基于ALOHA的異步協(xié)議，其中包錯誤率（PER）超過50％是常見的。這對于某些抄表應(yīng)用來說很好，但對于工業(yè)或企業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)或控制系統(tǒng)，需要0％的PER。消息傳遞的“噴霧和祈禱”方法不適用于大多數(shù)工業(yè)用例，這就是LoRaWAN最適合上行鏈路網(wǎng)絡(luò)的原因。

3、它需要相當多的開發(fā)工作。客戶面臨的另一個挑戰(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）。截至今天，沒有供應(yīng)商提供端到端的LoRaWAN解決方案。相反，您需要與多個供應(yīng)商合作，分別獲取節(jié)點，網(wǎng)關(guān)，后端服務(wù)器以及生態(tài)系統(tǒng)的其他所有部分。雖然這允許應(yīng)用程序具有很大的靈活性，但它使應(yīng)用程序開發(fā)人員能夠進行大量工作來生成完整的產(chǎn)品。這包括分組化，下行鏈路控制，多播等。

4、有責任周期限制。公共網(wǎng)絡(luò)中的868 MHz頻段存在一些固有的局限性。在歐洲，主要限制是1％的工作周期（在大多數(shù)情況下）。這意味著如果您測量網(wǎng)關(guān)隨時間傳輸?shù)钠骄鶗r間長度，則不能超過百分之一。因此，網(wǎng)關(guān)的傳輸量非常有限。在美國，F(xiàn)CC對ISM頻段的規(guī)定沒有這樣的限制。

5、它具有可變的最大傳輸單元（MTU）有效載荷大小。LoRaWAN的另一個重要限制是MTU有效載荷大小可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分配給節(jié)點的擴展因子而變化。換句話說 – 如果你離網(wǎng)關(guān)很遠，你可以傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)很少，但是如果你接近它就會大得多; 你根本無法提前知道。因此，節(jié)點固件或應(yīng)用程序必須能夠適應(yīng)應(yīng)用層的有效負載側(cè)的變化，這在您開發(fā)固件時非常具有挑戰(zhàn)性。

6、大多數(shù)開發(fā)人員通過選擇網(wǎng)絡(luò)可以分配的最高擴頻因子的最小可用MTU來解決這個問題，這在大多數(shù)情況下非常小，通常小于12個字節(jié)。因此，需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)（例如300字節(jié)）的LoRaWAN節(jié)點必須在30個10字節(jié)消息中發(fā)送它，因為它們可能面臨分配小MTU的情況。結(jié)果，由于處理這些改變的MTU值所需的復(fù)雜軟件改變，那些節(jié)點傳輸?shù)牧窟h遠超過必要的。

7、如果你想建立在運營商擁有和運營的公共網(wǎng)絡(luò)上，LoRaWAN是不錯的選擇。有許多硬件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供商在這個領(lǐng)域競爭，因此有很多選擇。對于簡單的應(yīng)用程序，如果您沒有很多節(jié)點并且不需要大量的確認，那么LoRaWAN可以正常工作。但如果您的需求更加復(fù)雜，您將不可避免地遇到嚴重的障礙。許多LoRaWAN用戶還沒有經(jīng)歷過這些障礙，僅僅是因為他們的網(wǎng)絡(luò)仍然相當小。嘗試使用LoRaWAN操作公共網(wǎng)絡(luò)，成千上萬的用戶做不同的事情，困難肯定會飆升。

此外，圍繞LoRaWAN開發(fā)和部署系統(tǒng)是一個復(fù)雜的過程。就像一些WiFi或蜂窩調(diào)制解調(diào)器一樣。您需要確保了解所有架構(gòu)，并在決定系統(tǒng)最佳路線之前掌握系統(tǒng)的工作原理。

另一種解決方案：Symphony Link

Symphony Link是Link Labs開發(fā)的另一種LoRa協(xié)議棧。為了解決LoRaWAN的局限性并提供大多數(shù)組織成功部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案所需的高級功能，它在Semtech的芯片之上構(gòu)建了自己的軟件。它的一些高級功能包括：

甲雙向鏈路對100％的保證消息接收。節(jié)點和網(wǎng)關(guān)可以上下可靠地通信。

它使用由網(wǎng)關(guān)控制的動態(tài)通道掩碼，允許多個網(wǎng)關(guān)與盡可能少的沖突共存。多達48個網(wǎng)關(guān)可以共存而不會影響性能。

沒有占空比限制，因為在歐洲，Symphony Link使用900 MhZ頻段。

Symphony Link具有比LoRaWAN更高的容量，固定MTU為256字節(jié)。它會在必要時處理所有子包裝和重試消息發(fā)送，以確保交付。

Symphony Link是一個完整的端到端物聯(lián)網(wǎng)解決方案，可立即使用。與LoRaWAN相比，您可以更快地啟動和運行應(yīng)用程序。

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