LoRaWAN的運(yùn)作方式及網(wǎng)絡(luò)程序的應(yīng)用分析

LoRa與LoRaWAN的區(qū)別

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

LoRa是一種用于發(fā)送無線電信號(hào)的方法，該無線電信號(hào)使用啁啾的多符號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)。LoRa是一種較低級(jí)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)別等操作。它還包括一個(gè)云組件，多個(gè)網(wǎng)關(guān)連接到該組件。由于其局限性，LoRaWAN很少用于工業(yè)（專用網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用。

LoRaWAN如何運(yùn)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(gè)網(wǎng)關(guān)和一個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)關(guān)都可能聽到該消息并發(fā)送它。（這樣做的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：盡管鏈路很弱，但仍然可以傳輸消息。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(huì)收到確認(rèn)。但是，LoRaWAN中的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求確認(rèn)。如果請(qǐng)求確認(rèn)并且所有四個(gè)網(wǎng)關(guān)都收到相同的消息，則云選擇一個(gè)網(wǎng)關(guān)在固定時(shí)間響應(yīng)，通常在幾秒鐘后響應(yīng)。那么問題是：當(dāng)該網(wǎng)關(guān)傳輸回節(jié)點(diǎn)時(shí)，它會(huì)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(rèn)，則很可能會(huì)花費(fèi)更多時(shí)間來傳輸確認(rèn)而不是傾聽，這最終會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。

上圖顯示了LoRaWAN的運(yùn)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(lán)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(gè)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(shí)接收八條消息。

LoRaWAN A，B和C類

LoRaWAN有三個(gè)同時(shí)運(yùn)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(diǎn)不會(huì)等待特定時(shí)間與網(wǎng)關(guān)通話 - 它們只需在需要時(shí)進(jìn)行傳輸，并在此之前處于休眠狀態(tài)。如果您擁有一個(gè)完全協(xié)調(diào)的八個(gè)頻道系統(tǒng)，您可以在每個(gè)時(shí)段填充一條消息。一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成傳輸后，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)立即啟動(dòng)。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?yàn)槿绻粋€(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)。每128秒，網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)。（參見圖頂部的時(shí)隙。）所有LoRaWAN基站在同一時(shí)間發(fā)送信標(biāo)消息，因?yàn)樗鼈兪敲棵胍粋€(gè)脈沖（1PPS）的從屬信號(hào)。這意味著軌道上的每顆GPS衛(wèi)星都會(huì)在每秒開始時(shí)發(fā)送一條消息，讓時(shí)間在世界各地同步。所有B類節(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。例如，您可以告訴節(jié)點(diǎn)每十個(gè)時(shí)隙監(jiān)聽一次，當(dāng)這個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，它允許傳輸下行鏈路消息（見上圖）。

C類允許節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽，并且可以隨時(shí)發(fā)送下行鏈路消息。這主要用于交流供電應(yīng)用，因?yàn)樗偸切枰芏嗄芰縼肀３止?jié)點(diǎn)主動(dòng)喚醒運(yùn)行接收器。

啁啾率，處理增益和正交性

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

LoRa通過以非常線性的方式隨時(shí)間移動(dòng)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(shí)間的增加。LoRa傳輸通過啁啾來工作，在時(shí)間和頻率方面打破不同位置的芯片以編碼符號(hào)。LoRa傳輸在特定時(shí)間從一個(gè)地方跳到另一個(gè)地方的事實(shí)可能意味著一個(gè)字符串與另一個(gè)字符串。它不僅僅是二進(jìn)制 - 它可以傳達(dá)很多信息（高符號(hào)深度）。

暫時(shí)想一想純頻移鍵控（FSK）。如果音調(diào)靜止了一段時(shí)間然后跳到其他地方一段時(shí)間，你會(huì)看到不同的線條或音調(diào)。這稱為2-ary FSK，表示兩個(gè)頻率符號(hào)。M-ary FSK具有多個(gè)頻率音調(diào)，可以代表更多符號(hào)。LoRa采用了這個(gè)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?yàn)樗哂蟹浅＊?dú)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(shí)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(gè)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(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行一個(gè)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(yùn)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(jí)端點(diǎn)不會(huì)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(cuò)誤率（PER）超過50％是常見的。這對(duì)于某些抄表應(yīng)用來說很好，但對(duì)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(dāng)多的開發(fā)工作?？蛻裘媾R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）。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(gè)供應(yīng)商合作，分別獲取節(jié)點(diǎn)，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(jìn)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(zé)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(shí)間傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)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(duì)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(gè)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(diǎn)的擴(kuò)展因子而變化。換句話說 - 如果你離網(wǎng)關(guān)很遠(yuǎn)，你可以傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)很少，但是如果你接近它就會(huì)大得多; 你根本無法提前知道。因此，節(jié)點(diǎn)固件或應(yīng)用程序必須能夠適應(yīng)應(yīng)用層的有效負(fù)載側(cè)的變化，這在您開發(fā)固件時(shí)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(kuò)頻因子的最小可用MTU來解決這個(gè)問題，這在大多數(shù)情況下非常小，通常小于12個(gè)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(diǎn)必須在30個(gè)10字節(jié)消息中發(fā)送它，因?yàn)樗鼈兛赡苊媾R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(diǎn)傳輸?shù)牧窟h(yuǎn)遠(yuǎn)超過必要的。

7、如果你想建立在運(yùn)營商擁有和運(yùn)營的公共網(wǎng)絡(luò)上，LoRaWAN是不錯(cuò)的選擇。有許多硬件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供商在這個(gè)領(lǐng)域競爭，因此有很多選擇。對(duì)于簡單的應(yīng)用程序，如果您沒有很多節(jié)點(diǎn)并且不需要大量的確認(rèn)，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(yán)重的障礙。許多LoRaWAN用戶還沒有經(jīng)歷過這些障礙，僅僅是因?yàn)樗麄兊木W(wǎng)絡(luò)仍然相當(dāng)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(huì)飆升。

此外，圍繞LoRaWAN開發(fā)和部署系統(tǒng)是一個(gè)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(jí)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(jí)功能包括：

甲雙向鏈路對(duì)100％的保證消息接收。節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)通道掩碼，允許多個(gè)網(wǎng)關(guān)與盡可能少的沖突共存。多達(dá)48個(gè)網(wǎng)關(guān)可以共存而不會(huì)影響性能。

沒有占空比限制，因?yàn)樵跉W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(huì)在必要時(shí)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(gè)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(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序。