LoRaWAN 的用例和注意事项

重要提示： Link Labs 是 Symphony Link 的制造商，Symphony Link 是 LoRa 的替代协议，专注于高可靠性的工业和企业用例。更多内容如下。

在了解 LoRaWAN 及其理想用例和局限性时，了解一点历史很重要。 LoRaWAN（当时称为 LoRaMAC）由 Semtech（LoRa PHY IP 的唯一所有者）与 IBM Research 合作开发（他们随后离开了该项目）。协议设计时的假设是：

• 供移动运营商网络使用
• 在单个协调网络中
• 在 868 MHz 频率免授权频段

这些都是重要的假设，因为由此产生的协议具有：

• 1% 占空比限制（对于所有发射器和网关）
• 常用频率通道图
• MAC（第 2 层）仅在云端处理

为了支持网关的 1% 占空比限制，尤其需要进行许多权衡：

• 几乎所有上行消息都未被确认
• 范围内的所有网关都可以看到所有上行链路流量
• 所有加密都使用静态密钥处理

由于所有上行链路消息都是未经确认和未经协调的，因此 LoRaWAN 被认为是一种“纯阿罗哈”方案。这样的网络有大约 18% 的效率。这意味着当 LoRaWAN 网络被充分利用时，82% 的数据包会丢失。由于大多数消息未被确认，端节点不知道它的消息被遗漏了。为了防止这种情况，一些用户可能会更频繁地传输，从而使问题复杂化。阅读这篇关于 Aloha Networks 的易于理解的帖子。

如果将确认添加到该系统中，则效率会更加下降。这是因为无论何时基站正在传输，它都无法侦听。端节点不知道网关听不到它们。由于网关只能传输 1% 的时间，这只会导致大约 1.65% 的额外丢包。

此外，如果其他人正在使用 LoRaWAN 网络，他们的所有流量也会影响您的容量。这是因为所有网关都调谐到相同的公共频率。

LoRaWAN 的另一个重要考虑因素是近/远问题。由于 LoRa 只有 20-30dB 的同信道动态范围，靠近网关的节点会淹没远离网关的节点。这在大型 MNO 网络中不太重要，因为理想情况下有多个网关在范围内。

我们在 The Things Network 的朋友也整理了这篇关于 LoRaWAN 限制的文章。

综上所述，LoRaWAN 的理想用例是：

• 需要不频繁传输的简单传感器
• 有时丢失 5-85% 的数据是可以的
• 几乎无法控制此设备
• 无法通过无线方式更新设备固件
• 部署了数十到数百个
• 可以部署多个网关来覆盖每个节点

一些自动抄表是 LoRaWAN 良好用例的一个很好的例子。对于更新读数的仪表，比如每小时更新一次，漏掉一些读数并不重要，只要一些读数通过即可。

Symphony Link 解决了其中的许多问题。简而言之，方法如下：

1. 框架： 网关每 2 秒发送一个帧头，其中包含有关哪些上行链路可用以及上行链路窗口何时打开的信息。

2. 压缩确认： 在 Symphony Link 中，默认情况下会确认所有上行链路消息。为了实现这一点，所有的确认都被混合成一个压缩消息，所有节点（刚刚传输的）接收。

3. 可变上下行时隙： 网关根据排队的下行链路流量决定需要传输多长时间。当下行窗口完成时告诉节点，这样节点在网关不监听时就不会传输

4. 上行时隙： 由于同步成帧，上行链路窗口被分时隙，这增加了大约 100% 的容量。通过在每次传输之前添加一个可变 CSMA 窗口，进一步增加了这一点。

5. 可变功率和扩频因子： 端节点接收网关的成帧消息的RSSI，并动态调整其功率和扩频因子以匹配链路加上可设置的余量因子。这最大限度地提高了容量，减轻了快速衰落，并防止了上述近/远问题。

6. 服务质量： 节点向网关注册 QOS 因子 (0-15)，这限制了它们在每个帧中访问信道的能力。它还为网关提供了一种在拥塞时限制上行链路的方法。

7. 多播： 通过将节点组分配到组播组中，限制了控制和文件流传输所需的下行链路量。

8. 固定的 256 字节 MTU： 12 字节对于大多数应用程序来说太小了。 Symphony Link 提供固定的 256 字节 MTU，并在 MAC 层处理所有子包化（通过 SF）和重试。

9. 无线固件： 由于 Symphony Link 中强大的多播功能，固件文件可以发送到节点。

10. 基于 PKI 的会话 AES 密钥： Symphony Link 不使用固定密钥加密。每个节点都使用 Diffie-Helmann 建立安全的 AES 会话，并使用服务器提供的节点公钥。这是业界公认的最安全的通道加密方案。

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