LoRaWAN 是什么？ [技术分解]

考虑使用 LoRaWAN 来部署您的物联网解决方案？最近，这个协议有了一些动力（例如：machineQ），它适用于部署在公共网络上的简单应用程序。但是，如果您正在开发用于工业或企业用途的专用网络解决方案，则您需要注意这项技术的一些限制（以及在许多情况下可以更好地为您服务的替代协议）。

请参阅面向开发人员的示例 LoRaWAN 网关。

在本文中，我们将深入了解：

• LoRa 和 LoRaWAN 的区别
• LoRaWAN 的工作原理
• LoRaWAN 类 A、B 和 C
• 啁啾率、处理增益和正交性
• 使用 LoRaWAN 构建专用网络的障碍
• 另一种解决方案：Symphony Link
  
  

LoRa 和 LoRaWAN 的区别

有时人们认为术语 LoRa 和 LoRaWAN 意思是一样的，但不一样。

洛拉 是一种传输无线电信号的方法，它使用啁啾、多符号格式来编码信息。它是由芯片制造商 Semtech 制造的专有系统；其 LoRa IP 还授权给其他芯片制造商。本质上，这些芯片是标准的 ISM 频段无线电芯片，可以使用 LoRa（或其他调制类型，如 FSK）将射频转换为比特，而无需编写代码来实现无线电系统。 LoRa是一种底层物理层技术，可用于广域以外的各种应用。

LoRaWAN 是一种使用 Semtech 的 LoRa 调制方案的点对多点网络协议。这不仅仅是关于无线电波；这是关于无线电波如何与 LoRaWAN 网关通信以执行加密和识别等操作。它还包括一个云组件，多个网关连接到该组件。由于其局限性，LoRaWAN 很少用于工业（专用网络）应用。

LoRa 的另一个开源协议可能更适合您的用例；下载此白皮书以清楚地说明它与 LoRaWAN 的比较。

LoRaWAN 的工作原理

在最基本的层面上，像 LoRaWAN 这样的无线电协议相当简单。明星网络交谈的方式类似于教授和学生在讲座中。网关（教授）与终端节点（班级）对话，反之亦然。这是一种不对称的沟通关系。课堂上的每个人都可以同时尝试与教授交流，但教授无法同时听到或理解他们。尽管极其简单化，星形拓扑的许多元素都可以追溯到这个类比。

请参阅面向开发人员的 LoRaWAN 网关示例。

下面是实际中的样子：例如，假设您有四个网关和一个节点。节点盲目地向无线电频谱传输，任何有幸听到传输的网关都可以将其发送到云端。有可能所有四个网关都听到该消息并发送它。 （这样做的一个好处是：尽管链接很弱，消息仍然可以传输。如果一个节点传输了 5 条消息，只有 1 条通过，则您的消息仍然通过。）

一旦消息被传递，就没有接收确认。但是，LoRaWAN 中的节点可以 请求确认。如果请求确认并且所有四个网关都接收到相同的消息，则云会选择一个网关在固定时间（通常是几秒钟后）做出响应。那么问题是：当网关传输回节点时，它停止侦听其他所有内容。 所以如果你的应用需要大量的确认，它很可能会花费更多的时间来传输确认而不是监听，这最终会导致网络崩溃。

上图显示了 LoRaWAN 的运作方式。顶部栏指示网关是否正在传输。 （如果它是橙色的，它正在传输；如果它是蓝色的，它不是。）底部的条形显示接收器通道。几乎所有的 LPWAN 系统，包括 LoRaWAN，都有多个接收通道，而且大多数 LoRaWAN 系统可以通过任意数量的频率通道同时接收 8 条消息。

LoRaWAN 类 A、B 和 C

LoRaWAN 具有三个同时运行的类。 A类是纯异步的，也就是我们所说的纯ALOHA系统。这意味着终端节点不会等待特定时间与网关通话——它们只是在需要时进行传输并在此之前处于休眠状态。如果您有一个完美协调的超过 8 个频道的系统，您可以用一条消息填充每个时隙。一旦一个节点完成其传输，另一个节点立即开始。在没有任何通信间隙的情况下，纯 aloha 网络的理论最大容量约为该最大值的 18.4%。这主要是由于冲突造成的，因为如果一个节点正在传输，而另一个节点醒来并决定使用相同的无线电设置在相同的频率信道中传输，它们就会发生冲突。

B 类允许将消息向下发送到电池供电的节点。每 128 秒，网关发送一个信标。 （参见图表顶部的时隙。）所有 LoRaWAN 基站都在完全相同的时间发送信标消息，因为它们是每秒一个脉冲 (1PPS) 的从属。这意味着轨道上的每颗 GPS 卫星都会在每一秒的开始发送一条消息，从而使世界各地的时间同步。所有 B 类节点都在 128 秒周期内分配了一个时隙，并被告知何时收听。例如，你可以告诉一个节点每十个时隙监听一次，当它出现时，它允许发送下行链路消息（见上图）。

C 类允许节点不断收听，并且可以随时发送下行消息。这主要用于交流供电的应用，因为它需要大量的能量来保持节点在任何时候都处于活跃状态并运行接收器。

啁啾率、处理增益和正交性

注意：在 LoRaWAN 中，扩展因子 (SF) 是指啁啾率。该图显示了 LoRa 线性调频调制随时间的变化。可以在同一频道同时解码不同的SF。

LoRa 的工作原理是随着时间的推移以非常线性的方式移动 RF 音调。该图显示了反向瀑布中的啁啾声——最新数据位于顶部，称为“向上啁啾”。你可以看到这个音调的频率是如何随着时间增加的。 LoRa 传输通过啁啾来工作，在时间和频率方面打破不同位置的芯片以对符号进行编码。 LoRa 传输在特定时间从一个地方跳到另一个地方这一事实可能意味着一个位串与另一个位串。它不仅仅是简单的二进制——它有很多你可以传达的信息（高符号深度）。

想一想纯频移键控 (FSK)。如果某个音调静止了一段时间，然后又跳到其他地方一段时间，您会看到不同的线条或音调。这称为 2-ary FSK，表示两个频率符号。 M-ary FSK 具有多个频率音调，可以表示更多符号。 LoRa 采用了这个概念，但它在 chirp 中完成了所有工作。因此，它正在获得处理增益。因为它有一个非常独特的模式，LoRa 接收器可以检测到更安静的啁啾声，即低于本底噪声。如果您在同一信道中以不同的啁啾速率发生另一次传输，则它是正交的——这意味着它可以同时被检测到。尽管如此，接收方的容量很大。

使用 LoRaWAN 构建专用网络的障碍

LoRaWAN 适用于某些应用程序，但它不是最适合客户部署的（也称为专用网络）解决方案。主要原因是：

• 多个网关的共存允许干扰。 使用 LoRaWAN，所有网关——无论是谁拥有或运营它们——都被调谐到相同的频率。这意味着您的 LoRaWAN 网络会看到我的所有流量，反之亦然。为了避免冲突问题，最好只有一个网络在一个区域内运行。

  但是，可以通过 LoRa 联盟为特定用途留出特定频道。网络运营商还可以从服务器端限制其网络中的下行链路数量，以确保低优先级端点不会“阻塞”网络下行链路流量。

• 不保证收到消息。 LoRaWAN 是一种基于 ALOHA 的异步协议，其中数据包错误率 (PER) 超过 50% 是常见的。这对于某些抄表应用来说没有问题，但对于工业或企业传感器网络或控制系统，0% 的 PER 是必需的。 “一劳永逸”的消息传递方法不适用于大多数工业用例，这就是 LoRaWAN 最适合以上行链路为重点的网络的原因。
• 它需要大量的开发工作。 我们的客户面临的另一个挑战是 LoRaWAN 主要是一个数据链路 (MAC) 层（OSI 第 2 层），只有网络层（OSI 第 3 层）的一些元素。截至今天，没有供应商提供端到端的 LoRaWAN 解决方案。相反，您需要与多个供应商合作，分别获取节点、网关、后端服务器和生态系统的所有其他部分。虽然这为应用程序提供了很大的灵活性，但它让应用程序开发人员有大量的工作来生产完整的产品。这包括打包、下行链路控制、多播等。
• 有占空比限制。 公共网络中的 868 MHz 频段存在一些固有的限制。在欧洲，主要限制是 1% 的占空比（在大多数情况下）。这意味着如果您测量网关随时间传输的平均时间长度，则它不能超过百分之一。因此，网关可以传输的数量非常有限。在美国，FCC 对 ISM 频段的规定没有此类限制。

• 它具有可变的最大传输单元 (MTU) 有效载荷大小。 LoRaWAN 的另一个大限制是 MTU 有效载荷大小根据网络分配给节点的扩展因子而变化。换句话说——如果你离网关很远，你可以传输的字节数很少，但如果你离网关很近，它会大得多；你根本无法提前知道。因此，节点固件或应用程序必须能够在应用程序层适应负载端的变化，这在您开发固件时非常具有挑战性。

  大多数开发人员通过在网络可以分配的最高扩频因子下选择最小的可用 MTU 来解决这个问题，在大多数情况下，它非常小，通常小于 12 字节。因此，需要发送大量数据（例如 300 字节）的 LoRaWAN 节点必须以 30 个 10 字节的消息发送，因为它们可能会面临分配一个小的 MTU 的情况。结果，由于处理这些不断变化的 MTU 值所需的复杂软件更改，这些节点传输的数据远远超出了必要的范围。

如果您想建立在运营商拥有和运营的公共网络上，LoRaWAN 很好。有许多硬件和网络服务器提供商在这个领域竞争，因此有很多选择。对于简单的应用程序，您没有很多节点并且不需要很多确认，LoRaWAN 可以工作。但如果您的需求更复杂，您将不可避免地遇到严重的障碍。许多 LoRaWAN 用户还没有遇到这些障碍，仅仅是因为他们的网络仍然相当小。尝试使用 LoRaWAN 来运营一个有成千上万用户做不同事情的公共网络，难度肯定会暴涨。

此外，围绕 LoRaWAN 开发和部署系统是一个复杂的过程。我们写这篇文章的原因之一是因为我们有客户接近我们，他们认为 LoRaWAN“开箱即用”，就像某些 WiFi 或蜂窝调制解调器一样。在您决定它是最适合您的路线之前，您需要确保您了解所有架构并很好地掌握系统的工作原理。

另一种解决方案：Symphony 链接

Symphony Link 是由 Link Labs 开发的替代 LoRa 协议栈。为了解决 LoRaWAN 的局限性，并提供大多数组织成功部署物联网解决方案所需的高级功能，我们在 Semtech 的芯片上构建了自己的软件。它的一些高级功能包括：

• 一个双向链接 100% 保证消息接收。节点和网关可以可靠地向上和向下通信。
• 使用网关控制的动态通道掩码，允许多个网关共存 尽可能少的碰撞。多达 48 个网关可以共存而不影响性能。
• 没有占空比限制 ，因为在欧洲，Symphony Link 使用 900 MhZ 频段。
• Symphony Link 具有比 LoRaWAN 更高的容量 ，固定 MTU 为 256 字节。它会处理所有子打包并在必要时重试消息发送以确保传递。
• Symphony Link 是一个完整的端到端物联网解决方案 开箱即用。与 LoRaWAN 相比，您可以更快地启动和运行应用。

公司选择 Symphony Link 的原因还有很多；您可以在我们的网站上阅读更多相关信息。或者，如果您想了解 Symphony Link 如何适用于您的特定用例，请立即安排该技术的免费演示。我们将向您展示它如何适用于您的 LPWA；如何在 Symphony Conductor 中设置网关和开发套件；并审查集成步骤、功率预算和范围。或者，如果您对该技术有任何疑问，请与我们联系。