提高 LoRaWAN 的可扩展性

最近发表的论文“LoRa 低功耗广域网是否可以扩展？”英国兰开斯特大学的 Martin Bor 和 Utz Roedig 提出了 LoRaWAN ^TM 的可扩展性问题 网络。

他们的结论是“根据我们在论文中提出的研究，当前基于 LoRaWAN 的安装无法[扩展]。 （第 6 节）” 该论文估计，假设每个节点每 16.7 分钟传输 20 个字节，使用单个 LoRaWAN 网关可以安全地部署大约 120 个节点。许多连接的应用程序会发现这种密度太有限了。

Symphony Link ^TM 的核心功能之一 Link Labs LoRa 协议是一种动态参数选择算法，可显着提高吞吐量和可靠性，特别是对于没有多个网关的网络。

LoRaWAN 的可扩展性问题是 5 个因素的结果：

1. 所有网关和节点都使用相同的通道进行所有传输。
2. 播出时间可能很长。 （最多 2 秒）
3. 所有上行传输都是不协调的（Pure Aloha）
4. 所有网关传输（确认和下行链路流量）都使网关“关闭”，尝试传输的节点不知道。
5. 基于 SX1301 的 LoRa 网关只有 8 个接收器调制解调器来处理并发流量。

LoRa 联盟 （Link Labs 是成员）会发现很难充分解决这些限制，因为既定的目标是保持向后兼容性。很难将组织功能添加到需要同时容忍遗留的、不协调的节点的网络中。

Symphony Link 通过 6 种方式提高可扩展性：

1. 频块跳跃
2. 动态发射功率和扩频因子选择
3. 同步上行时隙
4. 可变上行/下行时间边界
5. 压缩确认
6. 服务质量
7. 先听后说

频块跳跃

在 Symphony Link 中，每个节点一次与一个网关配对。该网关通告当前帧中节点可用的上行链路频率。这允许网关伪随机地将整个 ISM 频谱用于上行链路流量，同时最大限度地减少与其他网关/网络的上行链路冲突。

此外，如果网关检测到频段某部分的干扰，则不会在该频谱中放置上行信道。

通过使用块跳跃来创建数百个上行链路通道，Symphony Link 节点完全符合 FHSS（第 15 部分），这意味着如果需要，传输功率可以达到 1W。美国的 LoRaWAN 认证需要低功耗的“混合”模式，因为 LoRaWAN 仅跳过 8 个固定通道。

动态发射功率和扩频因子选择

为了充分利用正交扩展因子（SF）（网关可以听到每个信道的多个传输），节点必须使用具有最短空中时间的SF。

此外，由于 LoRa 的动态范围只有 20 dB（在存在强信号的情况下能够听到弱信号），因此靠近网关的节点必须以低于全功率的功率进行传输。

Symphony Link 节点通过在传输之前测量网关帧头的 RSSI（每 2 秒）来实现这一点。然后计算反向链路预算，并调整功率输出和 SF 以匹配。它还应用用户可设置的链路惩罚，以确保快速衰落不会影响信噪比 (SNR)。

同步上行时隙

LoRaWAN 是一个“纯 Aloha”网络，这意味着节点可以随时传输，无需协调。这些网络的最大效率约为 16%。当您添加时隙时，您可以将这种效率提高一倍。

但是，为了添加插槽，您需要有某种同步信号。在 Symphony Link 中，网关帧报头设置每个扩频因子的可用时隙定时。然后节点可以随机选择一个时隙，以尽量减少它们干扰另一个节点的机会。

可变上行/下行时间边界

当 LoRaWAN 网关传输时，该网络中的节点不知道它本质上不可用。在 Symphony Link 中，我们添加了一个可变的上行/下行边界，以便节点知道网关何时可用，何时不可用。

LoRaWAN 通过集中控制的网络服务器在许多网关之间共享下行链路流量解决了这个问题，但对于没有许多网关预算的用例，它不太可能有帮助。

压缩确认

LoRaWAN 确认是一种昂贵的资源，因为用于确认消息的任何时间都是网关无法接收上行链路流量的时间。

Symphony Link 将所有确认分组为一个高度压缩的消息，在前一帧中传输的所有节点都会收到该消息。

服务质量

简单地说，QOS 允许某些节点使用比其他节点更多的资源，从而使重要的流量优先于不太重要的流量。这样，在拥塞的网络中，最重要的消息（警报等）仍将通过。

先听后说

最后，Symphony Link 节点在传输之前检查通道是否没有任何相邻节点。如果他们确实检测到该时段中的另一个用户，他们会立即跳转到新频道。