解读LoRaWAN是如何运作的?有何技术限制和替代协议

考虑使用LoRaWAN部署您的物联网解决方案?倘若您正在开发用于工业或企业用途的专用网络解决方案,那么您需要了解此技术的一些限制(以及在许多情况下将为您提供更好服务的替代协议)。

在本文中,我们将深入探讨:

    • LoRa与LoRaWAN的区别
    • LoRaWAN如何运作
    • LoRaWAN A,B和C类
    • 啁啾率,处理增益和正交性
    • 利用LoRaWAN构建专用网络的障碍
    • 另一种解决方案:Symphony Link

LoRa与LoRaWAN的区别

有时人们认为术语LoRa和LoRaWAN意思相同,其实它们是有所不同的。

LoRa是一种用于发送无线电信号的方法,该无线电信号使用啁啾的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也被许可给其他芯片制造商。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是一种较低级别的物理层技术,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; 它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。

LoRaWAN如何运作

在最基础的层面上,像LoRaWAN这样的无线电协议则显得比较简单。

例如,假设您有四个网关和一个节点。节点盲目地传输到无线电频谱中,任何有幸听到传输的网关都可以接收它并将其发送到云端。所有四个网关都可能听到该消息并发送它。(这样做的一个优点是:尽管链路很弱,但仍然可以传输消息。如果一个节点发送了五条消息而只有一条消息发送,那么你的消息仍然可以通过。)

邮件一旦发送,就不会收到确认。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收到相同的消息,则云选择一个网关在固定时间响应,通常在几秒钟后响应。那么问题是:当该网关传输回节点时,它会停止收听其他所有内容。因此,如果您的应用程序需要大量确认,则很可能会花费更多时间来传输确认而不是倾听,这最终会导致网络崩溃。

上图显示了LoRaWAN的运行方式。顶部栏指示网关是否正在传输。(如果是橙色,它正在传输;如果它是蓝色,则不是。)底部的条形图显示了接收器通道。几乎所有LPWAN系统(包括LoRaWAN)都有多个接收通道,大多数LoRaWAN系统可以在任意数量的频道上同时接收八条消息。

LoRaWAN A,B和C类

LoRaWAN有三个同时运行的类。A类纯粹是异步的,我们称之为纯ALOHA系统。这意味着终端节点不会等待特定时间与网关通话 – 它们只需在需要时进行传输,并在此之前处于休眠状态。如果您拥有一个完全协调的八个频道系统,您可以在每个时段填充一条消息。一个节点完成传输后,另一个节点立即启动。在没有任何通信空白的情况下,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发送而另一个节点正在唤醒并决定在相同的频率信道中使用相同的无线电设置进行发送,则它们将发生冲突。

B类允许将消息发送到电池供电的节点。每128秒,网关发送一个信标。(参见图顶部的时隙。)所有LoRaWAN基站在同一时间发送信标消息,因为它们是每秒一个脉冲(1PPS)的从属信号。这意味着轨道上的每颗GPS卫星都会在每秒开始时发送一条消息,让时间在世界各地同步。所有B类节点在128秒周期内被分配一个时隙,并被告知何时收听。例如,您可以告诉节点每十个时隙监听一次,当这个时间点出现时,它允许传输下行链路消息(见上图)。

C类允许节点不断监听,并且可以随时发送下行链路消息。这主要用于交流供电应用,因为它总是需要很多能量来保持节点主动唤醒运行接收器。

啁啾率,处理增益和正交性

注意:在LoRaWAN中,扩频因子(SF)指的是啁啾率。该图显示了随时间变化的LoRa Chirp调制。可以在同一频率信道中同时解码不同的SF。

LoRa通过以非常线性的方式随时间移动RF音调来工作。该图显示了反向瀑布中的啁啾 – 最新数据位于顶部,称为“向上啁啾”。您可以看到音调的频率随时间的增加。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编码符号。LoRa传输在特定时间从一个地方跳到另一个地方的事实可能意味着一个字符串与另一个字符串。它不仅仅是二进制 – 它可以传达很多信息(高符号深度)。

暂时想一想纯频移键控(FSK)。如果音调静止了一段时间然后跳到其他地方一段时间,你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,可以代表更多符号。LoRa采用了这个概念,但它在唧唧声中做了一切。因此,它正在获得处理收益。因为它具有非常独特的模式,所以LoRa接收器可以检测到更安静的啁啾声,即低于本底噪声。如果您以不同的啁啾率在同一信道中发生另一次传输,则它是正交的 – 这意味着它可以同时被检测到。总而言之,接收方有很多容量。

利用LoRaWAN构建专用网络的障碍

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

1、多个网关的共存允许干扰。使用LoRaWAN,所有网关 – 无论是谁拥有或操作它们 – 都被调谐到相同的频率。这意味着您的LoRaWAN网络可以看到我的所有流量,反之亦然。最好只在一个区域内运行一个网络,以避免碰撞问题。但是,可以通过LoRa联盟为特定用途留出特定渠道。网络运营商还可以从服务器端限制其网络中的下行链路量,以确保低优先级端点不会使用下行链路流量“阻塞”网络。

2、它不保证收到邮件。LoRaWAN是一种基于ALOHA的异步协议,其中包错误率(PER)超过50%是常见的。这对于某些抄表应用来说很好,但对于工业或企业传感器网络或控制系统,需要0%的PER。消息传递的“喷雾和祈祷”方法不适用于大多数工业用例,这就是LoRaWAN最适合上行链路网络的原因。 

3、它需要相当多的开发工作。客户面临的另一个挑战是LoRaWAN主要是数据链路(MAC)层(OSI第2层),只有网络层的一些元素(OSI第3层)。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,后端服务器以及生态系统的其他所有部分。虽然这允许应用程序具有很大的灵活性,但它使应用程序开发人员能够进行大量工作来生成完整的产品。这包括分组化,下行链路控制,多播等。

4、有责任周期限制。公共网络中的868 MHz频段存在一些固有的局限性。在欧洲,主要限制是1%的工作周期(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,则不能超过百分之一。因此,网关的传输量非常有限。在美国,FCC对ISM频段的规定没有这样的限制。

5、它具有可变的最大传输单元(MTU)有效载荷大小。LoRaWAN的另一个重要限制是MTU有效载荷大小可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,但是如果你接近它就会大得多; 你根本无法提前知道。因此,节点固件或应用程序必须能够适应应用层的有效负载侧的变化,这在您开发固件时非常具有挑战性。

6、大多数开发人员通过选择网络可以分配的最高扩频因子的最小可用MTU来解决这个问题,这在大多数情况下非常小,通常小于12个字节。因此,需要发送大量数据(例如300字节)的LoRaWAN节点必须在30个10字节消息中发送它,因为它们可能面临分配小MTU的情况。结果,由于处理这些改变的MTU值所需的复杂软件改变,那些节点传输的量远远超过必要的。

7、如果你想建立在运营商拥有和运营的公共网络上,LoRaWAN是不错的选择。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,如果您没有很多节点并且不需要大量的确认,那么LoRaWAN可以正常工作。但如果您的需求更加复杂,您将不可避免地遇到严重的障碍。许多LoRaWAN用户还没有经历过这些障碍,仅仅是因为他们的网络仍然相当小。尝试使用LoRaWAN操作公共网络,成千上万的用户做不同的事情,困难肯定会飙升。

此外,围绕LoRaWAN开发和部署系统是一个复杂的过程。就像一些WiFi或蜂窝调制解调器一样。您需要确保了解所有架构,并在决定系统最佳路线之前掌握系统的工作原理。

另一种解决方案:Symphony Link

Symphony Link是Link Labs开发的另一种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,它在Semtech的芯片之上构建了自己的软件。它的一些高级功能包括:

    • 甲双向链路对100%的保证消息接收。节点和网关可以上下可靠地通信。
    • 它使用由网关控制的动态通道掩码,允许多个网关与尽可能少的冲突共存。多达48个网关可以共存而不会影响性能。
    • 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。它会在必要时处理所有子包装和重试消息发送,以确保交付。
    • Symphony Link是一个完整的端到端物联网解决方案,可立即使用。与LoRaWAN相比,您可以更快地启动和运行应用程序。
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