有時(shí)人們認(rèn)為術(shù)語(yǔ)LoRa和LoRaWAN意思相同，但它們是不同的。
LoRa是一種用于發(fā)送無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的方法，該方法使用啁啾的多符號(hào)格式來(lái)編碼信息。它是由芯片制造商Semtech制造的專(zhuān)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(wú)線(xiàn)電芯片，可以使用LoRa(或其他調(diào)制類(lèi)型，如FSK)將射頻轉(zhuǎn)換為比特，而無(wú)需編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電波; 它是關(guān)于無(wú)線(xiàn)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(zhuān)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(wú)線(xiàn)電協(xié)議非常簡(jiǎn)單。星際網(wǎng)絡(luò)交談的方式類(lèi)似于講座中的教授和學(xué)生。網(wǎng)關(guān)(教授)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)(類(lèi))說(shuō)話(huà)，反之亦然。這是溝通方面的不對(duì)稱(chēng)關(guān)系。班上的每個(gè)人都可能試圖同時(shí)與教授溝通，但教授不能同時(shí)聽(tīng)到或理解他們。雖然極度過(guò)于簡(jiǎn)單，但是星形拓?fù)涞脑S多元素都可以追溯到這個(gè)類(lèi)比。
這是實(shí)踐中的樣子：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(wú)線(xiàn)電頻譜中，任何有幸聽(tīng)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(tīng)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(guò)。)
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(wèn)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(tīng)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(lái)傳輸確認(rèn)而不是傾聽(tīng)，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類(lèi)A，B和C
LoRaWAN有三個(gè)同時(shí)運(yùn)行的類(lèi)。A類(lèi)純粹是異步的，我們稱(chēng)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(huà) - 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(méi)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，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(wú)線(xiàn)電設(shè)置進(jìn)行發(fā)送，則它們將發(fā)生沖突。
B類(lèi)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(jiàn)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(kāi)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(lèi)節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)128秒周期內(nèi)的時(shí)隙，并被告知何時(shí)收聽(tīng)。例如，您可以告訴節(jié)點(diǎn)每隔十分鐘收聽(tīng)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(jiàn)上圖)。
C類(lèi)允許節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)聽(tīng)，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的應(yīng)用，因?yàn)樗偸切枰芏嗄芰縼?lái)保持節(jié)點(diǎn)主動(dòng)喚醒運(yùn)行接收器。
LoRa通過(guò)以非常線(xiàn)性的方式隨時(shí)間移動(dòng)RF音調(diào)來(lái)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(chēng)為“向上啁啾”。您可以看到音調(diào)的頻率隨時(shí)間的增加情況。LoRa傳輸通過(guò)啁啾來(lái)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)大量信息(高符號(hào)深度)。
暫時(shí)考慮純頻移鍵控(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(xiàn)條或音調(diào)。這被稱(chēng)為2-ary FSK，其表示兩個(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，LoRa接收器可以檢測(cè)更安靜的啁啾，即低于本底噪聲。如果您以不同的啁啾率在同一頻道中發(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(cè)到?？偠灾?，接收方有很多容量。
利用LoRaWAN構(gòu)建專(zhuān)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(hù)部署(也稱(chēng)為專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò))解決方案。主要原因是：
多個(gè)網(wǎng)關(guān)的共存允許干擾。使用LoRaWAN，所有網(wǎng)關(guān) - 無(wú)論誰(shuí)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(wèn)題。
但是，可以通過(guò)LoRa聯(lián)盟為特定用途留出特定的渠道。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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)。
它不保證收到消息。LoRaWAN是一種基于A(yíng)LOHA的異步協(xié)議，其中包錯(cuò)誤率(PER)超過(guò)50%是常見(jiàn)的。這適用于某些抄表應(yīng)用，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。
它需要相當(dāng)多的開(kāi)發(fā)工作?？蛻?hù)面臨的另一個(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(méi)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)器和生態(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(kāi)發(fā)人員能夠進(jìn)行大量工作來(lái)生成完整的產(chǎn)品。這包括分組化，下行鏈路控制，組播等。
存在占空比限制。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(cè)量網(wǎng)關(guān)隨時(shí)間傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間長(zhǎng)度，則不能超過(guò)百分之一。因此，網(wǎng)關(guān)的傳輸量非常有限。在美國(guó)，F(xiàn)CC對(duì)ISM頻段的規(guī)定沒(méi)有這樣的限制。
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)重大限制是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(huà)說(shuō) - 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(wú)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(kāi)發(fā)固件時(shí)非常具有挑戰(zhàn)性。
大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員通過(guò)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)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，由于處理這些變化的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(guò)必要的。
如果你想建立在運(yùn)營(yíng)商擁有和運(yùn)營(yíng)的公共網(wǎng)絡(luò)上，LoRaWAN是好的。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(jìng)爭(zhēng)，因此有很多選擇。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序，如果您沒(méi)有很多節(jié)點(diǎn)并且不需要大量的確認(rèn)，那么LoRaWAN可以工作。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(hù)還沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)這些障礙，僅僅是因?yàn)樗麄兊木W(wǎng)絡(luò)仍然很小。嘗試使用LoRaWAN操作公共網(wǎng)絡(luò)，成千上萬(wàn)的用戶(hù)做不同的事情，困難肯定會(huì)飆升。
此外，圍繞LoRaWAN開(kāi)發(fā)和部署系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。我們寫(xiě)這篇文章的原因之一是因?yàn)槲覀冏尶蛻?hù)接近我們的印象是LoRaWAN“開(kāi)箱即用”，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(xiàn)之前掌握系統(tǒng)的工作原理。
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