LoRaWAN

 

在傳統(tǒng)的廣域連接應(yīng)用中，主要借助電信運(yùn)營(yíng)商提供的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，工業(yè)、能源、交通、物流等各行業(yè)廣泛采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。但仍有大量的設(shè)備應(yīng)用是現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)法滿足的，比如水、電、氣、熱等計(jì)量表，市政管網(wǎng)、路燈、垃圾站點(diǎn)等公用設(shè)施，大面積畜牧養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)灌溉，廣泛布局且環(huán)境惡劣的氣象、水文、礦井、山體數(shù)據(jù)采集，以及偏僻的戶外作業(yè)等。這些類型終端若采用現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可能遇到如下問(wèn)題。

 

1、信號(hào)覆蓋不足：很多設(shè)備布局在人口稀少或環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)或信號(hào)強(qiáng)度不足，難以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

 

2、功耗高：大量設(shè)備需要電池供電，若采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環(huán)境下很難實(shí)現(xiàn)。

 

3、費(fèi)效比低：設(shè)備單次傳輸數(shù)據(jù)量極小，而且傳輸頻次很低。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)為高帶寬設(shè)計(jì)，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)要占用網(wǎng)絡(luò)和碼號(hào)資源，還會(huì)產(chǎn)生包月流量費(fèi)用。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN協(xié)議，但是通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都是星狀網(wǎng)架構(gòu)，以及在此基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)化和改進(jìn)。主要包括以下3種。

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)通信，多見(jiàn)于早期的LoRa技術(shù)，A點(diǎn)發(fā)起，B點(diǎn)接收，可以回復(fù)也可以不回復(fù)確認(rèn)，多組之間的頻點(diǎn)建議分開(kāi)，如圖1所示。單純利用LoRa調(diào)制靈敏度高的特性，目前主要針對(duì)特定應(yīng)用和試驗(yàn)性質(zhì)的項(xiàng)目。優(yōu)點(diǎn)在于最簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在于不存在組網(wǎng)。

 

 

圖1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

 

 

（2）星狀網(wǎng)輪詢

一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，N個(gè)從節(jié)點(diǎn)輪流與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)上傳，等待中心點(diǎn)收到后返回確認(rèn)，然后下一個(gè)節(jié)點(diǎn)再開(kāi)始上傳，直到所有N個(gè)節(jié)點(diǎn)全部完成，一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上還屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但是加入了分時(shí)處理，N個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的頻點(diǎn)可以分開(kāi)，也可重復(fù)使用。優(yōu)勢(shì)在于單項(xiàng)目成本低，不足之處是僅適合從節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。

 

 

圖2 星狀網(wǎng)輪詢

 

 

（3）星狀網(wǎng)并發(fā)

如圖3所示，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，多個(gè)從節(jié)點(diǎn)可同時(shí)與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)外界環(huán)境和信道阻塞自動(dòng)采取跳頻和速率自適應(yīng)技術(shù)，邏輯上網(wǎng)關(guān)可以接收不同速率和不同頻點(diǎn)的信號(hào)組合，物理上網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接收8路、16路、32路甚至更多路數(shù)據(jù)，減少了大量節(jié)點(diǎn)上行時(shí)沖突的概率。該系統(tǒng)具有極大的延拓性，可單獨(dú)建網(wǎng)，可交叉組網(wǎng)，LoRa領(lǐng)域內(nèi)目前主要指的是LoRaWAN技術(shù)。

 

 

圖3 星狀網(wǎng)并發(fā)

 

 

2、系統(tǒng)組成

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和星狀網(wǎng)輪詢的系統(tǒng)組成比較簡(jiǎn)單，兩端都是節(jié)點(diǎn)，分為主從。在主節(jié)點(diǎn)收到從節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)下行確認(rèn)幀給從節(jié)點(diǎn)，然后從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，工作模式比較簡(jiǎn)單。這里主要對(duì)LoRaWAN星狀網(wǎng)并發(fā)結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明，LoRaWAN系統(tǒng)主要分為三部分：節(jié)點(diǎn)／終端、網(wǎng)關(guān)／基站，以及服務(wù)器，如圖4所示。

 

圖4 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

 

節(jié)點(diǎn)／終端（Node）：LoRa節(jié)點(diǎn)，代表了海量的各類傳感應(yīng)用，在LoRaWAN協(xié)議里被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)，平時(shí)休眠，只有在固定的窗口期才能接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)。Class A的優(yōu)勢(shì)是功耗極低，比非LoRaWAN的LoRa節(jié)點(diǎn)功耗更低，比如針對(duì)水表應(yīng)用的10年以上工作壽命通常就是基于Class A實(shí)現(xiàn)的。ClassB模式是固定周期時(shí)間同步，在固定周期內(nèi)可以隨機(jī)確定窗口期接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，兼顧實(shí)時(shí)性和低功耗，特點(diǎn)是對(duì)時(shí)間同步要求很高。Class C模式是常發(fā)常收模式，節(jié)點(diǎn)不考慮功耗，隨時(shí)可以接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性最好，適合不考慮功耗或需要大量下行數(shù)據(jù)控制的應(yīng)用，比如智能電表或智能路燈控制。

網(wǎng)關(guān)／基站（Gateway）：網(wǎng)關(guān)是建設(shè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，目的是緩解海量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)所引發(fā)的并發(fā)沖突。主要特點(diǎn)如下：

1）兼容性強(qiáng)，所有符合LoRaWAN協(xié)議的應(yīng)用都可以接入；

2）接入靈活，單網(wǎng)關(guān)可接入幾十到幾萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)入網(wǎng)，數(shù)目可延拓；

3）并發(fā)性強(qiáng)，網(wǎng)關(guān)最少可支持8頻點(diǎn)，同時(shí)隨機(jī)8路數(shù)據(jù)并發(fā)，頻點(diǎn)可擴(kuò)展；

4）可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，上下行并發(fā)不沖突，實(shí)效性強(qiáng)；

5）靈敏度高，同速率下比非LoRaWAN設(shè)備的靈敏度更高；

6）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單，星狀網(wǎng)絡(luò)可靠性更高，功耗更低；

7）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本很低。

服務(wù)器（Server）：負(fù)責(zé)LoRaWAN系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)解析，主要的控制指令都由服務(wù)器端下達(dá)。根據(jù)不同的功能，分為：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（Network Server）與網(wǎng)關(guān)通信實(shí)現(xiàn)LoRaWAN數(shù)據(jù)包的解析及下行數(shù)據(jù)打包，與應(yīng)用服務(wù)器通信生成網(wǎng)絡(luò)地址和ID等密鑰；應(yīng)用服務(wù)器（ApplicationServer）負(fù)責(zé)負(fù)載數(shù)據(jù)的加密和解密，以及部分密鑰的生成；客戶服務(wù)器（Client Server）是用戶開(kāi)發(fā)的基于B／S或C／S架構(gòu)的服務(wù)器，主要處理具體的應(yīng)用業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

LoRaWAN系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括：覆蓋范圍廣，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和施工成本，減少現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜度；服務(wù)器端鑒權(quán)可實(shí)現(xiàn)交叉覆蓋，減少覆蓋盲點(diǎn)；服務(wù)器端統(tǒng)籌管理，提高信道利用率，增加系統(tǒng)容量；網(wǎng)關(guān)多路并發(fā)減少?zèng)_突，支持節(jié)點(diǎn)跳頻，增加系統(tǒng)容量；節(jié)點(diǎn)速率自適應(yīng)（Adaptive DataRate）降低功耗和并發(fā)沖突，增加容量；安全性高，兩級(jí)AES－128（Advanced Encryption Standard－128）數(shù)據(jù)加密；星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高魯棒性；LoRaWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。