解读LoRaWAN是如何运作的?有何技术限制和替代协议

思量使用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,那么您需要领会此手艺的一些限制(以及在许多情形下将为您提供更好服务的替换协议)。

在本文中,我们将深入探讨:

    • LoRa与LoRaWAN的区别

    • LoRaWAN若何运作

    • LoRaWAN A,B和C类

    • 啁啾率,处置增益和正交性

    • 行使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,实在它们是有所差别的。

LoRa是一种用于发送无线电信号的方式,该无线电信号使用啁啾的多符号花样来编码信息。它是由芯片制造商Semtech制造的专有系统; 其LoRa IP也被允许给其他芯片制造商。本质上,这些芯片是尺度的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手艺,可用于广域以外的种种应用。

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; 它是关于无线电波若何与LoRaWAN网关通讯以执行加密和识别等操作。它还包罗一个云组件,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若何运作

在最基础的层面上,像LoRaWAN这样的无线电协议则显得比较简朴。

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吸收它并将其发送到云端。所有四个网关都可能听到该新闻并发送它。(这样做的一个优点是:只管链路很弱,但仍然可以传输新闻。若是一个节点发送了五条新闻而只有一条新闻发送,那么你的新闻仍然可以通过。)

邮件一旦发送,就不会收到确认。然则,LoRaWAN中的节点可以请求确认。若是请求确认而且所有四个网关都收到相同的新闻,则云选择一个网关在牢固时间响应,通常在几秒钟后响应。那么问题是:当该网关传输回节点时,它会住手收听其他所有内容。因此,若是您的应用程序需要大量确认,则很可能会破费更多时间来传输确认而不是谛听,这最终会导致网络溃逃。

上图显示了LoRaWAN的运行方式。顶部栏指示网关是否正在传输。(若是是橙色,它正在传输;若是它是蓝色,则不是。)底部的条形图显示了吸收器通道。险些所有LPWAN系统(包罗LoRaWAN)都有多个吸收通道,大多数LoRaWAN系统可以在随便数目的频道上同时吸收八条新闻。

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守候特定时间与网关通话 – 它们只需在需要时举行传输,并在此之前处于休眠状态。若是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新闻。一个节点完成传输后,另一个节点立刻启动。在没有任何通讯空缺的情形下,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,由于若是一个节点正在发送而另一个节点正在叫醒并决议在相同的频率信道中使用相同的无线电设置举行发送,则它们将发生冲突。

B类允许将新闻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基站在统一时间发送信标新闻,由于它们是每秒一个脉冲(1PPS)的隶属信号。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新闻,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,并被见告何时收听。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新闻(见上图)。

C类允许节点不停监听,而且可以随时发送下行链路新闻。这主要用于交流供电应用,由于它总是需要许多能量来保持节点自动叫醒运行吸收器。

啁啾率,处置增益和正交性

注重:在LoRaWAN中,扩频因子(SF)指的是啁啾率。该图显示了随时间转变的LoRa Chirp调制。可以在统一频率信道中同时解码差别的SF。

LoRa通过以异常线性的方式随时间移动RF音调来事情。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添。LoRa传输通过啁啾来事情,在时间和频率方面打破差别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 – 它可以转达许多信息(高符号深度)。

暂时想一想纯频移键控(FSK)。若是音调静止了一段时间然后跳到其他地方一段时间,你会看到差别的线条或音调。这称为2-ary FSK,示意两个频率符号。M-ary FSK具有多个频率音调,可以代表更多符号。LoRa采用了这个观点,但它在唧唧声中做了一切。因此,它正在获得处置收益。由于它具有异常怪异的模式,以是LoRa吸收器可以检测到更平静的啁啾声,即低于本底噪声。若是您以差别的啁啾率在统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,吸收方有许多容量。

行使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。主要缘故原由是:

1、多个网关的共存允许滋扰。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,以制止碰撞问题。然则,可以通过LoRa同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“壅闭”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)跨越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。新闻通报的“喷雾和祈祷”方式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缘故原由。 

3、它需要相当多的开发事情。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)。停止今天,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互助,划分获取节点,网关,后端服务器以及生态系统的其他所有部门。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举行大量事情来天生完整的产物。这包罗分组化,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%的事情周期(在大多数情形下)。这意味着若是您丈量网关随时间传输的平均时间长度,则不能跨越百分之一。因此,网关的传输量异常有限。在美国,FCC对ISM频段的划定没有这样的限制。

5、它具有可变的最大传输单元(MTU)有用载荷巨细。LoRaWAN的另一个主要限制是MTU有用载荷巨细可根据网络分配给节点的扩展因子而转变。换句话说 – 若是你离网关很远,你可以传输的字节数很少,然则若是你靠近它就会大得多; 你基本无法提前知道。因此,节点固件或应用程序必须能够顺应应用层的有用负载侧的转变,这在您开发固件时异常具有挑战性。

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,这在大多数情形下异常小,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字节新闻中发送它,由于它们可能面临分配小MTU的情形。效果,由于处置这些改变的MTU值所需的庞大软件改变,那些节点传输的量远远跨越需要的。

7、若是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,因此有许多选择。对于简朴的应用程序,若是您没有许多节点而且不需要大量的确认,那么LoRaWAN可以正常事情。但若是您的需求加倍庞大,您将不可制止地遇到严重的障碍。许多LoRaWAN用户还没有经历过这些障碍,仅仅是由于他们的网络仍然相当小。实验使用LoRaWAN操作公共网络,成千上万的用户做差别的事情,难题肯定会飙升。

此外,围绕LoRaWAN开发和部署系统是一个庞大的历程。就像一些WiFi或蜂窝调制解调器一样。您需要确保领会所有架构,并在决议系统最佳门路之前掌握系统的事情原理。

另一种解决方案:Symphony Link

Symphony Link是Link Labs开发的另一种LoRa协议栈。为领会决LoRaWAN的局限性并提供大多数组织乐成部署物联网解决方案所需的高级功效,它在Semtech的芯片之上构建了自己的软件。它的一些高级功效包罗:

    • 甲双向链路对100%的保证新闻吸收。节点和网关可以上下可靠地通讯。

    • 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,由于在欧洲,Symphony Link使用900 MhZ频段。

    • Symphony Link具有比LoRaWAN更高的容量,牢固MTU为256字节。它会在需要时处置所有子包装和重试新闻发送,以确保交付。

    • Symphony Link是一个完整的端到端物联网解决方案,可立刻使用。与LoRaWAN相比,您可以更快地启动和运行应用程序。

留下评论