LoRaWAN

 

在传统的广域连接应用中，主要借助电信运营商提供的蜂窝网络进行连接，工业、能源、交通、物流等各行业广泛采用蜂窝网络实现互联。但仍有大量的设备应用是现有蜂窝网络技术无法满足的，比如水、电、气、热等计量表，市政管网、路灯、垃圾站点等公用设施，大面积畜牧养殖和农业灌溉，广泛布局且环境恶劣的气象、水文、矿井、山体数据采集，以及偏僻的户外作业等。这些类型终端若采用现有运营商蜂窝网络进行联网，可能遇到如下问题。

 

1、信号覆盖不足：很多设备布局在人口稀少或环境复杂的区域，运营商网络覆盖盲区或信号强度不足，难以保障数据的稳定传输。

 

2、功耗高：大量设备需要电池供电，若采用蜂窝网络则需频繁更换电池，这在很多恶劣环境下很难实现。

 

3、费效比低：设备单次传输数据量极小，而且传输频次很低。目前蜂窝网络为高带宽设计，采用蜂窝网络要占用网络和码号资源，还会产生包月流量费用。

网络架构

目前，基于LoRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，也有少量的非LoRaWAN协议，但是通信系统网络都是星状网架构，以及在此基础上的简化和改进。主要包括以下3种。

（1）点对点通信

一点对一点通信，多见于早期的LoRa技术，A点发起，B点接收，可以回复也可以不回复确认，多组之间的频点建议分开，如图1所示。单纯利用LoRa调制灵敏度高的特性，目前主要针对特定应用和试验性质的项目。优点在于最简单，缺点在于不存在组网。

 

 

图1 点对点通信

 

 

（2）星状网轮询

一点对多点通信，N个从节点轮流与中心点通信，从节点上传，等待中心点收到后返回确认，然后下一个节点再开始上传，直到所有N个节点全部完成，一个循环周期结束，如图2所示。该结构本质上还属于点对点通信，但是加入了分时处理，N个从节点之间的频点可以分开，也可重复使用。优势在于单项目成本低，不足之处是仅适合从节点数量不大和网络实时性要求不高的应用。

 

 

图2 星状网轮询

 

 

（3）星状网并发

如图3所示，一点对多点通信，多个从节点可同时与中心点通信，从节点可随机上报数据，节点可以根据外界环境和信道阻塞自动采取跳频和速率自适应技术，逻辑上网关可以接收不同速率和不同频点的信号组合，物理上网关可以同时接收8路、16路、32路甚至更多路数据，减少了大量节点上行时冲突的概率。该系统具有极大的延拓性，可单独建网，可交叉组网，LoRa领域内目前主要指的是LoRaWAN技术。

 

 

图3 星状网并发

 

 

2、系统组成

点对点通信和星状网轮询的系统组成比较简单，两端都是节点，分为主从。在主节点收到从节点上行数据后会发下行确认帧给从节点，然后从节点进入休眠，工作模式比较简单。这里主要对LoRaWAN星状网并发结构进行展开说明，LoRaWAN系统主要分为三部分：节点／终端、网关／基站，以及服务器，如图4所示。

 

图4 LoRaWAN系统架构示意图

 

节点／终端（Node）：LoRa节点，代表了海量的各类传感应用，在LoRaWAN协议里被分为Class A、Class B和Class C三类不同的工作模式。Class A工作模式下节点主动上报，平时休眠，只有在固定的窗口期才能接收网关下行数据。Class A的优势是功耗极低，比非LoRaWAN的LoRa节点功耗更低，比如针对水表应用的10年以上工作寿命通常就是基于Class A实现的。ClassB模式是固定周期时间同步，在固定周期内可以随机确定窗口期接收网关下行数据，兼顾实时性和低功耗，特点是对时间同步要求很高。Class C模式是常发常收模式，节点不考虑功耗，随时可以接收网关下行数据，实时性最好，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能电表或智能路灯控制。

网关／基站（Gateway）：网关是建设LoRaWAN网络的关键设备，目的是缓解海量节点数据上报所引发的并发冲突。主要特点如下：

1）兼容性强，所有符合LoRaWAN协议的应用都可以接入；

2）接入灵活，单网关可接入几十到几万个节点，节点随机入网，数目可延拓；

3）并发性强，网关最少可支持8频点，同时随机8路数据并发，频点可扩展；

4）可实现全双工通信，上下行并发不冲突，实效性强；

5）灵敏度高，同速率下比非LoRaWAN设备的灵敏度更高；

6）网络拓扑简单，星状网络可靠性更高，功耗更低；

7）网络建设成本和运营成本很低。

服务器（Server）：负责LoRaWAN系统的管理和数据解析，主要的控制指令都由服务器端下达。根据不同的功能，分为：网络服务器（Network Server）与网关通信实现LoRaWAN数据包的解析及下行数据打包，与应用服务器通信生成网络地址和ID等密钥；应用服务器（ApplicationServer）负责负载数据的加密和解密，以及部分密钥的生成；客户服务器（Client Server）是用户开发的基于B／S或C／S架构的服务器，主要处理具体的应用业务和数据呈现。

LoRaWAN系统的优势包括：覆盖范围广，节省网络优化和施工成本，减少现场施工复杂度；服务器端鉴权可实现交叉覆盖，减少覆盖盲点；服务器端统筹管理，提高信道利用率，增加系统容量；网关多路并发减少冲突，支持节点跳频，增加系统容量；节点速率自适应（Adaptive DataRate）降低功耗和并发冲突，增加容量；安全性高，两级AES－128（Advanced Encryption Standard－128）数据加密；星状网络结构提高鲁棒性；LoRaWAN协议标准化。