1.總體介紹
隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無線技術(shù)的飛速發(fā)展，NB-IoT模塊、LoRa模塊、zigbee模塊、WiFi模塊、SigFox等無線通信技術(shù)名詞時(shí)不時(shí)出現(xiàn)在我們的視野中，對(duì)普通讀者或者剛剛接觸物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的人來說，在一大堆名詞面前可能會(huì)混淆。本文資本論將針對(duì)LoRa無線技術(shù)和LoRaWAN通信協(xié)議做細(xì)致的介紹與比較?？傮w而言，LoRa僅包含鏈路層協(xié)議，并且非常適用于節(jié)點(diǎn)間的P2P通信；同時(shí)，LoRa模塊也比LoRaWAN模塊便宜一點(diǎn)。
LoRaWAN協(xié)議也包含網(wǎng)絡(luò)層，因此可以將信息發(fā)送到任何已連接到云平臺(tái)的基站。只需將正確的天線連接到其插座，LoRaWAN模塊就可以以不同的頻率工作。
2.LoRa無線技術(shù)是什么
雖然LoRa無線技術(shù)經(jīng)常被誤用來描述整個(gè)LPWAN通信系統(tǒng)，但嚴(yán)格來說，LoRa無線技術(shù)是Semtech擁有的專有調(diào)制格式。 SX1272和SX1276射頻LoRa芯片使用稱為chirp擴(kuò)頻（CSS）的調(diào)制技術(shù)來組成技術(shù)棧的物理層（PHY）。
LoRa協(xié)議有兩種不同的協(xié)議棧：LoRaWAN和Symphony Link。 Symphony Link適用于需要高級(jí)功能的工業(yè)和企業(yè)用戶。 LoRaWAN適用于基于LoRaWAN協(xié)議的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在歐洲發(fā)展得比較快。
低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）預(yù)計(jì)將會(huì)支持物聯(lián)網(wǎng)預(yù)測(cè)的數(shù)十億設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中，由很多個(gè)組件組成。物理（PHY）層在硬件層面定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)格。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)檢測(cè)PHY層的變化并建立發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議。
3.LoRaWAN協(xié)議是什么
LoRaWAN協(xié)議是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，它定義了基于LoRa芯片的LPWAN技術(shù)的通信協(xié)議。 LoRaWAN協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層定義媒體訪問控制（MAC），由LoRa聯(lián)盟維護(hù)。 LoRa和LoRaWAN之間的這種區(qū)別很重要，因?yàn)長ink Labs等其他公司在LoRa芯片的頂部使用專有的MAC層來創(chuàng)建更好的混合設(shè)計(jì) - 在Link Labs案例中稱為Symphony Link。
正如上文提到的，LoRaWAN無關(guān)模塊是一種媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議，專為具有單一運(yùn)營商的大型公共網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。 它使用Semtech的LoRa調(diào)制方案構(gòu)建，具體涉及到以下幾方面：
3.1 使用LoRa構(gòu)建公共網(wǎng)絡(luò)
你可能已經(jīng)了解到LoRaWAN不適合專用網(wǎng)絡(luò)的解決方案，目前它的確更適合于公共廣域網(wǎng)絡(luò)。其根本原因在于在LoRaWAN中，所有頻道都調(diào)到相同的頻率，并且在單一區(qū)域最好只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作以避免碰撞問題。
由于網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)關(guān)都綁定到同一臺(tái)服務(wù)器，因此確定哪個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)對(duì)傳輸作出響應(yīng)是服務(wù)器的工作。在大型網(wǎng)絡(luò)中，任何給定的傳輸通常由多個(gè)接收器接收到，然后服務(wù)器通知一個(gè)網(wǎng)關(guān)作出響應(yīng)，其他網(wǎng)關(guān)忽略傳輸。該過程有助于避免下行鏈路和上行鏈路沖突，因?yàn)閱蝹€(gè)網(wǎng)關(guān)正在傳輸，而且重疊的網(wǎng)關(guān)可以簡單地偵聽其他傳輸。
另外，可以通過LoRa聯(lián)盟來為特定用途設(shè)置特定頻道。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也可以從服務(wù)器端限制其網(wǎng)絡(luò)中的下行鏈路數(shù)量，以確保低優(yōu)先級(jí)端點(diǎn)不會(huì)因下行鏈路流量而“堵塞”網(wǎng)絡(luò)。
具體應(yīng)用中面臨的另一個(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）。雖然這為應(yīng)用程序提供了很大的靈活性，但它使應(yīng)用程序開發(fā)人員有相當(dāng)數(shù)量的工作來提供完整的產(chǎn)品。這包括分組化，下行鏈路控制，多播等。
3.2 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)模塊如何工作
在最基本的層面上，像LoRaWAN這樣的無線協(xié)議相當(dāng)簡單。LoRaWAN是一種星型或星型對(duì)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诒３蛛姵仉娏坎⒃黾油ㄐ欧秶矫娴膬?yōu)勢(shì)，所以普遍認(rèn)為它比網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)更好。
具體而言，星型拓?fù)渫ㄟ^網(wǎng)關(guān)將消息中繼到中央服務(wù)器，每個(gè)末端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)網(wǎng)關(guān)。然后網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上執(zhí)行冗余檢測(cè)，安全檢查和消息調(diào)度。
這種設(shè)計(jì)的兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)在于：
1. 更簡單的跟蹤：由于終端節(jié)點(diǎn)向多個(gè)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此不需要網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)的通信。這簡化了終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)跟蹤應(yīng)用的邏輯。
2. 更好的公共網(wǎng)絡(luò)：這種不對(duì)成的關(guān)系讓中央服務(wù)器來解決碰撞問題，所以LoRaWAN可能更適合部署在公共網(wǎng)絡(luò)。
上圖顯示了LoRaWAN的主要運(yùn)行過程。 頂欄顯示網(wǎng)關(guān)是否正在傳輸。 （橙色表示正在傳輸;藍(lán)色不在傳輸。）底部顯示接收器通道，幾乎所有的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)量的頻率通道上同時(shí)接收八條消息。
4.LoRaWAN的A類、B類、C類
LoRaWAN有三個(gè)同時(shí)操作的類。 A類是異步的，這意味著終端節(jié)點(diǎn)不會(huì)等待特定的時(shí)間與網(wǎng)關(guān)通話，而是只在需要時(shí)進(jìn)行傳輸，在此之前一直處于休眠狀態(tài)。只要一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成傳輸，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)立即開始。在溝通方面沒有任何差距，純阿羅哈網(wǎng)絡(luò)的理論最大容量約為此最大值的18.4％。這主要是由于碰撞，因?yàn)槿绻粋€(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)射并且另一個(gè)節(jié)點(diǎn)醒來并決定使用相同的無線電設(shè)置在相同的頻道中發(fā)射，則它們將發(fā)生沖突。
B類允許將消息發(fā)送到電池供電節(jié)點(diǎn)。每128秒，網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)。所有LoRaWAN基站都同時(shí)發(fā)送信標(biāo)消息，因?yàn)樗鼈儚膶儆谝粋€(gè)脈沖每秒（1PPS）。這意味著每個(gè)在軌軌道上的GPS衛(wèi)星都會(huì)在每秒開始時(shí)傳輸一條信息，從而讓世界各地的時(shí)間同步。所有B類節(jié)點(diǎn)在128秒周期內(nèi)被分配一個(gè)時(shí)隙，并被告知何時(shí)收聽。
C類允許節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)聽，并可隨時(shí)發(fā)送下行消息。這主要用于交流供電的應(yīng)用，因?yàn)樗枰馁M(fèi)大量的精力來保持節(jié)點(diǎn)始終保持清醒地運(yùn)行接收器。
5.總結(jié)
綜上所述，面對(duì)類似于LoRa和LoRaWAN這樣容易混淆的名詞，其實(shí)只要系統(tǒng)梳理一下就可以發(fā)現(xiàn)其中的區(qū)別。下表總結(jié)了兩者之間最主要的幾點(diǎn)特性：
結(jié)合上圖，用最簡單的公式，你可以這么理解：
LoRa = PHY Layer
LoRaWAN or Symphony Link = MAC Layer
LoRa + LoRaWAN = LPWAN ?
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