深度解析LoRa和LoRaWAN的区别

1.总体介绍

随着物联网技术的飞速发展,NB-IoT、LoRa、SigFox等技术名词时不时出现在我们的视野中,对普通读者或者刚刚接触物联网领域的人来说,在一大堆名词面前可能会混淆。本文资本论将针对LoRa和LoRaWN做细致的介绍与比较。总体而言,LoRa仅包含链路层协议,并且非常适用于节点间的P2P通信;同时,LoRa模块也比LoRaWAN便宜一点。

LoRaWAN也包含网络层,因此可以将信息发送到任何已连接到云平台的基站。只需将正确的天线连接到其插座,LoRaWAN模块就可以以不同的频率工作。

2.LoRa是什么

虽然LoRa经常被误用来描述整个LPWAN通信系统,但严格来说,LoRa是Semtech拥有的专有调制格式。 SX1272和SX1276 LoRa芯片使用称为chirp扩频(CSS)的调制技术来组成技术栈的物理层(PHY)。

LoRa有两种不同的协议栈:LoRaWAN和Symphony Link。 Symphony Link适用于需要高级功能的工业和企业用户。 LoRaWAN适用于基于LoRaWAN的移动网络,在欧洲发展得比较快。

低功耗广域网(LPWAN)预计将会支持物联网预测的数十亿设备,在整个系统中,由很多个组件组成。物理(PHY)层在硬件层面定义了数据传输的电气规格。数据链路层负责检测PHY层的变化并建立发送数据的协议。

3.LoRaWAN是什么

LoRaWAN是一个开放标准,它定义了基于LoRa芯片的LPWAN技术的通信协议。 LoRaWAN在数据链路层定义媒体访问控制(MAC),由LoRa联盟维护。 LoRa和LoRaWAN之间的这种区别很重要,因为Link Labs等其他公司在LoRa芯片的顶部使用专有的MAC层来创建更好的混合设计 - 在Link Labs案例中称为Symphony Link。

正如上文提到的,LoRaWAN是一种媒体访问控制(MAC)层协议,专为具有单一运营商的大型公共网络而设计。 它使用Semtech的LoRa调制方案构建,具体涉及到以下几方面:

3.1 使用LoRa构建公共网络

你可能已经了解到LoRaWAN不适合专用网络的解决方案,目前它的确更适合于公共广域网络。其根本原因在于在LoRaWAN中,所有频道都调到相同的频率,并且在单一区域最好只有一个网络操作以避免碰撞问题。

由于网络中的所有网关都绑定到同一台服务器,因此确定哪个网关应对传输作出响应是服务器的工作。在大型网络中,任何给定的传输通常由多个接收器接收到,然后服务器通知一个网关作出响应,其他网关忽略传输。该过程有助于避免下行链路和上行链路冲突,因为单个网关正在传输,而且重叠的网关可以简单地侦听其他传输。

另外,可以通过LoRa联盟来为特定用途设置特定频道。网络运营商也可以从服务器端限制其网络中的下行链路数量,以确保低优先级端点不会因下行链路流量而“堵塞”网络。

具体应用中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)。虽然这为应用程序提供了很大的灵活性,但它使应用程序开发人员有相当数量的工作来提供完整的产品。这包括分组化,下行链路控制,多播等。

3.2 LoRaWAN如何工作

在最基本的层面上,像LoRaWAN这样的无线协议相当简单。LoRaWAN是一种星型或星型对星型拓扑结构,因为在保持电池电量并增加通信范围方面的优势,所以普遍认为它比网状网络更好。

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具体而言,星型拓扑通过网关将消息中继到中央服务器,每个末端节点将数据传输到多个网关。然后网关将数据转发到网络服务器,在网络服务器上执行冗余检测,安全检查和消息调度。

这种设计的两个明显优势在于:

1. 更简单的跟踪:由于终端节点向多个网关发送数据,因此不需要网关到网关的通信。这简化了终端节点移动跟踪应用的逻辑。

2. 更好的公共网络:这种不对成的关系让中央服务器来解决碰撞问题,所以LoRaWAN可能更适合部署在公共网络。

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上图显示了LoRaWAN的主要运行过程。 顶栏显示网关是否正在传输。 (橙色表示正在传输;蓝色不在传输。)底部显示接收器通道,几乎所有的LPWAN系统(包括LoRaWAN)都有多个接收通道,大多数LoRaWAN系统可以在任意数量的频率通道上同时接收八条消息。

4.LoRaWAN的A类、B类、C类

LoRaWAN有三个同时操作的类。 A类是异步的,这意味着终端节点不会等待特定的时间与网关通话,而是只在需要时进行传输,在此之前一直处于休眠状态。只要一个节点完成传输,另一个节点立即开始。在沟通方面没有任何差距,纯阿罗哈网络的理论最大容量约为此最大值的18.4%。这主要是由于碰撞,因为如果一个节点正在发射并且另一个节点醒来并决定使用相同的无线电设置在相同的频道中发射,则它们将发生冲突。

B类允许将消息发送到电池供电节点。每128秒,网关发送一个信标。所有LoRaWAN基站都同时发送信标消息,因为它们从属于一个脉冲每秒(1PPS)。这意味着每个在轨轨道上的GPS卫星都会在每秒开始时传输一条信息,从而让世界各地的时间同步。所有B类节点在128秒周期内被分配一个时隙,并被告知何时收听。

C类允许节点持续监听,并可随时发送下行消息。这主要用于交流供电的应用,因为它需要耗费大量的精力来保持节点始终保持清醒地运行接收器。

5.总结

综上所述,面对类似于LoRa和LoRaWAN这样容易混淆的名词,其实只要系统梳理一下就可以发现其中的区别。下表总结了两者之间最主要的几点特性:

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结合上图,用最简单的公式,你可以这么理解:

LoRa = PHY Layer

LoRaWAN or Symphony Link = MAC Layer

LoRa + LoRaWAN = LPWAN  

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