考慮使用LoRaWAN部署您的物聯網解決方案？倘若您正在開發用于工業或企業用途的專用網絡解決方案，那么您需要了解此技術的一些限制(以及在許多情況下將為您提供更好服務的替代協議)。

在本文中，我們將深入探討：

LoRa與LoRaWAN的區別

LoRaWAN如何運作

LoRaWAN A，B和C類

啁啾率，處理增益和正交性

利用LoRaWAN構建專用網絡的障礙

另一種解決方案：Symphony Link

LoRa與LoRaWAN的區別

有時人們認為術語LoRa和LoRaWAN意思相同，其實它們是有所不同的。

LoRa是一種用于發送無線電信號的方法，該無線電信號使用啁啾的多符號格式來編碼信息。它是由芯片制造商Semtech制造的專有系統; 其LoRa IP也被許可給其他芯片制造商。本質上，這些芯片是標準的ISM頻段無線電芯片，可以使用LoRa(或其他調制類型，如FSK)將射頻轉換為比特，而無需編寫代碼來實現無線電系統。LoRa是一種較低級別的物理層技術，可用于廣域以外的各種應用。

LoRaWAN是一種使用Semtech的LoRa調制方案的點對多點網絡協議。這不僅僅是關于無線電波; 它是關于無線電波如何與LoRaWAN網關通信以執行加密和識別等操作。它還包括一個云組件，多個網關連接到該組件。由于其局性，LoRaWAN很少用于工業(專用網絡)應用。

LoRaWAN如何運作

在最基礎的層面上，像LoRaWAN這樣的無線電協議則顯得比較簡單。

例如，假設您有四個網關和一個節點。節點盲目地傳輸到無線電頻譜中，任何有幸聽到傳輸的網關都可以接收它并將其發送到云端。所有四個網關都可能聽到該消息并發送它。(這樣做的一個優點是：盡管鏈路很弱，但仍然可以傳輸消息。如果一個節點發送了五條消息而只有一條消息發送，那么你的消息仍然可以通過。)

郵件一旦發送，就不會收到確認。但是，LoRaWAN中的節點可以請求確認。如果請求確認并且所有四個網關都收到相同的消息，則云選擇一個網關在固定時間響應，通常在幾秒鐘后響應。那么問題是：當該網關傳輸回節點時，它會停止收聽其他所有內容。因此，如果您的應用程序需要大量確認，則很可能會花費更多時間來傳輸確認而不是傾聽，這最終會導致網絡崩潰。

上圖顯示了LoRaWAN的運行方式。頂部欄指示網關是否正在傳輸。(如果是橙色，它正在傳輸;如果它是藍色，則不是。)底部的條形圖顯示了接收器通道。幾乎所有LPWAN系統(包括LoRaWAN)都有多個接收通道，大多數LoRaWAN系統可以在任意數量的頻道上同時接收八條消息。

LoRaWAN A，B和C類

LoRaWAN有三個同時運行的類。A類純粹是異步的，我們稱之為純ALOHA系統。這意味著終端節點不會等待特定時間與網關通話 – 它們只需在需要時進行傳輸，并在此之前處于休眠狀態。如果您擁有一個完全協調的八個頻道系統，您可以在每個時段填充一條消息。一個節點完成傳輸后，另一個節點立即啟動。在沒有任何通信空白的情況下，純aloha網絡的理論最大容量約為該最大值的18.4％。這主要是由于沖突造成的，因為如果一個節點正在發送而另一個節點正在喚醒并決定在相同的頻率信道中使用相同的無線電設置進行發送，則它們將發生沖突。

B類允許將消息發送到電池供電的節點。每128秒，網關發送一個信標。(參見圖頂部的時隙。)所有LoRaWAN基站在同一時間發送信標消息，因為它們是每秒一個脈沖(1PPS)的從屬信號。這意味著軌道上的每顆GPS衛星都會在每秒開始時發送一條消息，讓時間在世界各地同步。所有B類節點在128秒周期內被分配一個時隙，并被告知何時收聽。例如，您可以告訴節點每十個時隙監聽一次，當這個時間點出現時，它允許傳輸下行鏈路消息(見上圖)。

C類允許節點不斷監聽，并且可以隨時發送下行鏈路消息。這主要用于交流供電應用，因為它總是需要很多能量來保持節點主動喚醒運行接收器。

啁啾率，處理增益和正交性

注意：在LoRaWAN中，擴頻因子(SF)指的是啁啾率。該圖顯示了隨時間變化的LoRa Chirp調制?？梢栽谕活l率信道中同時解碼不同的SF。

LoRa通過以非常線性的方式隨時間移動RF音調來工作。該圖顯示了反向瀑布中的啁啾 – 最新數據位于頂部，稱為“向上啁啾”。您可以看到音調的頻率隨時間的增加。LoRa傳輸通過啁啾來工作，在時間和頻率方面打破不同位置的芯片以編碼符號。LoRa傳輸在特定時間從一個地方跳到另一個地方的事實可能意味著一個字符串與另一個字符串。它不僅僅是二進制 – 它可以傳達很多信息(高符號深度)。

暫時想一想純頻移鍵控(FSK)。如果音調靜止了一段時間然后跳到其他地方一段時間，你會看到不同的線條或音調。這稱為2-ary FSK，表示兩個頻率符號。M-ary FSK具有多個頻率音調，可以代表更多符號。LoRa采用了這個概念，但它在唧唧聲中做了一切。因此，它正在獲得處理收益。因為它具有非常獨特的模式，所以LoRa接收器可以檢測到更安靜的啁啾聲，即低于本底噪聲。如果您以不同的啁啾率在同一信道中發生另一次傳輸，則它是正交的 – 這意味著它可以同時被檢測到。總而言之，接收方有很多容量。

利用LoRaWAN構建專用網絡的障礙

LoRaWAN適用于某些應用程序，但它不適合客戶部署(也稱為專用網絡)解決方案。主要原因是：

1、多個網關的共存允許干擾。使用LoRaWAN，所有網關 – 無論是誰擁有或操作它們 – 都被調諧到相同的頻率。這意味著您的LoRaWAN網絡可以看到我的所有流量，反之亦然。最好只在一個區域內運行一個網絡，以避免碰撞問題。但是，可以通過LoRa聯盟為特定用途留出特定渠道。網絡運營商還可以從服務器端限制其網絡中的下行鏈路量，以確保低優先級端點不會使用下行鏈路流量“阻塞”網絡。

2、它不保證收到郵件。LoRaWAN是一種基于ALOHA的異步協議，其中包錯誤率(PER)超過50％是常見的。這對于某些抄表應用來說很好，但對于工業或企業傳感器網絡或控制系統，需要0％的PER。消息傳遞的“噴霧和祈禱”方法不適用于大多數工業用例，這就是LoRaWAN最適合上行鏈路網絡的原因。

3、它需要相當多的開發工作?？蛻裘媾R的另一個挑戰是LoRaWAN主要是數據鏈路(MAC)層(OSI第2層)，只有網絡層的一些元素(OSI第3層)。截至今天，沒有供應商提供端到端的LoRaWAN解決方案。相反，您需要與多個供應商合作，分別獲取節點，網關，后端服務器以及生態系統的其他所有部分。雖然這允許應用程序具有很大的靈活性，但它使應用程序開發人員能夠進行大量工作來生成完整的產品。這包括分組化，下行鏈路控制，多播等。

4、有責任周期限制。公共網絡中的868 MHz頻段存在一些固有的局限性。在歐洲，主要限制是1％的工作周期(在大多數情況下)。這意味著如果您測量網關隨時間傳輸的平均時間長度，則不能超過百分之一。因此，網關的傳輸量非常有限。在美國，FCC對ISM頻段的規定沒有這樣的限制。

5、它具有可變的最大傳輸單元(MTU)有效載荷大小。LoRaWAN的另一個重要限制是MTU有效載荷大小可根據網絡分配給節點的擴展因子而變化。換句話說 – 如果你離網關很遠，你可以傳輸的字節數很少，但是如果你接近它就會大得多; 你根本無法提前知道。因此，節點固件或應用程序必須能夠適應應用層的有效負載側的變化，這在您開發固件時非常具有挑戰性。

6、大多數開發人員通過選擇網絡可以分配的最高擴頻因子的最小可用MTU來解決這個問題，這在大多數情況下非常小，通常小于12個字節。因此，需要發送大量數據(例如300字節)的LoRaWAN節點必須在30個10字節消息中發送它，因為它們可能面臨分配小MTU的情況。結果，由于處理這些改變的MTU值所需的復雜軟件改變，那些節點傳輸的量遠遠超過必要的。

7、如果你想建立在運營商擁有和運營的公共網絡上，LoRaWAN是不錯的選擇。有許多硬件和網絡服務器提供商在這個領域競爭，因此有很多選擇。對于簡單的應用程序，如果您沒有很多節點并且不需要大量的確認，那么LoRaWAN可以正常工作。但如果您的需求更加復雜，您將不可避免地遇到嚴重的障礙。許多LoRaWAN用戶還沒有經歷過這些障礙，僅僅是因為他們的網絡仍然相當小。嘗試使用LoRaWAN操作公共網絡，成千上萬的用戶做不同的事情，困難肯定會飆升。

此外，圍繞LoRaWAN開發和部署系統是一個復雜的過程。就像一些WiFi或蜂窩調制解調器一樣。您需要確保了解所有架構，并在決定系統最佳路線之前掌握系統的工作原理。

另一種解決方案：Symphony Link

Symphony Link是Link Labs開發的另一種LoRa協議棧。為了解決LoRaWAN的局限性并提供大多數組織成功部署物聯網解決方案所需的高級功能，它在Semtech的芯片之上構建了自己的軟件。它的一些高級功能包括：

甲雙向鏈路對100％的保證消息接收。節點和網關可以上下可靠地通信。

它使用由網關控制的動態通道掩碼，允許多個網關與盡可能少的沖突共存。多達48個網關可以共存而不會影響性能。

沒有占空比限制，因為在歐洲，Symphony Link使用900 MhZ頻段。

Symphony Link具有比LoRaWAN更高的容量，固定MTU為256字節。它會在必要時處理所有子包裝和重試消息發送，以確保交付。

Symphony Link是一個完整的端到端物聯網解決方案，可立即使用。與LoRaWAN相比，您可以更快地啟動和運行應用程序。

責任編輯：ct

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總結

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