深度解析LoRa和LoRaWAN的區別

最新 03-27

總體介紹

隨著物聯網技術的飛速發展，NB-IoT、LoRa、SigFox等技術名詞時不時出現在我們的視野中，對普通讀者或者剛剛接觸物聯網領域的人來說，在一大堆名詞面前可能會混淆。本文資本論將針對LoRa和LoRaWN做細緻的介紹與比較。

總體而言，LoRa僅包含鏈路層協議，並且非常適用於節點間的P2P通信；同時，LoRa模塊也比LoRaWAN便宜一點；

LoRaWAN也包含網路層，因此可以將信息發送到任何已連接到雲平台的基站。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。

LoRa是什麼

雖然LoRa經常被誤用來描述整個LPWAN通信系統，但嚴格來說，LoRa是Semtech擁有的專有調製格式。 SX1272和SX1276 LoRa晶元使用稱為chirp擴頻（CSS）的調製技術來組成技術棧的物理層（PHY）。

LoRa有兩種不同的協議棧：LoRaWAN和Symphony Link。 Symphony Link適用於需要高級功能的工業和企業用戶。 LoRaWAN適用於基於LoRaWAN的移動網路，在歐洲發展得比較快。

低功耗廣域網（LPWAN）預計將會支持物聯網預測的數十億設備，在整個系統中，由很多個組件組成。物理（PHY）層在硬體層面定義了數據傳輸的電氣規格。數據鏈路層負責檢測PHY層的變化並建立發送數據的協議。

LoRaWAN是什麼

LoRaWAN是一個開放標準，它定義了基於LoRa晶元的LPWAN技術的通信協議。 LoRaWAN在數據鏈路層定義媒體訪問控制（MAC），由LoRa聯盟維護。 LoRa和LoRaWAN之間的這種區別很重要，因為Link Labs等其他公司在LoRa晶元的頂部使用專有的MAC層來創建更好的混合設計 - 在Link Labs案例中稱為Symphony Link。

正如上文提到的，LoRaWAN是一種媒體訪問控制（MAC）層協議，專為具有單一運營商的大型公共網路而設計。它使用Semtech的LoRa調製方案構建，具體涉及到以下幾方面：

使用LoRa構建公共網路

你可能已經了解到LoRaWAN不適合專用網路的解決方案，目前它的確更適合於公共廣域網路。其根本原因在於在LoRaWAN中，所有頻道都調到相同的頻率，並且在單一區域最好只有一個網路操作以避免碰撞問題。

由於網路中的所有網關都綁定到同一台伺服器，因此確定哪個網關應對傳輸作出響應是伺服器的工作。在大型網路中，任何給定的傳輸通常由多個接收器接收到，然後伺服器通知一個網關作出響應，其他網關忽略傳輸。該過程有助於避免下行鏈路和上行鏈路衝突，因為單個網關正在傳輸，而且重疊的網關可以簡單地偵聽其他傳輸。

另外，可以通過LoRa聯盟來為特定用途設置特定頻道。網路運營商也可以從伺服器端限制其網路中的下行鏈路數量，以確保低優先順序端點不會因下行鏈路流量而「堵塞」網路。

具體應用中面臨的另一個挑戰是LoRaWAN主要是數據鏈路（MAC）層（OSI第2層），只有網路層的一些元素（OSI第3層）。雖然這為應用程序提供了很大的靈活性，但它使應用程序開發人員有相當數量的工作來提供完整的產品。這包括分組化，下行鏈路控制，多播等。

LoRaWAN如何工作

在最基本的層面上，像LoRaWAN這樣的無線協議相當簡單。LoRaWAN是一種星型或星型對星型拓撲結構，因為在保持電池電量並增加通信範圍方面的優勢，所以普遍認為它比網狀網路更好。

具體而言，星型拓撲通過網關將消息中繼到中央伺服器，每個末端節點將數據傳輸到多個網關。然後網關將數據轉發到網路伺服器，在網路伺服器上執行冗餘檢測，安全檢查和消息調度。

這種設計的兩個明顯優勢在於：

1. 更簡單的跟蹤：由於終端節點向多個網關發送數據，因此不需要網關到網關的通信。這簡化了終端節點移動跟蹤應用的邏輯。

2. 更好的公共網路：這種不對成的關係讓中央伺服器來解決碰撞問題，所以LoRaWAN可能更適合部署在公共網路。

上圖顯示了LoRaWAN的主要運行過程。頂欄顯示網關是否正在傳輸。（橙色表示正在傳輸;藍色不在傳輸。）底部顯示接收器通道，幾乎所有的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率通道上同時接收八條消息。

LoRaWAN的A類、B類、C類

LoRaWAN有三個同時操作的類。A類是非同步的，這意味著終端節點不會等待特定的時間與網關通話，而是只在需要時進行傳輸，在此之前一直處於休眠狀態。只要一個節點完成傳輸，另一個節點立即開始。在溝通方面沒有任何差距，純阿羅哈網路的理論最大容量約為此最大值的18.4％。這主要是由於碰撞，因為如果一個節點正在發射並且另一個節點醒來並決定使用相同的無線電設置在相同的頻道中發射，則它們將發生衝突。

B類允許將消息發送到電池供電節點。每128秒，網關發送一個信標。所有LoRaWAN基站都同時發送信標消息，因為它們從屬於一個脈衝每秒（1PPS）。這意味著每個在軌軌道上的GPS衛星都會在每秒開始時傳輸一條信息，從而讓世界各地的時間同步。所有B類節點在128秒周期內被分配一個時隙，並被告知何時收聽。

C類允許節點持續監聽，並可隨時發送下行消息。這主要用於交流供電的應用，因為它需要耗費大量的精力來保持節點始終保持清醒地運行接收器。

總結

綜上所述，面對類似於LoRa和LoRaWAN這樣容易混淆的名詞，其實只要系統梳理一下就可以發現其中的區別。下表總結了兩者之間最主要的幾點特性：