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LoRa技术特点和组成系统架构组成分析
  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。

LoRa技术


  (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。
 

  (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。
 

  (3)星状网并发。


  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。


  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。


  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。

LoRa技术


  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(Application Server)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 Data Rate)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。

关键字: LoRa技术 LoRa系统

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