LoRaWAN（非蜂窩LPWA）入門(mén) - 基礎篇

LoRaWAN是一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，它通過(guò)將一臺或少數網(wǎng)關(guān)與配備多個(gè)LoRaWAN模塊的終端設備連接來(lái)使用。此處的終端設備是指控制終端應用（例如，普通照明和攝像頭等的傳感器）的通信終端。

LoRaWAN不需要運營(yíng)商的通信網(wǎng)，允許用戶(hù)在自己的公司構建和運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )，由于其不受用途和業(yè)務(wù)規模的限制，易于引入，所以用戶(hù)數量逐年增加。

LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標準，同與運營(yíng)商簽訂合同后使用線(xiàn)路的蜂窩LPWA相比，它可以降低運營(yíng)成本。此外，也不需要考慮其使用場(chǎng)所能否與運營(yíng)商的基站進(jìn)行穩定的通信。

而且，由于它也可構建公司自己完全獨立的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，因此可以實(shí)現私密且安全的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境，不需要通過(guò)外部公司的線(xiàn)路。

關(guān)于蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規格比較，請參考前文：什么是LPWA（Low Power Wide Area）無(wú)線(xiàn)通信 - 基礎篇。

主要用途有生活基礎設施中的智能儀表、智能城市、智能建筑、公共交通智能化、制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化、基于物流貨物和人員的位置信息的跟蹤、環(huán)境傳感、智能農業(yè)等。與蜂窩LPWA不同，它不受運營(yíng)商的服務(wù)區域限制，并且可以以相對較低的成本進(jìn)行運營(yíng)，因此作為一種適用于多種領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)和M2M的無(wú)線(xiàn)通信方式在全球范圍內受到的關(guān)注程度越來(lái)越高。

我們將在本文的“后篇”介紹一些使用LoRaWAN的事例（敬請期待?。?/p>

在許多情況下，通過(guò)查看已實(shí)現的通信協(xié)議?？梢粤私庠撏ㄐ欧椒ǖ奶卣?。

無(wú)論是無(wú)線(xiàn)還是有線(xiàn)，電氣通信都是通過(guò)按照通信協(xié)議來(lái)發(fā)揮作用的。關(guān)于什么是通信協(xié)議，請參考前文：無(wú)線(xiàn)通信的基礎知識-無(wú)線(xiàn)機制。 

下表給出了LoRaWAN模型和OSI參考模型中通信協(xié)議棧各層的作用和對應關(guān)系。OSI參考模型是協(xié)議棧的國際標準模型。目前，該模型的協(xié)議棧并未被原封不動(dòng)地使用，但它是一個(gè)參考模型，是協(xié)議棧的基礎，因此經(jīng)常被用來(lái)與設備中實(shí)現的多種協(xié)議進(jìn)行比較。

從上表可以看出，LoRaWAN模型的棧有3層，而互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議——TCP/IP模型有4層，因此，LoRaWAN模型的協(xié)議構成更簡(jiǎn)單。這使協(xié)議更新更加容易并有助于縮短響應時(shí)間。

下圖顯示了LoRaWAN的通信協(xié)議棧。在此，我們將對LoRaWAN的協(xié)議棧以及LoRa和LoRaWAN各自在協(xié)議中的含義和作用等進(jìn)行說(shuō)明。

位于上圖底部物理層的LoRa是Long Range（遠距離）的縮寫(xiě)，指的是由美國的SEMTECH公司基于頻譜擴散的一種——CSS（Chirp Spread Spectrum）開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)調制方式。

此外，LoRa的ISM頻段如下表所示是按國家和地區分別設定的。( ISM頻段是由國際電信聯(lián)盟（ITU）制定、不需要許可證即可在工業(yè)（Industry）、科學(xué)（Science）和醫療（Medicine）等領(lǐng)域使用的頻帶。ISM頻段當中有全球通用的和按區域（國家和地區）劃分的ISM頻帶，LoRa被設定為后者。)

MAC是Media Access Control的縮寫(xiě)，中文也稱(chēng)為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制，它在分層通信協(xié)議中除了定義和分配識別設備的MAC地址之外，還對控制信號發(fā)送時(shí)間段、分割發(fā)送數據、組裝（發(fā)送）和分解（接收）添加目的地地址等控制數據后的幀、錯誤檢測等規定了方法。

MAC層的LoRaWAN是非蜂窩LPWA的標準名稱(chēng)，同時(shí)也指LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議（通信中的約定）。 在LoRaWAN中，終端設備沒(méi)有IP，而是使用MAC（設備ID）連接到網(wǎng)關(guān)并進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。

此外，MAC選項有Class A / Class B / Class C，它們在終端設備和網(wǎng)關(guān)之間的雙向通信中具有不同的上行和下行通信方案和間隔，與耗電量相關(guān)的設備側接收槽的打開(kāi)/關(guān)閉動(dòng)作等也不一樣。

3. 構建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )

構建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )，該如何配置LPWA設備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等？

LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標準，因此它不像蜂窩LPWA設備的無(wú)線(xiàn)通信那樣使用運營(yíng)商的基站和通信網(wǎng)。

在LoRaWAN中，數據通信在終端設備（配備了LoRaWAN模塊的傳感器等）與支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)之間以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行。數據通過(guò)該網(wǎng)關(guān)傳輸到通信協(xié)議與LoRaWAN不同的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、應用服務(wù)器等。

下面，我們將介紹使用LoRaWAN構建的主要網(wǎng)絡(luò )事例。

非蜂窩LPWA不需要無(wú)線(xiàn)局許可證，因此也可以通過(guò)公司自己準備配備了LoRaWAN模塊的終端設備，再加上支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、應用服務(wù)器等來(lái)構建系統。

如上圖所示，其優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)公司自己構建和運營(yíng)整個(gè)環(huán)境來(lái)使用私密且安全的無(wú)線(xiàn)解決方案。此外，各服務(wù)器可以部署在本地（公司內部環(huán)境），也可以利用公司簽約的云服務(wù)器。

在只使用一段時(shí)間或者公司內部沒(méi)有與SI和網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的人才等不適合由公司自己構建LoRaWAN環(huán)境時(shí)，也可以利用銷(xiāo)售或出租的支持LoRaWAN通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)，或利用提供云服務(wù)等的運營(yíng)商。

如上圖所示，在某些情況下，支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器以及某些情況下的應用服務(wù)器也是在與運營(yíng)商簽訂付費合同后使用的。服務(wù)內容因運營(yíng)商而異，但可以將網(wǎng)關(guān)的引入和服務(wù)器維護等全部委托給運營(yíng)商可以說(shuō)是其優(yōu)點(diǎn)之一。

此外，支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)能與多臺設備連接和通信，網(wǎng)關(guān)可專(zhuān)門(mén)供簽約用戶(hù)使用，也可通過(guò)由多個(gè)簽約用戶(hù)共用來(lái)降低使用費用。

此外，除了網(wǎng)關(guān)之外，一般都會(huì )提供云服務(wù)。如果簽訂網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器合同，將按月收取費用。然而，與因使用手機通信網(wǎng)而需要與運營(yíng)商簽訂合同的蜂窩LPWA相比，一般認為非蜂窩LPWA式LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器運營(yíng)商等收取的服務(wù)費更低。

預告

我們將在“LoRaWAN（非蜂窩LPWA）入門(mén) - 事例篇”介紹具體的物聯(lián)網(wǎng)使用事例，比如：

• 使用LoRaWAN的物聯(lián)網(wǎng)解決方案事例：防災系統、智能農業(yè)、智能儀表等；

• 使用LoRaWAN的太陽(yáng)能發(fā)電設施的智能化。

以及村田制作所的LoRaWAN模塊的特點(diǎn)和產(chǎn)品陣容。

文章來(lái)源：Murata村田中國