LoRaWAN（非蜂窩LPWA）入門 - 基礎(chǔ)篇

LoRaWAN是一種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它通過將一臺或少數(shù)網(wǎng)關(guān)與配備多個LoRaWAN模塊的終端設(shè)備連接來使用。此處的終端設(shè)備是指控制終端應(yīng)用（例如，普通照明和攝像頭等的傳感器）的通信終端。

LoRaWAN不需要運營商的通信網(wǎng)，允許用戶在自己的公司構(gòu)建和運營網(wǎng)絡(luò)，由于其不受用途和業(yè)務(wù)規(guī)模的限制，易于引入，所以用戶數(shù)量逐年增加。

LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標(biāo)準(zhǔn)，同與運營商簽訂合同后使用線路的蜂窩LPWA相比，它可以降低運營成本。此外，也不需要考慮其使用場所能否與運營商的基站進行穩(wěn)定的通信。

而且，由于它也可構(gòu)建公司自己完全獨立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此可以實現(xiàn)私密且安全的無線通信環(huán)境，不需要通過外部公司的線路。

關(guān)于蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規(guī)格比較，請參考前文：什么是LPWA（Low Power Wide Area）無線通信 - 基礎(chǔ)篇。

主要用途有生活基礎(chǔ)設(shè)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(nóng)業(yè)等。與蜂窩LPWA不同，它不受運營商的服務(wù)區(qū)域限制，并且可以以相對較低的成本進行運營，因此作為一種適用于多種領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)和M2M的無線通信方式在全球范圍內(nèi)受到的關(guān)注程度越來越高。

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，通過查看已實現(xiàn)的通信協(xié)議?？梢粤私庠撏ㄐ欧椒ǖ奶卣?。

無論是無線還是有線，電氣通信都是通過按照通信協(xié)議來發(fā)揮作用的。關(guān)于什么是通信協(xié)議，請參考前文：無線通信的基礎(chǔ)知識-無線機制。 

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(yīng)關(guān)系。OSI參考模型是協(xié)議棧的國際標(biāo)準(zhǔn)模型。目前，該模型的協(xié)議棧并未被原封不動地使用，但它是一個參考模型，是協(xié)議棧的基礎(chǔ)，因此經(jīng)常被用來與設(shè)備中實現(xiàn)的多種協(xié)議進行比較。

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(gòu)成更簡單。這使協(xié)議更新更加容易并有助于縮短響應(yīng)時間。

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行說明。

位于上圖底部物理層的LoRa是Long Range（遠(yuǎn)距離）的縮寫，指的是由美國的SEMTECH公司基于頻譜擴散的一種——CSS（Chirp Spread Spectrum）開發(fā)的無線調(diào)制方式。

此外，LoRa的ISM頻段如下表所示是按國家和地區(qū)分別設(shè)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(yī)療（Medicine）等領(lǐng)域使用的頻帶。ISM頻段當(dāng)中有全球通用的和按區(qū)域（國家和地區(qū)）劃分的ISM頻帶，LoRa被設(shè)定為后者。)

MAC是Media Access Control的縮寫，中文也稱為媒體訪問控制，它在分層通信協(xié)議中除了定義和分配識別設(shè)備的MAC地址之外，還對控制信號發(fā)送時間段、分割發(fā)送數(shù)據(jù)、組裝（發(fā)送）和分解（接收）添加目的地地址等控制數(shù)據(jù)后的幀、錯誤檢測等規(guī)定了方法。

MAC層的LoRaWAN是非蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)名稱，同時也指LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議（通信中的約定）。 在LoRaWAN中，終端設(shè)備沒有IP，而是使用MAC（設(shè)備ID）連接到網(wǎng)關(guān)并進行無線通信。

此外，MAC選項有Class A / Class B / Class C，它們在終端設(shè)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(shè)備側(cè)接收槽的打開/關(guān)閉動作等也不一樣。

3. 構(gòu)建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)

構(gòu)建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，該如何配置LPWA設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等？

LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標(biāo)準(zhǔn)，因此它不像蜂窩LPWA設(shè)備的無線通信那樣使用運營商的基站和通信網(wǎng)。

在LoRaWAN中，數(shù)據(jù)通信在終端設(shè)備（配備了LoRaWAN模塊的傳感器等）與支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)之間以無線方式進行。數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)酵ㄐ艆f(xié)議與LoRaWAN不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等。

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

非蜂窩LPWA不需要無線局許可證，因此也可以通過公司自己準(zhǔn)備配備了LoRaWAN模塊的終端設(shè)備，再加上支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等來構(gòu)建系統(tǒng)。

如上圖所示，其優(yōu)點是可以通過公司自己構(gòu)建和運營整個環(huán)境來使用私密且安全的無線解決方案。此外，各服務(wù)器可以部署在本地（公司內(nèi)部環(huán)境），也可以利用公司簽約的云服務(wù)器。

在只使用一段時間或者公司內(nèi)部沒有與SI和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的人才等不適合由公司自己構(gòu)建LoRaWAN環(huán)境時，也可以利用銷售或出租的支持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(yīng)用服務(wù)器也是在與運營商簽訂付費合同后使用的。服務(wù)內(nèi)容因運營商而異，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商可以說是其優(yōu)點之一。

此外，支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)能與多臺設(shè)備連接和通信，網(wǎng)關(guān)可專門供簽約用戶使用，也可通過由多個簽約用戶共用來降低使用費用。

此外，除了網(wǎng)關(guān)之外，一般都會提供云服務(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)而需要與運營商簽訂合同的蜂窩LPWA相比，一般認(rèn)為非蜂窩LPWA式LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運營商等收取的服務(wù)費更低。

預(yù)告

我們將在“LoRaWAN（非蜂窩LPWA）入門 - 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(zāi)系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)、智能儀表等；

• 使用LoRaWAN的太陽能發(fā)電設(shè)施的智能化。

以及村田制作所的LoRaWAN模塊的特點和產(chǎn)品陣容。

文章來源：Murata村田中國