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LoRaWAN協(xié)議的擴展與衍生

        在6.1節(jié)講述后，我們知道LoRaWAN協(xié)議雖然有諸多優(yōu)點，但是也存在一定的不足，需要不斷地更新和發(fā)展。本節(jié)針對LoRaWAN協(xié)議的一些受限應用而展開講述。由于LoRa是一個非常優(yōu)秀的底層調(diào)制技術，許多低延遲或點對點應用都希望通過LoRa調(diào)制來實現(xiàn)，而LoRaWAN協(xié)議使用在這類方案中不合適，但是使用私有協(xié)議又太封閉而無法把行業(yè)和市場做大。因為上述原因，許多LoRa聯(lián)盟企業(yè)著手開發(fā)LoRaWAN的擴展協(xié)議，在得到廣大LoRa聯(lián)盟會員認可后，可以變?yōu)檎綐藴省６械墓踞槍σ恍┨厥鈶?，利用LoRa的調(diào)制特點和LoRaWAN的網(wǎng)絡優(yōu)勢衍生自己的協(xié)議，并努力推廣為LoRa聯(lián)盟的分支協(xié)議。擴展標準的優(yōu)勢是可以在LoRaWAN協(xié)議上直接增加，向下兼容，而衍生標準的特點是無法與LoRaWAN兼容，形成獨立的一支標準流派。

       本節(jié)根據(jù)LoRaWAN的幾個局限點展開講解：

     （1）LoRaWAN單跳結構限制了LoRa傳輸?shù)木嚯x，在極端環(huán)境下需要中繼的方式將信號從深度室內(nèi)覆蓋的區(qū)域傳出來。從而引出了LoRaWANRelay協(xié)議。

     （2）如果LoRaWAN的兩個終端設備需要完成通信和互控，由一個終端設備發(fā)起，通過網(wǎng)關到網(wǎng)絡服務器和應用服務器，再下行到網(wǎng)絡服務器、網(wǎng)關，最后到達被控終端設備。即使這兩個設備非?？拷贚oRaWAN標準中也需要按照此流程，即使網(wǎng)絡狀況良好，其通信時長也要0.5s。一旦上行通道遇到丟包，下次重傳需要2s之后，實時性和效率太差。為此，阿里巴巴開發(fā)了基于LoRaWAN協(xié)議的終端設備與終端設備通信的協(xié)議，命名為LoRaWAND2D。

     （3）智能家居等應用，對節(jié)點有高穩(wěn)定性及高實時性要求，還需要具備群組廣播功能。甚至當系統(tǒng)斷網(wǎng)后，依然可以實現(xiàn)自動化互控智能家居的需求，同時還需要滿足低成本、小尺寸等要求。根據(jù)如上需求，Yosmart公司開發(fā)了YoLink智能家居協(xié)議。

一、LoRaWAN中繼Relay協(xié)議

        在許多的LoRa應用中，都存在由于墻太厚，終端設備無法與網(wǎng)關通信的問題。而為此額外增加多個網(wǎng)關，無論是在施工難度還是整體成本上都是很麻煩的一件事。如果有一個中繼器，那么這個問題就可以解決了，如圖6-7所示。在許多水表和氣表的LoRa私有協(xié)議應用中，都采用電池供電的中繼器方案。采用中繼器的方案可以節(jié)省網(wǎng)關和施工，在表計行業(yè)很常見。在5.1.3小節(jié)中LoRa的Mesh網(wǎng)絡架構就是使用中繼 實現(xiàn)抄表的案例。但是LoRaWAN協(xié)議在建立之初規(guī)定了必須單跳的星狀網(wǎng)絡結構，限制了此類中繼的應用。單跳規(guī)定限制嚴格的原因是

       LoRaWAN標準制定時初期，標準制定者對LoRa的信心太足，認為再惡劣的環(huán)境LoRa都能傳出信號。主要原因是中國的建筑更密集，且表計放置環(huán)境惡劣，國外的標準專家沒有意識到。為了彌補這個硬傷，多家LoRa聯(lián)盟會員開發(fā)了Relay協(xié)議。

圖6-7    中繼方案應用示意圖

 

       這個中繼器必須具備安裝方便（不接外部電源），維護方便（穩(wěn)定且低功耗），而且協(xié)議兼容（所有的LoRaWAN用戶可以使用），低成本。

1.Relay協(xié)議強制需求

（1）兼容性：

中繼器機構應與LoRaWAN規(guī)范1.1.X和1.0.X兼容。

中繼器機構不得影響NS和AS。

中繼器和終端設備應能從中繼模式恢復正常運行。

中繼設備應支持終端設備連接或重新連接網(wǎng)絡。

中繼器機構應與OTAA設備和ABP設備兼容。

（2）Class支持種類：

中繼器應支持ClassA和ClassB操作。

中繼器應支持在ClassA、ClassB和ClassC運行的終端設備。

（3）安全性：

中繼器應考慮安全方面。

中繼器不得在兩個終端設備之間中繼任何信息。

（4）設計總則：

中繼器應為電池供電。

中繼器的電池尺寸應合理，能支持中繼器工作5年而不更換電池。

中繼器應最多支持10個終端設備。

中繼設備應最多每天為每個設備轉發(fā)10個數(shù)據(jù)包。

       根據(jù)上述中繼器的要求，其硬件實現(xiàn)的方式為一個最簡單的LoRa模組，其帶有一個大電池，電池要求大于或等于2A·h。如圖6-8所示，此種方案是成本最低，功耗最低，安裝也方便的中繼器實現(xiàn)方式。

圖6-8    中繼器硬件模塊圖

2.Relay入網(wǎng)及數(shù)據(jù)交互流程

當中繼器架設后，信息流的流程如圖6-9所示。

      （1）原有的終端設備發(fā)起正常的入網(wǎng)申請。

      （2）由于終端節(jié)點的信號被厚墻阻擋，信號太弱，網(wǎng)關無法解調(diào)，則無法收到入網(wǎng)應答，入網(wǎng)失敗。

      （3）終端設備發(fā)起Relay喚醒幀，中繼器被喚醒。

      （4）終端設備發(fā)起入網(wǎng)申請，中繼器接收到入網(wǎng)申請數(shù)據(jù)。

      （5）中繼器將收到終端設備的入網(wǎng)申請轉發(fā)，信息傳遞到網(wǎng)關。

      （6）網(wǎng)關下行接受入網(wǎng)應答信息。

      （7）中繼器將網(wǎng)關的下行信息轉發(fā)給終端設備。

      （8）終端設備發(fā)起Relay喚醒幀，中繼器被喚醒。

     （9）終端設備發(fā)送上行信息，中繼器接收到上行信息。

     （10）中繼器將收到終端設備的上行信息轉發(fā)，信息傳遞到網(wǎng)關。

     （11）網(wǎng)關發(fā)送下行應答信息。

     （12）中繼器將網(wǎng)關的下行信息轉發(fā)給終端設備。