LoRaWAN（非蜂窩LPWA）入門 - 基礎篇
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1. 什么是LoRaWAN？
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202406/460143.htmLoRaWAN是在具有廣域、遠距離、低速、低耗電量等特點的LPWA（Low Power Wide Area）無線通信中，利用不需要無線局許可證的非授權(quán)頻段（Sub-GHz頻帶）的規(guī)格。LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA，由非營利組織LoRa Alliance制定，并經(jīng)國際電信聯(lián)盟[ITU]批準后于2021年12月成為國際標準。
LoRaWAN是一種無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，它通過將一臺或少數(shù)網(wǎng)關(guān)與配備多個LoRaWAN模塊的終端設備連接來使用。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，由于其不受用途和業(yè)務規(guī)模的限制，易于引入，所以用戶數(shù)量逐年增加。 1.1 LoRaWAN與蜂窩LPWA
LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標準，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 - 基礎篇。
1.2 LoRaWAN的主要用途
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(nóng)業(yè)等。與蜂窩LPWA不同，它不受運營商的服務區(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！）
2. LoRaWAN的通信協(xié)議棧
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地使用，但它是一個參考模型，是協(xié)議棧的基礎，因此經(jīng)常被用來與設備中實現(xiàn)的多種協(xié)議進行比較。
表：OSI參考模型和各層的作用、LoRaWAN模型
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。
LoRaWAN的通信協(xié)議棧
2.1 什么是LoRa(物理層)？ 位于上圖底部物理層的LoRa是Long Range（遠距離）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（Science）和醫(yī)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(qū)域（國家和地區(qū)）劃分的ISM頻帶，LoRa被設定為后者。)
表：按區(qū)域（部分）劃分的LoRa頻帶
2.2 什么是LoRaWAN(MAC層)？ 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的標準名稱，同時也指LoRaWAN網(wǎng)絡的通信協(xié)議（通信中的約定）。 在LoRaWAN中，終端設備沒有IP，而是使用MAC（設備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(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
構(gòu)建LoRaWAN網(wǎng)絡，該如何配置LPWA設備、網(wǎng)關(guān)、服務器等？
LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標準，因此它不像蜂窩LPWA設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)絡服務器、應用服務器等。 下面，我們將介紹使用LoRaWAN構(gòu)建的主要網(wǎng)絡事例。 3.1 自制LoRaWAN網(wǎng)絡 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)絡服務器、應用服務器等來構(gòu)建系統(tǒng)。
自建自營的LoRaWAN網(wǎng)絡構(gòu)建事例
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器。 3.2 利用運營商的LoRaWAN網(wǎng)絡 在只使用一段時間或者公司內(nèi)部沒有與SI和網(wǎng)絡相關(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)，或利用提供云服務等的運營商。
利用運營商服務的LoRaWAN網(wǎng)絡構(gòu)建事例
如上圖所示，在某些情況下，支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡服務器以及某些情況下的應用服務器也是在與運營商簽訂付費合同后使用的。服務內(nèi)容因運營商而異，但可以將網(wǎng)關(guān)的引入和服務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。如果簽訂網(wǎng)關(guān)或服務器合同，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，一般認為非蜂窩LPWA式LoRaWAN的網(wǎng)絡服務器運營商等收取的服務費更低。 預告
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
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