常用的LoRa网络结构

article/2025/3/16 7:39:06

        LoRa应用中组网方式非常多,且很多供应商根据需求制定了相应的协议(网络层和应用层),根据是否支持LoRaWAN协议可以分为LoRaWAN协议网络和私有协议网络两大类。在中国的LoRa生态中有大量的用户使用私有协议,而在欧美等发达国家的LoRa市场上绝大多数是LoRaWAN协议,这个跟LoRa推广初期不同地区的国情相关。

LoRa网络结构

1.点对点拓扑结构;
2.星状拓扑结构(运营商的蜂窝网和LoRaWAN也是属于星状拓扑结构);

3.树状拓扑结构;
4.网状拓扑结构;
5.混合拓扑结构。
其中树状拓扑结构、网状拓扑结构、混合拓扑结构都属于Mesh拓扑结构。

Mesh拓扑结构

        Mesh网络即“无线网格网络”,是“多跳( multi-hop)”网络,是由Ad-hoc网络发展而来。无线Mesh网络凭借多跳互连和网状拓扑特性,已经演变为适用于宽带家庭网络、社区网络、企业网络和城域网络等多种无线接入网络的有效解决方案。使用Mesh技术的代表技术就是ZigBee技术。
        提到LoRa也使用Mesh技术,大家会很好奇,因为在正常的应用中LoRa的覆盖半径是ZigBee的10倍,根本没有必要使用Mesh技术。但一些LoRa应用需要在较高通信速率下将数据传输到很远的地方,已知高速率下LoRa的灵敏度会降低,所以在这些远距离、高通信速率的LoRa应用中,就要使用到Mesh技术。常见的LoRa Mesh应用有野外数据传输和智能水表、智能电表。在森林和荒野的数据采集和传输中,由于几十公里甚至上百公里的区域内没有蜂窝网络和有线网络。要把森林和荒野深处的数据传输到有网络的地方,单靠LoRa单跳的传输距离是不够的,需要在传输路径上多级中继转发。 

星状拓扑网络

        星状拓扑网络是最常见的拓扑网络结构,比如Wi-Fi是最典型的星状结构。如图1所示,星状结构的中心为网关,其他的连接都为节点(也叫作终端节点、终端设备或传感器),网关与每个节点通信。LoRa最常见的应用方式也是采用此种网络,这也是LoRa被称为“长Wi-Fi"的原因之一,其组网方式与Wi-Fi相似。
        针对不同的应用,星状网络的LoRa网关配置和使用方式不同。由于使用节点芯片,网关的接收只能是- -种固定频率、扩频因子、带宽的参数组合,针对多路信道和下行控制,衍生出了多种不同的网关形式和网络应用形态。

图1

 

普通模式

        普通模式常见小型随机主动上报网络,这里用抄表应用作为案例(节点全部为低功耗设备)。网关和节点都是用相同的节点模块,全部设备工作在相同的工作频率、扩频因子、带宽参数。如图2所示,网关的工作状态是一直打开接收通道,等待节点的LoRa数据。节点内部有两种唤醒功能,一种是触发唤醒,一种是定时唤醒。

        对于普通模式的LoRa通信存在几点风险: 1) 只有一个信道通信,如果出现同频干扰则整个系统瘫瘓; 2)信道容量太小,如果有更多节点接入,则信道会产生冲突和丢包; 3)对于低功耗设备的下行控制的实时性差,只能被动等待。

图2

定时问询模式 

        定时问询模式跟普通模式很相似,主要是针对抄表类节点功能类型完全相同的应用。在该系统中,全部设备:工作在相同的频率、扩频因子、带宽参数。网络建立时,网关给每个节点都分配一一个序号以及当前的系统标准时间(节点时钟保证与网关相同)。入网后节点就会进入休眠状态,其内部计时器启动,计时的长短是由网关管理的。计时器唤醒MCU后打开接收窗口,等待网关的命令。

图3

信道升级模式

        针对普通模式的问题1)和问题2),信道容量和抗干扰的问题可以通过增加网关的信道来解决。实施方法为在网关中加入多个节点模组,每个模组工作在不同的接收频率。假定网关中有4个模组,分别工作在不同的四个频点(信道),相应的节点每次上行通信时,会随机的选择四个信道中的一个进行发送,当网关对应信道的模组收到上行信号后,在该信道发送下行确认命令,如图4所示为四信道的通信示意图。 

        若一个模组上行发送后在接收窗口的时间内未能收到确认信号,则会更改一个信道再次发送。通过这样的方式信道容量变为原来的四倍,抗干扰能力也大幅提升。 

图4

 

同步下行主动模式

        同步下行主动模式,针对普通模式中的问题3)中低功耗的下行控制实时性问题提出解决方案。同步下行主动模式主要的应用场景是水气表闸门的开关和智慧酒店的智能门]锁管理。
要求所有节点每隔--段时间T打开接收窗口,且所有的节点打开的时间点都是完全相同的,且接收窗口的长度为地是完全相同的,其他时间所有节点都进入休眠状态。这个时间间隔T就是应用中客户可以容忍的等待时间。为了防止偶然现象引起的智能门锁接收窗口偏离正常状态而无法恢复的状况,可以增加智能[]锁的主动上行功能,申请校准时钟。当一个智能门锁在多次的校准时间窗口都未收到校准命令,则在专用频道上行发送申请时间命令戳,网关收到此条命令时下行发送时间戳。

 

图5

 

异步下行主动模式

        同步下行主动模式需要不断地进行校准来应对累计时间误差,这种系统对于网关和节点都比较复杂。所以异步下行主动模式被发明出来。同样用智能门锁为例子,终端继续按照同步下行主动模式的每秒唤醒监听,但是不做系统对时,只要网关的数据包前导长度大于T(1s),所有的终端设备都可以监听到网关的数据
        这个方式操作简单,不需要对时,对于小型系统很有优势。其缺点也很明显,每次唤醒目标是操作特定的-一个智能门锁,结果所有的智能门锁都醒过来打开接收窗口收完这1s的长包。

        在实际应用中该模式也有很多的改进方法,比如长前导包切片可以将-一个长前导切片为多个带有序号的前导,从而符合无线电规范并减少设备等待时间。 

图6

 

 


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