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LoRaWAN協議的擴展與衍生

        在6.1節講述后，我們知道LoRaWAN協議雖然有諸多優點，但是也存在一定的不足，需要不斷地更新和發展。本節針對LoRaWAN協議的一些受限應用而展開講述。由于LoRa是一個非常優秀的底層調制技術，許多低延遲或點對點應用都希望通過LoRa調制來實現，而LoRaWAN協議使用在這類方案中不合適，但是使用私有協議又太封閉而無法把行業和市場做大。因為上述原因，許多LoRa聯盟企業著手開發LoRaWAN的擴展協議，在得到廣大LoRa聯盟會員認可后，可以變為正式標準。而有的公司針對一些特殊應用，利用LoRa的調制特點和LoRaWAN的網絡優勢衍生自己的協議，并努力推廣為LoRa聯盟的分支協議。擴展標準的優勢是可以在LoRaWAN協議上直接增加，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。

       本節根據LoRaWAN的幾個局限點展開講解：

     （1）LoRaWAN單跳結構限制了LoRa傳輸的距離，在極端環境下需要中繼的方式將信號從深度室內覆蓋的區域傳出來。從而引出了LoRaWANRelay協議。

     （2）如果LoRaWAN的兩個終端設備需要完成通信和互控，由一個終端設備發起，通過網關到網絡服務器和應用服務器，再下行到網絡服務器、網關，最后到達被控終端設備。即使這兩個設備非常靠近，在LoRaWAN標準中也需要按照此流程，即使網絡狀況良好，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，阿里巴巴開發了基于LoRaWAN協議的終端設備與終端設備通信的協議，命名為LoRaWAND2D。

     （3）智能家居等應用，對節點有高穩定性及高實時性要求，還需要具備群組廣播功能。甚至當系統斷網后，依然可以實現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。根據如上需求，Yosmart公司開發了YoLink智能家居協議。

一、LoRaWAN中繼Relay協議

        在許多的LoRa應用中，都存在由于墻太厚，終端設備無法與網關通信的問題。而為此額外增加多個網關，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省網關和施工，在表計行業很常見。在5.1.3小節中LoRa的Mesh網絡架構就是使用中繼 實現抄表的案例。但是LoRaWAN協議在建立之初規定了必須單跳的星狀網絡結構，限制了此類中繼的應用。單跳規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聯盟會員開發了Relay協議。

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（穩定且低功耗），而且協議兼容（所有的LoRaWAN用戶可以使用），低成本。

1.Relay協議強制需求

（1）兼容性：

中繼器機構應與LoRaWAN規范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10個數據包。

       根據上述中繼器的要求，其硬件實現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方式。

圖6-8    中繼器硬件模塊圖

2.Relay入網及數據交互流程

當中繼器架設后，信息流的流程如圖6-9所示。

      （1）原有的終端設備發起正常的入網申請。

      （2）由于終端節點的信號被厚墻阻擋，信號太弱，網關無法解調，則無法收到入網應答，入網失敗。

      （3）終端設備發起Relay喚醒幀，中繼器被喚醒。

      （4）終端設備發起入網申請，中繼器接收到入網申請數據。

      （5）中繼器將收到終端設備的入網申請轉發，信息傳遞到網關。

      （6）網關下行接受入網應答信息。

      （7）中繼器將網關的下行信息轉發給終端設備。

      （8）終端設備發起Relay喚醒幀，中繼器被喚醒。

     （9）終端設備發送上行信息，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，信息傳遞到網關。

     （11）網關發送下行應答信息。

     （12）中繼器將網關的下行信息轉發給終端設備。