(1)點對點通信。
一點對一點通信,多見于早期的LoRa技術,A點發起,B點接收,可以回復也可以不回復確認,多組之間的頻點建議分開,如圖1所示。單純利用LoRa調制靈敏度高的特性,目前主要針對特定應用和試驗性質的項目。優點在于最簡單,缺點在于不存在組網。
(2)星狀網輪詢。
一點對多點通信,N個從節點輪流與中心點通信,從節點上傳,等待中心點收到后返回確認,然后下一個節點再開始上傳,直到所有N個節點全部完成,一個循環周期結束,如圖2所示。該結構本質上還屬于點對點通信,但是加入了分時處理,N個從節點之間的頻點可以分開,也可重復使用。優勢在于單項目成本低,不足之處是僅適合從節點數量不大和網絡實時性要求不高的應用。
(3)星狀網并發。
一點對多點通信,多個從節點可同時與中心點通信,從節點可隨機上報數據,節點可以根據外界環境和信道阻塞自動采取跳頻和速率自適應技術,邏輯上網關可以接收不同速率和不同頻點的信號組合,物理上網關可以同時接收8路、16路、32路甚至更多路數據,減少了大量節點上行時沖突的概率。該系統具有極大的延拓性,可單獨建網,可交叉組網,LoRa領域內目前主要指的是LoRaWAN技術。
2、系統組成
點對點通信和星狀網輪詢的系統組成比較簡單,兩端都是節點,分為主從。在主節點收到從節點上行數據后會發下行確認幀給從節點,然后從節點進入休眠,工作模式比較簡單。這里主要對LoRaWAN星狀網并發結構進行展開說明,LoRaWAN系統主要分為三部分:節點/終端、網關/基站,以及服務器。
節點/終端(Node):LoRa節點,代表了海量的各類傳感應用,在LoRaWAN協議里被分為Class A、Class B和Class C三類不同的工作模式。Class A工作模式下節點主動上報,平時休眠,只有在固定的窗口期才能接收網關下行數據。Class A的優勢是功耗極低,比非LoRaWAN的LoRa節點功耗更低,比如針對水表應用的10年以上工作壽命通常就是基于Class A實現的。ClassB模式是固定周期時間同步,在固定周期內可以隨機確定窗口期接收網關下行數據,兼顧實時性和低功耗,特點是對時間同步要求很高。Class C模式是常發常收模式,節點不考慮功耗,隨時可以接收網關下行數據,實時性最好,適合不考慮功耗或需要大量下行數據控制的應用,比如智能電表或智能路燈控制。
網關/基站(Gateway):網關是建設LoRaWAN網絡的關鍵設備,目的是緩解海量節點數據上報所引發的并發沖突。主要特點如下:1)兼容性強,所有符合LoRaWAN協議的應用都可以接入;2)接入靈活,單網關可接入幾十到幾萬個節點,節點隨機入網,數目可延拓;3)并發性強,網關最少可支持8頻點,同時隨機8路數據并發,頻點可擴展;4)可實現全雙工通信,上下行并發不沖突,實效性強;5)靈敏度高,同速率下比非LoRaWAN設備的靈敏度更高;6)網絡拓撲簡單,星狀網絡可靠性更高,功耗更低;7)網絡建設成本和運營成本很低。
服務器(Server):負責LoRaWAN系統的管理和數據解析,主要的控制指令都由服務器端下達。根據不同的功能,分為:網絡服務器(Network Server)與網關通信實現LoRaWAN數據包的解析及下行數據打包,與應用服務器通信生成網絡地址和ID等密鑰;應用服務器(Application Server)負責負載數據的加密和解密,以及部分密鑰的生成;客戶服務器(Client Server)是用戶開發的基于B/S或C/S架構的服務器,主要處理具體的應用業務和數據呈現。
LoRaWAN系統的優勢包括:覆蓋范圍廣,節省網絡優化和施工成本,減少現場施工復雜度;服務器端鑒權可實現交叉覆蓋,減少覆蓋盲點;服務器端統籌管理,提高信道利用率,增加系統容量; 網關多路并發減少沖突,支持節點跳頻,增加系統容量;節點速率自適應(Adaptive Data Rate)降低功耗和并發沖突,增加容量;安全性高,兩級AES-128(Advanced Encryption Standard-128)數據加密;星狀網絡結構提高魯棒性;LoRaWAN協議標準化。