深入研究LoRaWAN®类设备

介绍

一个LoRaWAN®的网络是由终端设备、网关、网络服务器和应用程序服务器。终端设备发送数据网关(上行链路),网关通过网络服务器,这反过来,必要时将其传递到应用程序服务器上。

图1:上行传播

另外,网络服务器可以发送消息(网络管理,或代表应用程序服务器)通过网关终端设备(下行)。

图2:下行传输

终端设备在LoRaWAN网络中有三个类:a类、B类和类c在终端设备可以发送上行链路,设备的阶级决定的时候可以接收下行。类也决定了一个设备的能源效率。设备更节能,更长的电池寿命。

所有终端设备必须支持类(“阿罗哈”)通信。A类终端设备大部分时间都花在睡眠模式。因为LoRaWAN不是“槽”协议,终端设备可以随时与网络服务器通信的变化有一个传感器阅读或当一个计时器触发。基本上,他们可以随时醒来,跟服务器。设备发送一个上行后,“听”信息从网络上行(1和2秒后接收窗口),然后回到睡眠。类是最节能,导致电池寿命最长。

相比之下,而不是只等待一个传感器注意到环境的变化或火一个计时器,B类终端设备也醒来,打开接收窗口监听下行根据一个可配置的,network-defined时间表。一个周期性信标信号通过网络允许这些终端设备与网络服务器的内部时钟同步。

最后,C类(“连续”)终端设备没有睡觉。他们经常从网络监听下行消息,除非在响应传感器事件传输数据。这些设备更密集,通常需要一个恒定的电源,而不是依靠一个电池。

为了说明不同层次的功耗为每个不同的终端设备类,见图3。

图3:能源消耗设备类

在本文中,我们将深入研究类终端设备。

理解类终端设备

LoRaWAN协议依赖于一个Aloha-type网络。在这类网络中,终端设备可以传输任意。

类的关键特征是,通信是仅由终端设备发起的。

下行信息从网络服务器排队直到下一次的上行接收到消息终端设备和接收窗口(Rx)打开。这个设计是专门针对需要下行通信的应用程序来响应一个上行,或可以提前安排下行相当宽松的延迟需求。

接收窗口

下面一个上行,a类终端设备打开短接收窗口(Rx1),如果在此期间没有收到下行,打开第二个接收窗口(Rx2)。Rx1的开始时间开始后一个固定的时间结束后的上行传输。通常,这个延迟是一秒,但是这个时间是可配置的。Rx2通常开始上行传输的最后两秒后,虽然这个时间也是可配置的。下面的图表说明了不同的接收窗口状态的可能性。

图4:没有收到

图5:在Rx1窗口接收数据包

图6:在Rx2窗口接收数据包

默认Rx1延迟(RECEIVE_DELAY1)是一个网络参数中发现的LoRaWAN区域参数从罗拉联盟®文档。默认延迟可能会有针对性,可以改变由网络运营商通过MAC命令RxTimingSetupReq。它通常设置为1秒

然后最后装置打开Rx2之前Rx1结束后等待1秒。这意味着RECEIVE_DELAY2 = RECEIVE_DELAY1 + 1秒。

注意:设备不会试图发送另一个上行消息直到:

它已经收到了一个下行消息Rx1期间,或
第二个接收窗口后,最后传输完成

传输频率和数据率

频率用于Rx1上行频率的函数。它使用的数据速率的函数用于上行传输数据速率。默认的上行频率和Rx1下行频率之间的关系和数据率中定义LoRaWAN区域参数文档。默认参数远程配置的网络运营商使用相关LoRaWAN MAC命令。

Rx2使用频率和数据速率,可以使用MAC命令配置。默认值是有针对性的。

MAC的命令

关于Rx1,上行传输之间的偏移量(Tx)数据率和下行数据速率可以使用配置Rx1DRoffset场的RxParamSetupReqMAC命令

配置Rx2数据速率,使用MAC命令RxParamSetupReq。

的DiChannelReqMAC命令允许网络将不同的下行频率与Rx1窗口。这个命令在所有地区,支持工作NewChannelReqMAC命令。例如,DiChannelReq适用于欧盟和在中国,而不是美国或澳大利亚,LoRaWAN区域参数文档中描述。

类能源配置文件

每个接收窗口的时间必须至少只要所需的时间由终端设备的无线电收发器有效地检测一个下行的序言。如果设备检测到一个下行序言在这段时间里,收音机接收器将保持开放,直到下行数据解调。

如果一个下行期间检测和解调Rx1如果(在地址和消息完整性检查(MIC))是决定用于最后收到的设备,该设备将不会开放Rx2为了节省能源。然而,如果终端设备没有收到下行消息Rx1期间,将继续开放Rx2时间表。

当没有结束设备接收,它仍将开放接待窗口,但就足够长的时间来确定是否有序言。至少,这是5.1毫秒(女士)SF7的数据速率。最大,它是164 ms SF12的数据速率。另一方面,如果在那里是SF7下行的设备,需要不到100 ms解调消息。在SF12可以超过两秒。

图7:上行链路,下行和唤醒时间SX126x收音机

能源消耗与Rx1和Rx2当没有检测到下行消息所需的能量传输相比可以忽略不计的上行

LoRaWAN网络拓扑

图8说明了LoRaWAN网络拓扑。LoRaWAN方法和其他人之间的关键区别是终端设备与网络本身并不是只与一个网关。相反,终端设备广播信号范围内所有网关。每个接收网关把数据包传递到网络服务器,然后是网络服务器减少重复消息并发送一个版本的应用程序服务器。

图8:LoRaWAN网络拓扑

这种拓扑有几个优点:

不需要复杂的网络规划。网关可以添加在任何地方在任何时间。
准确的消息传递是更加健壮,因为多个网关接收相同的数据包在每个上行。这就是所谓的上行空间的多样性。
不需要计划为每个网关不同频率,或重新分配频率当网关的数量变化。网关不断听所有频率的网络。
移动设备可以在低功率运行得益于这样一个事实,任何网关可以从任何设备接收消息。这意味着(相比之下,例如,蜂窝网络)LoRaWAN网络不注意或保健设备移动;它只是从最近的网关接收上行链路设备的当前位置。

未经证实和确认消息

信息终端设备到网络和应用服务器,反之亦然可能未经证实或证实。

当一个设备发送一条未经证实的消息,它不需要从服务器确认。例如,大多数时候感烟探测器将周期性的,未经证实的上行链路的网络服务器通过附近的网关来确认它是有效的。网关接收数据并将其传递到网络服务器上,进而将其传递到应用程序服务器。

当发送确认消息,终端设备要求被承认为接收的消息网络服务器。让我们再来看看我们的感烟探测器。感烟探测器检测到的东西时,它将继续发送警报,需要确认,直到警报承认。确认通知人的感烟探测器响应警报。因为从网络下行是一种稀缺资源,他们应该谨慎使用。应该只用于确认消息非常重要的传感器数据。

图9显示了一个烟雾探测器传输加密,未经证实的消息(见箭头指向从设备底部的图到顶部的应用服务器通过三个左边的框),收到两个网关。网关添加元数据信息加密,然后转发给网络服务器。网络服务器解密的元数据和将数据包发送到应用程序服务器,而解密数据。

橙色,我们看到了感烟探测器发送警报。这些是确认消息,然而,在第一个两个实例,没有确认已经收到,所以设备继续广播警报。最后,第三传输后下面的警报在我们的示例中,应用程序服务器发送一个确认设备通过网络服务器和最适当的网关。

图9:未经证实和确认消息

应用程序服务器下行

在接下来的例子中,感烟探测器应用服务器数据传输到一个特定的,睡觉,感烟探测器(终端设备)。然而,由于感烟探测器是一个类的设备,应用程序服务器必须等到感烟探测器醒来之前,服务器可以发送数据。烟雾探测器,这是一个周期性的消息(例如,发送每8小时)共享状态信息,如电池状态与应用程序服务器,而不是一个真正的感烟探测活动。收到此消息的终端设备可以证实或未经证实的。看看图10。在这里,应用程序服务器数据发送到感烟探测器,但设备是睡着了。服务器必须等待一个上行的设备才能发送数据。一旦收到上行,应用程序服务器立即传输下行。在这样的一个未经证实的消息的情况下,在收到下行,设备回到睡眠。

图10:应用服务器下载

总结

简而言之,所有终端设备必须支持类操作,这是最节能的方式沟通和支持电池寿命最长的。类终端设备在深度睡眠模式,直到他们感觉的改变他们的环境或其他事件触发。当这种情况发生时,受影响的设备醒来并将其数据发送到网络服务器(和最终应用程序服务器)通过一个或多个网关。上行传输后,终端设备将打开两个连续接收窗口,在此期间他们从服务器监听潜在下行传输。