常用的LoRa网络协议

        经过前面章节的学习，已知道LoRa只是一种物理层的调制解调无线通信技术。是无线通信技术就需要组网，那么LoRa应用中的常见网络有哪些？这些组网方式各有什么特点，分别支持哪些应用呢？
        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。LoRaWAN是LoRa联盟推广的统一协议，也是一个达成共识的且联盟成员一致推广的LoRa协议。
        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，这与LoRa推广初期不同地区的国情相关。LoRa技术诞生在欧洲，当市场认识到LoRa技术的优势后，发现LPWAN会是一个非常大的市场，且LoRa技术推动LPWAN的应用是的机会。此时最激动的是欧洲的电信运营商们，这些运营商与Semtech一起建立LoRa联盟，并且朝着物联网运营商全覆盖的目标努力。所以在LoRa联盟建立初期，都是执行运营商先建网，应用和服务逐步增加的策略，这与国内的电信运营商大力投资先架设基站和蜂窝网络，再一步一步地增加手机客户是一个概念。所以LoRa联盟建立的标准是针对电信运营商的物联网架构，LoRaWAN的标准和定义就是在这个大环境下完成的。虽然当时也有少数的国内厂商加入联盟之中，但是影响力不足。当LoRaWAN技术来到中国后，发现中国的市场情况不同，中国只有三家大型的电信运营商，由于政策限制一直走3GPP路线，没有一家国内的运营商愿意按照4G、5G的模式布LoRaWAN网。虽然Semtech公司跟其中的一些有不少合作，都是项目和应用的合作，没有像欧洲的运营商那样的全国布网。欧洲的电信运营商LoRa策略在中国走不通，此时中国涌现出众多的行业公司对LoRa技术青睐有加，因为它们发现LoRa调制的诸多优势，可以解决原来无线技术无法实现的功能和应用。这些公司纷纷把LoRa技术整合到其系统中，它们纯粹把LoRa技术作为一种“更远一些”的无线通信技术，替代原来的FSK技术。尤其是过去的无线抄表行业，由于FSK技术灵敏度的局限性导致其项目抄表效率差，成功率低，维护成本高。这些无线抄表公司的开发人员充分发挥LoRa的技术优势，开发更佳更强的产品，形成了一波浪潮。笔者曾采访过业内的几个公司的创始人，都是当年看到LoRa是个好技术就辞职创业进入LoRa领域的。所以中国早期的LoRa市场就是一场无线技术升级替代的过程，而抄表需求是这波浪潮的浪尖，也是至今Semtech公司的LoRa芯片内还一直保留FSK调制的原因。而国内的这些表计、停车等应用的公司为了方便和快速上线LoRa产品，网络结构甚至系统架构都保持原样，只是使用LoRa替代原来的通信芯片，只做了物理层的升级。由于原有的这些应用没有统一的行业协议标准，所以至今国内多数的LoRa应用依然是私有协议。随后，大家逐渐发现使用统一协议的好处，越来越多的人加入LoRaWAN产品的开发中。随着LoRaWAN的推广和协议更新其市场影响力也不断扩大，也在不断攀升。
        LoRa私有协议对应的网络结构也不尽相同。大致可以分为如下几种：
点对点拓扑结构；
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）；
树状拓扑结构；
网状拓扑结构；
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。
一、点对点的LoRa网络
        点对点（P2P）的通信方式在无线通信中是出现也是见的技术之一，如图5-1所示，比如早期的无线门铃、无线开关、无线对讲机等。LoRa技术应用于点对点通信时，规定主机和从机即可，不需要分为网关和节点。一般会由主机主动发起命令和任务，从机响应；主机和从机是可以互换的，LoRa的节点芯片是支持半双工通信的，可以很好地支持这类应用。

图5-1    点对点网络拓扑结构
 
       LoRa点对点通信的优点是架构简单，尤其对于初学者，学习方式就是采用点对点通信的方式，调节扩频因子、带宽等参数观察灵敏度和信噪比的变化。在实际的LoRa应用中，点对点通信并不多，主要原因是市场应用都在升级，原有的按键门铃等应用随着智能家居的发展，都可以通过网关联网，变为星状网络结构；而许多对讲机原来的点对点网络也变成了广播式的网状网络结构，有的对讲机应用还增加了Mesh结构。当你仅有一对LoRa收发机的时候才是真正的P2P网络形式。
       LoRa对讲机应用于P2P网络最主要利用了远距离、抗干扰、低功耗的优势。许多大尺寸如5W、10W输出功率的非标商用对讲机，现在都换成了小功率的LoRa对讲机。LoRa对讲机功耗只有原来的十分之一，且通信距离更远了，信号抗干扰也变强了。从整体成本分析，原有对讲机大电池和大功率发射机的成本大于LoRa的通信模组的成本。
       除了对讲还有一类常用的LoRa点对点应用是测距，SX1280芯片的测距是在两点之间通信实现的。
       点对点网络作为通信网络的基础拓扑结构，为复杂网络拓扑提供系统验证和维护检测支持。
二、星状拓扑网络
       星状拓扑网络是见的拓扑网络结构，比如Wi-Fi是最典型的星状结构。如图5-2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。

图5-2    星状网络拓扑结构
 
       采用星状结构的LoRa私有协议网络一般不采用SX130X系列网关芯片，而是采用节点芯片作为网关。虽然SX130X网关芯片有很好的上行容量，但是其灵活性较差，需要配合网络服务器才能工作，且一般的小型应用中上行数据量比较小，节点芯片足够完成数据接收。虽然采用节点芯片开发的网关信道少（对比SX1301网关），扩频因子固定，但是对比原有FSK技术有大幅提升。在下行控制的应用中，SX1301网关和单信道网关功能相同，SX1301网关的整体成本远大于单信道网关。大量的小型物联网应用，从性价比考虑最终都选择SX127X或SX126X芯片为核心的网关。
       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，网关的接收只能是一种固定频率、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。