LoRaWAN协议的扩展与衍生

        在6.1节讲述后，我们知道LoRaWAN协议虽然有诸多优点，但是也存在一定的不足，需要不断地更新和发展。本节针对LoRaWAN协议的一些受限应用而展开讲述。由于LoRa是一个非常优秀的底层调制技术，许多低延迟或点对点应用都希望通过LoRa调制来实现，而LoRaWAN协议使用在这类方案中不合适，但是使用私有协议又太封闭而无法把行业和市场做大。因为上述原因，许多LoRa联盟企业着手开发LoRaWAN的扩展协议，在得到广大LoRa联盟会员认可后，可以变为正式标准。而有的公司针对一些特殊应用，利用LoRa的调制特点和LoRaWAN的网络优势衍生自己的协议，并努力推广为LoRa联盟的分支协议。扩展标准的优势是可以在LoRaWAN协议上直接增加，向下兼容，而衍生标准的特点是无法与LoRaWAN兼容，形成独立的一支标准流派。

       本节根据LoRaWAN的几个局限点展开讲解：

     （1）LoRaWAN单跳结构限制了LoRa传输的距离，在极端环境下需要中继的方式将信号从深度室内覆盖的区域传出来。从而引出了LoRaWANRelay协议。

     （2）如果LoRaWAN的两个终端设备需要完成通信和互控，由一个终端设备发起，通过网关到网络服务器和应用服务器，再下行到网络服务器、网关，最后到达被控终端设备。即使这两个设备非常靠近，在LoRaWAN标准中也需要按照此流程，即使网络状况良好，其通信时长也要0.5s。一旦上行通道遇到丢包，下次重传需要2s之后，实时性和效率太差。为此，阿里巴巴开发了基于LoRaWAN协议的终端设备与终端设备通信的协议，命名为LoRaWAND2D。

     （3）智能家居等应用，对节点有高稳定性及高实时性要求，还需要具备群组广播功能。甚至当系统断网后，依然可以实现自动化互控智能家居的需求，同时还需要满足低成本、小尺寸等要求。根据如上需求，Yosmart公司开发了YoLink智能家居协议。

一、LoRaWAN中继Relay协议

        在许多的LoRa应用中，都存在由于墙太厚，终端设备无法与网关通信的问题。而为此额外增加多个网关，无论是在施工难度还是整体成本上都是很麻烦的一件事。如果有一个中继器，那么这个问题就可以解决了，如图6-7所示。在许多水表和气表的LoRa私有协议应用中，都采用电池供电的中继器方案。采用中继器的方案可以节省网关和施工，在表计行业很常见。在5.1.3小节中LoRa的Mesh网络架构就是使用中继 实现抄表的案例。但是LoRaWAN协议在建立之初规定了必须单跳的星状网络结构，限制了此类中继的应用。单跳规定限制严格的原因是

       LoRaWAN标准制定时初期，标准制定者对LoRa的信心太足，认为再恶劣的环境LoRa都能传出信号。主要原因是中国的建筑更密集，且表计放置环境恶劣，国外的标准专家没有意识到。为了弥补这个硬伤，多家LoRa联盟会员开发了Relay协议。

图6-7    中继方案应用示意图

 

       这个中继器必须具备安装方便（不接外部电源），维护方便（稳定且低功耗），而且协议兼容（所有的LoRaWAN用户可以使用），低成本。

1.Relay协议强制需求

（1）兼容性：

中继器机构应与LoRaWAN规范1.1.X和1.0.X兼容。

中继器机构不得影响NS和AS。

中继器和终端设备应能从中继模式恢复正常运行。

中继设备应支持终端设备连接或重新连接网络。

中继器机构应与OTAA设备和ABP设备兼容。

（2）Class支持种类：

中继器应支持ClassA和ClassB操作。

中继器应支持在ClassA、ClassB和ClassC运行的终端设备。

（3）安全性：

中继器应考虑安全方面。

中继器不得在两个终端设备之间中继任何信息。

（4）设计总则：

中继器应为电池供电。

中继器的电池尺寸应合理，能支持中继器工作5年而不更换电池。

中继器应最多支持10个终端设备。

中继设备应最多每天为每个设备转发10个数据包。

       根据上述中继器的要求，其硬件实现的方式为一个最简单的LoRa模组，其带有一个大电池，电池要求大于或等于2A·h。如图6-8所示，此种方案是成本最低，功耗最低，安装也方便的中继器实现方式。

图6-8    中继器硬件模块图

2.Relay入网及数据交互流程

当中继器架设后，信息流的流程如图6-9所示。

      （1）原有的终端设备发起正常的入网申请。

      （2）由于终端节点的信号被厚墙阻挡，信号太弱，网关无法解调，则无法收到入网应答，入网失败。

      （3）终端设备发起Relay唤醒帧，中继器被唤醒。

      （4）终端设备发起入网申请，中继器接收到入网申请数据。

      （5）中继器将收到终端设备的入网申请转发，信息传递到网关。

      （6）网关下行接受入网应答信息。

      （7）中继器将网关的下行信息转发给终端设备。

      （8）终端设备发起Relay唤醒帧，中继器被唤醒。

     （9）终端设备发送上行信息，中继器接收到上行信息。

     （10）中继器将收到终端设备的上行信息转发，信息传递到网关。

     （11）网关发送下行应答信息。

     （12）中继器将网关的下行信息转发给终端设备。