如今，LoRaWAN?已經不再是一個生僻的新術語了。它是專為物聯網設計的一種低功耗廣域網，通過開源技術，可以使 LoRaWAN?信號在免授權的頻段上傳輸。LoRaWAN?技術的傳輸距離比 Wi-Fi 和藍牙更遠，它也成為了如今許多新物聯網解決方案的首選技術。另外，LoRaWAN?在室內也能很好地運行，這一點對于蜂窩網絡覆蓋范圍較差的偏遠地區(qū)來說意義重大。

LoRaWAN?其實是定義網絡通信和架構的上層協議棧。更具體來說，它是一個帶有網絡層組件的媒體訪問控制（MAC）層協議，主要是指網絡以及數據如何通過它傳輸。那么這個協議內部設備之間的通信到底是如何發(fā)生的呢？

LoRaWAN?協議內部設備間如何通信？

LoRaWAN?設備之間的通信方式雖然有很多種，但比較受歡迎且用得較多的是“基于純 ALOHA”的一種數據傳輸方式。那是什么呢？ALOHA 是一種多路訪問協議，一般用于通過共享網絡通道來傳輸數據的場景中，在開放系統互連（OSI）模型的 MAC 子層中運行。這其實是一個十分簡單的協議，其中來自多個節(jié)點的多個數據流通過多點傳輸通道進行傳輸。

簡單是 ALOHA 受歡迎的主要原因，但如果應用到大型部署時，它并非數據傳輸的最佳選擇。在純 ALOHA 中，傳輸時間是連續(xù)的，每當一個節(jié)點有數據要發(fā)送時，它就立刻發(fā)送。但數據包中存在沖突就會比較麻煩，如果這時另一個節(jié)點也同時在傳輸，該幀就會被銷毀，而且發(fā)送方等待重新傳輸的時間量也是隨機不確定的。這就有可能導致關鍵數據丟失和傳輸延遲。

雖然 LoRaWAN?可以免費使用，但仍然有一些規(guī)定限制。為確保每個人都可以訪問并安全使用，很多國家和地區(qū)的政府都從國家層面的做了一定的限制。例如：韓國頻率法規(guī)對 LoRaWAN?每個子頻段的設備規(guī)定了特定的占空比。LoRaWAN?使用的大多數通道的占空比低至 2%，日本也有具體要求。在這些國家和地區(qū)，如果要訪問免授權頻道的設備，LBT（對話前監(jiān)聽）是強制要求的，在這些國家和地區(qū)需要在傳輸前執(zhí)行一項或多項暢通信道評估（CCA）。

什么是 LBT，它是如何工作的？

標題中的 LBT（對話前監(jiān)聽）并不是文字游戲，也不是噱頭。LBT 可以解決很多創(chuàng)新物聯網項目的兩個主要問題：

• 由于嚴格的準入規(guī)定而無法進入該國市場
• 由于網絡中的數據包沖突導致的數據丟失

正如我們說的，要想在韓國和日本銷售和使用的設備，集成 LBT 功能是必須的。沒有它，這類設備就無法得到這些國家和地區(qū)合法運營所需的認證。這個問題倒是比較容易解決，更大的問題其實是數據丟失。

解決這一問題的方法實際上就是 LBT 本身的性質。LoRaWAN?協議使多個用戶可以共享同一頻道，啟用 LBT 后，設備會持續(xù)監(jiān)控通道，使其只在通道未使用時進行傳輸。因為需要在使用頻道之前應用 CCA（空閑信道評估）檢查。也就是說：一個設備首先要傳輸它的數據（進行通話），不過前提是它需要確保信道是空閑的（進行監(jiān)聽）。

根據不同國家和地區(qū)的特定法規(guī)，CCA 可以使用兩種方法中的任意一種進行。Jorge Ortín、Matteo Cesana 和 Alessandro Redondi 在他們的論文《用 LBT 增強LoRaWAN?的表現》中解釋了 LBT 的兩種不同實現方式：基于能量檢測的物理層 LBT 和基于第 2 層幀解碼的 MAC 層 LBT。他們還提出了一個馬爾可夫框架來評估 LoRaWAN?在這種設置下的數據提取率和傳輸上行鏈路消息所經歷的平均延遲的性能。

這篇論文挺有趣的，文章探討了在 LoRaWAN?中使用 LBT 方法來增強網絡性能的可能性，因為 LoRaWAN?采用基于純 ALOHA 的 MAC 方案之前已經被證明存在性能瓶頸了。而且隨著網絡規(guī)模擴大，最大信道的利用率卻只有 18.4%。

是否需要使用 LBT 其實也是是由設備本身決定的。MAC 級別定義了三類終端設備。A 類設備按照標準使用基于簡單隨機 ALOHA 的接入協議在上行鏈路中傳輸，而且只有在上行鏈路傳輸之后才能在下行鏈路中接收流量；B 類設備可以定期喚醒以接收預定的下行數據流量；C 類設備持續(xù)收聽，并且通常由市電供電。

在撰寫本文時，A 類設備是市場上普及率最高的設備。為了限制 ISM 頻段中的干擾，如果運行 ALOHA 接入協議或采用對占空比沒有限制的對話前監(jiān)聽方法，A 類設備必須在歐洲以低于 1% 的占空比運行。

因此，“監(jiān)聽”是在物理層或 MAC 層完成的，各有優(yōu)缺點。那么“對話”部分呢？

在《無數據丟失的 LoRaWAN?中：研究不同通道訪問方法的性能》這一文章當中，Frank Loh、Noah Mehling 和 Tobias Ho?feld 很好地解釋了關于減少數據丟失的不同數據傳輸方法的研究結果。在那里，他們解釋了 LBT 通常使用的原則 — 退避策略。在設備使用 LBT 發(fā)送消息之前，它會先監(jiān)聽信道是否已被占用。如果是空閑的，就開始傳輸，否則，就會根據預定義的退避策略延遲消息，而且不需要額外的同步。LBT 的回退策略決定了當信道被占用時，在嘗試傳輸失敗后消息延遲的持續(xù)時間（對于 ALOHA，延遲始終是傳輸時間）。在那篇文章中，他們演示了一種如何確定消息的最佳延遲的方法。一方面，目標是在新的傳輸嘗試之前不能延遲太多；但是，另一方面，由于通道仍在使用中，會存在再次嘗試失敗的風險。最佳回退延遲是通過考慮實際部署的物理環(huán)境（位置和距離）（嘗試預測是否會出現隱藏節(jié)點問題）和部署的密度來確定的。

瑞科慧聯產品生態(tài)系統中的“LBT”

瑞科慧聯（RAK）的 WisGate Edge 系列網關就能支持 LBT。該系列網關為其最新的操作系統 WisGateOS 2 推出的LBT功能提供了所需的物理支持。

其實，LBT 并不是在所有地方都需要，瑞科慧聯通過“插件”的方式將其添加到“拓展選項”種，用戶可以根據自己的需要安裝或卸載。但我們相信，隨著 LoRaWAN?的發(fā)展，LBT 是必不可少的。

LoRaWAN?中的通道訪問規(guī)劃是一項復雜的任務。具有挑戰(zhàn)性的因素很多，包括：不同的信道訪問方法、由于 A 類設備和網關的占空比限制而導致的同步可能性有限，以及終端設備對節(jié)省電池的嚴格要求等等。另外，LoRaWAN?頻段的免費使用可能會導致潛在的交叉流量。LBT 正好提供了一種解決方案和一條更清晰的 LoRaWAN?通信路徑，使其不會丟失數據。無論是想要將業(yè)務擴展到韓國和日本的解決方案提供商，還是考慮使用 LoRaWAN?的公司，或者只是想確保數據安全地通過網絡傳輸，LBT 都可以實現這些需求。