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LoRaWAN?通信良好的關(guān)鍵 —“LBT(對(duì)話(huà)前監(jiān)聽(tīng))”

瑞科慧聯(lián)(RAK) ? 2022-11-03 11:02 ? 次閱讀
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如今,LoRaWAN?已經(jīng)不再是一個(gè)生僻的新術(shù)語(yǔ)了。它是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的一種低功耗廣域網(wǎng),通過(guò)開(kāi)源技術(shù),可以使 LoRaWAN?信號(hào)在免授權(quán)的頻段上傳輸。LoRaWAN?技術(shù)的傳輸距離比 Wi-Fi藍(lán)牙更遠(yuǎn),它也成為了如今許多新物聯(lián)網(wǎng)解決方案的首選技術(shù)。另外,LoRaWAN?在室內(nèi)也能很好地運(yùn)行,這一點(diǎn)對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)意義重大。

LoRaWAN?其實(shí)是定義網(wǎng)絡(luò)通信和架構(gòu)的上層協(xié)議棧。更具體來(lái)說(shuō),它是一個(gè)帶有網(wǎng)絡(luò)層組件的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層協(xié)議,主要是指網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)如何通過(guò)它傳輸。那么這個(gè)協(xié)議內(nèi)部設(shè)備之間的通信到底是如何發(fā)生的呢?

LoRaWAN?協(xié)議內(nèi)部設(shè)備間如何通信?

LoRaWAN?設(shè)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(shù)據(jù)傳輸方式。那是什么呢?ALOHA 是一種多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議,一般用于通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò)通道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)景中,在開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型的 MAC 子層中運(yùn)行。這其實(shí)是一個(gè)十分簡(jiǎn)單的協(xié)議,其中來(lái)自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù)流通過(guò)多點(diǎn)傳輸通道進(jìn)行傳輸。

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簡(jiǎn)單是 ALOHA 受歡迎的主要原因,但如果應(yīng)用到大型部署時(shí),它并非數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。在純 ALOHA 中,傳輸時(shí)間是連續(xù)的,每當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí),它就立刻發(fā)送。但數(shù)據(jù)包中存在沖突就會(huì)比較麻煩,如果這時(shí)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)也同時(shí)在傳輸,該幀就會(huì)被銷(xiāo)毀,而且發(fā)送方等待重新傳輸?shù)臅r(shí)間量也是隨機(jī)不確定的。這就有可能導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失和傳輸延遲。

雖然 LoRaWAN?可以免費(fèi)使用,但仍然有一些規(guī)定限制。為確保每個(gè)人都可以訪(fǎng)問(wèn)并安全使用,很多國(guó)家和地區(qū)的政府都從國(guó)家層面的做了一定的限制。例如:韓國(guó)頻率法規(guī)對(duì) LoRaWAN?每個(gè)子頻段的設(shè)備規(guī)定了特定的占空比。LoRaWAN?使用的大多數(shù)通道的占空比低至 2%,日本也有具體要求。在這些國(guó)家和地區(qū),如果要訪(fǎng)問(wèn)免授權(quán)頻道的設(shè)備,LBT(對(duì)話(huà)前監(jiān)聽(tīng))是強(qiáng)制要求的,在這些國(guó)家和地區(qū)需要在傳輸前執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)暢通信道評(píng)估(CCA)。

什么是 LBT,它是如何工作的?

標(biāo)題中的 LBT(對(duì)話(huà)前監(jiān)聽(tīng))并不是文字游戲,也不是噱頭。LBT 可以解決很多創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的兩個(gè)主要問(wèn)題:

  • 由于嚴(yán)格的準(zhǔn)入規(guī)定而無(wú)法進(jìn)入該國(guó)市場(chǎng)
  • 由于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包沖突導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失

正如我們說(shuō)的,要想在韓國(guó)和日本銷(xiāo)售和使用的設(shè)備,集成 LBT 功能是必須的。沒(méi)有它,這類(lèi)設(shè)備就無(wú)法得到這些國(guó)家和地區(qū)合法運(yùn)營(yíng)所需的認(rèn)證。這個(gè)問(wèn)題倒是比較容易解決,更大的問(wèn)題其實(shí)是數(shù)據(jù)丟失。

解決這一問(wèn)題的方法實(shí)際上就是 LBT 本身的性質(zhì)。LoRaWAN?協(xié)議使多個(gè)用戶(hù)可以共享同一頻道,啟用 LBT 后,設(shè)備會(huì)持續(xù)監(jiān)控通道,使其只在通道未使用時(shí)進(jìn)行傳輸。因?yàn)樾枰谑褂妙l道之前應(yīng)用 CCA(空閑信道評(píng)估)檢查。也就是說(shuō):一個(gè)設(shè)備首先要傳輸它的數(shù)據(jù)(進(jìn)行通話(huà)),不過(guò)前提是它需要確保信道是空閑的(進(jìn)行監(jiān)聽(tīng))。

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根據(jù)不同國(guó)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(jìn)行。Jorge Ortín、Matteo Cesana 和 Alessandro Redondi 在他們的論文《用 LBT 增強(qiáng)LoRaWAN?的表現(xiàn)》中解釋了 LBT 的兩種不同實(shí)現(xiàn)方式:基于能量檢測(cè)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(gè)馬爾可夫框架來(lái)評(píng)估 LoRaWAN?在這種設(shè)置下的數(shù)據(jù)提取率和傳輸上行鏈路消息所經(jīng)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(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能的可能性,因?yàn)?LoRaWAN?采用基于純 ALOHA 的 MAC 方案之前已經(jīng)被證明存在性能瓶頸了。而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大,最大信道的利用率卻只有 18.4%。

是否需要使用 LBT 其實(shí)也是是由設(shè)備本身決定的。MAC 級(jí)別定義了三類(lèi)終端設(shè)備。A 類(lèi)設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)使用基于簡(jiǎn)單隨機(jī) ALOHA 的接入?yún)f(xié)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(lèi)設(shè)備可以定期喚醒以接收預(yù)定的下行數(shù)據(jù)流量;C 類(lèi)設(shè)備持續(xù)收聽(tīng),并且通常由市電供電。

在撰寫(xiě)本文時(shí),A 類(lèi)設(shè)備是市場(chǎng)上普及率最高的設(shè)備。為了限制 ISM 頻段中的干擾,如果運(yùn)行 ALOHA 接入?yún)f(xié)議或采用對(duì)占空比沒(méi)有限制的對(duì)話(huà)前監(jiān)聽(tīng)方法,A 類(lèi)設(shè)備必須在歐洲以低于 1% 的占空比運(yùn)行。

因此,“監(jiān)聽(tīng)”是在物理層或 MAC 層完成的,各有優(yōu)缺點(diǎn)。那么“對(duì)話(huà)”部分呢?

在《無(wú)數(shù)據(jù)丟失的 LoRaWAN?中:研究不同通道訪(fǎng)問(wèn)方法的性能》這一文章當(dāng)中,F(xiàn)rank Loh、Noah Mehling 和 Tobias Ho?feld 很好地解釋了關(guān)于減少數(shù)據(jù)丟失的不同數(shù)據(jù)傳輸方法的研究結(jié)果。在那里,他們解釋了 LBT 通常使用的原則 — 退避策略。在設(shè)備使用 LBT 發(fā)送消息之前,它會(huì)先監(jiān)聽(tīng)信道是否已被占用。如果是空閑的,就開(kāi)始傳輸,否則,就會(huì)根據(jù)預(yù)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(dāng)信道被占用時(shí),在嘗試傳輸失敗后消息延遲的持續(xù)時(shí)間(對(duì)于 ALOHA,延遲始終是傳輸時(shí)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(biāo)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(huì)存在再次嘗試失敗的風(fēng)險(xiǎn)。最佳回退延遲是通過(guò)考慮實(shí)際部署的物理環(huán)境(位置和距離)(嘗試預(yù)測(cè)是否會(huì)出現(xiàn)隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題)和部署的密度來(lái)確定的。

瑞科慧聯(lián)產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)中的“LBT”

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

其實(shí),LBT 并不是在所有地方都需要,瑞科慧聯(lián)通過(guò)“插件”的方式將其添加到“拓展選項(xiàng)”種,用戶(hù)可以根據(jù)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(fǎng)問(wèn)規(guī)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。具有挑戰(zhàn)性的因素很多,包括:不同的信道訪(fǎng)問(wèn)方法、由于 A 類(lèi)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的占空比限制而導(dǎo)致的同步可能性有限,以及終端設(shè)備對(duì)節(jié)省電池的嚴(yán)格要求等等。另外,LoRaWAN?頻段的免費(fèi)使用可能會(huì)導(dǎo)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(huì)丟失數(shù)據(jù)。無(wú)論是想要將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到韓國(guó)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(shù)據(jù)安全地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸,LBT 都可以實(shí)現(xiàn)這些需求。

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