LoRaWAN网关的技术基础及其工作原理

在上一篇文章中我大概解释了什么是LoRaWAN网关。今天我将会更详细地给大家介绍LoRaWAN网关的技术基础及其工作原理。只有了解这些，我们才能让我们更好地了解网关、更好的利用LoRaWAN技术、完善任何想应用的场景。

一、技术基础

要说LoRaWAN网关，我们要先来了解一下它的技术原理。我们都知道LoRaWAN网关使用的是LoRa技术，那为什么我们又叫“LoRaWAN网关”呢？LoRa®和LoRaWAN®有什么区别？

LoRa其实是低功耗广域网系列的一部分，它是从chirp 扩频技术中衍生出来的扩频调制技术。目前是Semtech公司的专利技术。而LoRaWAN则是建立在LoRa技术之上的媒体访问控制（MAC，Media Access Control）协议。

了解了LoRaWAN的技术基础，接下来我们一起来看看LoRaWAN网关的构成。

二、LoRaWAN网关构成

一般来说，一个网关由很多的部件组成。其中有两个东西尤其关键，即LoRa集中器和主机MCU。

1、集中器

LoRa集中器是为网关接收和传输LoRa消息服务的。它由一个LoRa基带处理器和两个前端芯片组成。有时，为了信道监听（LBT）、接口转换、GPS、时间戳等额外功能，集中器有时会带有额外的芯片。集中器也分很多种形式：mPCIe卡（RAK2247、RAK2287、RAK5146）、40 PIN树莓派标准（RAK2245）等。

以RAK最新的mPCIe形状因子集中器RAK5146为例，从下面的框图中我们可以看到带有LoRa天线连接器的射频（RF）部分、限制不需要频率的滤波器（SAW）、信号放大器（FEM）、双前端芯片（SX1250），以及SX1303基带芯片。

此外，它还有STM32芯片，它运行的代码使集中器与USB兼容，并与附加的SX1262通信，从而实现LBT和光谱扫描等功能。该集中器还可使用GPS模块和GPS天线连接器，可用于某些LoRaWAN功能，比如Class B。

这两个前端芯片分为Radio 0和Radio 1。Radio 0在TX和RX模式下均可工作，最多可以分配5个频道。Radio 1仅在RX模式下工作，也可以分配多达5个频道。总计为：8个MultiSF频道、一个LoRaSTD频道和一个FSK频道。

2、主机

LoRaWAN网关的主机一般是像树莓派这类通用的单板计算机，定制开发的系统板也可以。

当然，如果我们想要LoRaWAN网关工作，就还需要软件与LoRa集中器进行通信，从而接收射频信息并将其传送到LoRaWAN服务器上。

3、外壳

除了集中器和主机之外，每个LoRaWAN网关都还需要一个很重要的东西，即外壳。外壳可以保护网关不受周围环境变量的影响。外壳会根据预期使用环境而改变，比如：室内网关采用紧凑的外壳。而户外网关则使用更加坚固、耐用和防水的外壳。

由于用到外壳，为了保证我们信号接收和发射的顺畅，我们得用到天线。没有天线，收发过程是很难完成的。一般来说，室内网关的天线较小，室外网关天线较大。以RAK的产品为例，如下图所示，不同的网关采用的天线都是不同的。

三、LoRaWAN网关工作通信链

说完了构成，我们来看一下网关工作的通信链。其通信链是这样的：网关从终端节点收集LoRa数据帧—→并将这些数据通过LoRa Packet forwarder程序重传到—→LoRaWAN网络服务器。

反之也是一样，网络服务器也可通过网关向终端节点发送下行指令集。在某种程度上，可以说网关是终端节点和LoRaWAN服务器之间的桥梁。

1、LoRa Packet forwarder

LoRa Packet forwarder是一个运行在LoRaWAN网关主机上的程序。它通过安全的IP链接将集中器（上行链路）收到的RF数据包转发到LoRaWAN网络服务器上（LNS）。它还可以将LNS发送的RF数据包（下行链路）通过同一安全IP链路传输给一个或者多个设备上。此外，它还可以传输到用于网络内设备时间同步的beacon信号中。

不过，由于Semtech发布了LoRa Basics™ Station，经典的LoRa Packet Forwarder现在已经被叫做传统版本了。不过，它确实提供了一个更安全的连接到首选LNS，也是一种通过CUPS协议远程配置包转发器和网关设置的方法。

大多数LoRaWAN网关都可以同时支持传统的Packet Forwarder和LoRa Basics™ Station。

2、LoRaWAN服务器

当LoRa Packet forwarder将集中器上行链路收到的RF数据包转发出来之后，就需要LoRaWAN服务器接收。LoRaWAN服务器是任何LoRaWAN网络的必备组件，它可以保留在云端或内置网关本身（所有RAK网关都有一个）。其作用是设备认证、重复数据删除、信息解密、管理和监控终端节点和网关、托管终端用户应用程序等。它确保了整个网络数据路由的安全性、可靠性和可扩展性。

3、回程连接

由于网关需要连接到网络服务器或至少是终端用户应用程序所在的云端。因此，它需要稳定的互联网接入。

网关通常具备以下一个或多个功能：以太网、Wi-Fi、蜂窝网络。它们被用作回程连接。更高级的网关（RAK室外网关系列）具有上述所有功能，并可在其中一个链路发生故障时选择接口故障转移，以提供稳定的连接。

4、附加功能/软件组件

除了在终端设备和网络服务器之间接收/传输射频信号的主要功能外，不同的网关还提供一些附加功能。例如，RAK室外网关在支持传统LoRa Packet Forwarder和Basics Station的同时，还提供内置网络服务器。另外，它还支持MQTT，允许用户使用现有的MQTT消息服务器。也有HTTP集成，允许直接向网络发送数据。

四、总结

我们重新回顾一下整个通信链，让大家对LoRaWAN网络和网关作用有一个完整的了解。

网关从终端节点收集LoRa数据帧，并将这些数据重传到LoRaWAN网络服务器，该服务器负责认证和数据帧去重。反之亦然，网络服务器也可通过网关向终端节点发送下行指令集。所以说，在某种程度上，网关是终端节点和LoRaWAN服务器之间的桥梁/协议转换。

责任编辑：haq