LoRaWAN®通信良好的关键 —“LBT（对话前监听）”，lbt

描述

如今，LoRaWAN® 已经不再是一个生僻的新术语了。它是专为物联网设计的一种低功耗广域网，通过开源技术，可以使 LoRaWAN® 信号在免授权的频段上传输。LoRaWAN® 技术的传输距离比 Wi-Fi 和蓝牙更远，它也成为了如今许多新物联网解决方案的首选技术。另外，LoRaWAN® 在室内也能很好地运行，这一点对于蜂窝网络覆盖范围较差的偏远地区来说意义重大。

LoRaWAN® 其实是定义网络通信和架构的上层协议栈。更具体来说，它是一个带有网络层组件的媒体访问控制（MAC）层协议，主要是指网络以及数据如何通过它传输。那么这个协议内部设备之间的通信到底是如何发生的呢？

LoRaWAN® 协议内部设备间如何通信？

LoRaWAN® 设备之间的通信方式虽然有很多种，但比较受欢迎且用得较多的是“基于纯 ALOHA”的一种数据传输方式。那是什么呢？ALOHA 是一种多路访问协议，一般用于通过共享网络通道来传输数据的场景中，在开放系统互连（OSI）模型的 MAC 子层中运行。这其实是一个十分简单的协议，其中来自多个节点的多个数据流通过多点传输通道进行传输。

简单是 ALOHA 受欢迎的主要原因，但如果应用到大型部署时，它并非数据传输的最佳选择。在纯 ALOHA 中，传输时间是连续的，每当一个节点有数据要发送时，它就立刻发送。但数据包中存在冲突就会比较麻烦，如果这时另一个节点也同时在传输，该帧就会被销毁，而且发送方等待重新传输的时间量也是随机不确定的。这就有可能导致关键数据丢失和传输延迟。

虽然 LoRaWAN® 可以免费使用，但仍然有一些规定限制。为确保每个人都可以访问并安全使用，很多国家和地区的政府都从国家层面的做了一定的限制。例如：韩国频率法规对 LoRaWAN® 每个子频段的设备规定了特定的占空比。LoRaWAN® 使用的大多数通道的占空比低至 2%，日本也有具体要求。在这些国家和地区，如果要访问免授权频道的设备，LBT（对话前监听）是强制要求的，在这些国家和地区需要在传输前执行一项或多项畅通信道评估（CCA）。

什么是 LBT，它是如何工作的？

标题中的 LBT（对话前监听）并不是文字游戏，也不是噱头。LBT 可以解决很多创新物联网项目的两个主要问题：

• 由于严格的准入规定而无法进入该国市场
• 由于网络中的数据包冲突导致的数据丢失

正如我们说的，要想在韩国和日本销售和使用的设备，集成 LBT 功能是必须的。没有它，这类设备就无法得到这些国家和地区合法运营所需的认证。这个问题倒是比较容易解决，更大的问题其实是数据丢失。

解决这一问题的方法实际上就是 LBT 本身的性质。LoRaWAN® 协议使多个用户可以共享同一频道，启用 LBT 后，设备会持续监控通道，使其只在通道未使用时进行传输。因为需要在使用频道之前应用 CCA（空闲信道评估）检查。也就是说：一个设备首先要传输它的数据（进行通话），不过前提是它需要确保信道是空闲的（进行监听）。

根据不同国家和地区的特定法规，CCA 可以使用两种方法中的任意一种进行。Jorge Ortín、Matteo Cesana 和 Alessandro Redondi 在他们的论文《用 LBT 增强LoRaWAN® 的表现》中解释了 LBT 的两种不同实现方式：基于能量检测的物理层 LBT 和基于第 2 层帧解码的 MAC 层 LBT。他们还提出了一个马尔可夫框架来评估 LoRaWAN® 在这种设置下的数据提取率和传输上行链路消息所经历的平均延迟的性能。

这篇论文挺有趣的，文章探讨了在 LoRaWAN® 中使用 LBT 方法来增强网络性能的可能性，因为 LoRaWAN® 采用基于纯 ALOHA 的 MAC 方案之前已经被证明存在性能瓶颈了。而且随着网络规模扩大，最大信道的利用率却只有 18.4%。

是否需要使用 LBT 其实也是是由设备本身决定的。MAC 级别定义了三类终端设备。A 类设备按照标准使用基于简单随机 ALOHA 的接入协议在上行链路中传输，而且只有在上行链路传输之后才能在下行链路中接收流量；B 类设备可以定期唤醒以接收预定的下行数据流量；C 类设备持续收听，并且通常由市电供电。

在撰写本文时，A 类设备是市场上普及率最高的设备。为了限制 ISM 频段中的干扰，如果运行 ALOHA 接入协议或采用对占空比没有限制的对话前监听方法，A 类设备必须在欧洲以低于 1% 的占空比运行。

因此，“监听”是在物理层或 MAC 层完成的，各有优缺点。那么“对话”部分呢？

在《无数据丢失的 LoRaWAN® 中：研究不同通道访问方法的性能》这一文章当中，Frank Loh、Noah Mehling 和 Tobias Hoßfeld 很好地解释了关于减少数据丢失的不同数据传输方法的研究结果。在那里，他们解释了 LBT 通常使用的原则 — 退避策略。在设备使用 LBT 发送消息之前，它会先监听信道是否已被占用。如果是空闲的，就开始传输，否则，就会根据预定义的退避策略延迟消息，而且不需要额外的同步。LBT 的回退策略决定了当信道被占用时，在尝试传输失败后消息延迟的持续时间（对于 ALOHA，延迟始终是传输时间）。在那篇文章中，他们演示了一种如何确定消息的最佳延迟的方法。一方面，目标是在新的传输尝试之前不能延迟太多；但是，另一方面，由于通道仍在使用中，会存在再次尝试失败的风险。最佳回退延迟是通过考虑实际部署的物理环境（位置和距离）（尝试预测是否会出现隐藏节点问题）和部署的密度来确定的。

瑞科慧联产品生态系统中的“LBT”

瑞科慧联（RAK）的 WisGate Edge 系列网关就能支持 LBT。该系列网关为其最新的操作系统 WisGateOS 2 推出的 LBT 功能提供了所需的物理支持。

其实，LBT 并不是在所有地方都需要，瑞科慧联通过“插件”的方式将其添加到“拓展选项”种，用户可以根据自己的需要安装或卸载。但我们相信，随着 LoRaWAN® 的发展，LBT 是必不可少的。

LoRaWAN® 中的通道访问规划是一项复杂的任务。具有挑战性的因素很多，包括：不同的信道访问方法、由于 A 类设备和网关的占空比限制而导致的同步可能性有限，以及终端设备对节省电池的严格要求等等。另外，LoRaWAN® 频段的免费使用可能会导致潜在的交叉流量。LBT 正好提供了一种解决方案和一条更清晰的 LoRaWAN® 通信路径，使其不会丢失数据。无论是想要将业务扩展到韩国和日本的解决方案提供商，还是考虑使用 LoRaWAN® 的公司，或者只是想确保数据安全地通过网络传输，LBT 都可以实现这些需求。