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2. Lora無線傳輸協議技術淺析
在2016年，我首次接觸到了Lora無線傳輸協議技術。當時，我們公司面臨了一個棘手的問題：一款傳統的安防報警系統在幾個國內項目中出現了無法解決的問題。傳統的安防報警主機系統採用的是成本低、開發容易的433MHz ASK無線通訊，它雖然傳輸距離較遠，但也存在抗干擾能力差、數據傳輸效率低以及容易串碼等問題。這種傳統系統主要出口到歐美地區，歐美地區人口稀少，每家每戶住著大別墅，相隔距離遠，所以ASK無線通訊在一定范圍內並無太大問題。然而，國內情況不同，大多數居民住在樓房裡，一戶挨著一戶，感測器數量多，信號容易相互干擾、碰撞，導致串碼。這種問題在2017年的一個新疆十戶聯防農村防護報警項目中再次暴露出來，因為433MHz的傳輸距離無法滿足農村一戶到一戶之間的距離要求。為了尋找新技術優化區域網無線通訊，我們需要解決抗干擾能力差、傳輸距離不夠遠的問題。經過測試驗證了Zigbee、FSK、Z-wave等無線通訊方案，增加無線通訊的中繼器以及增加無線發射的功率等方法，但都未能滿足需求。就在這個時候，我們發現了Lora技術。
Lora是一種基於擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，主要在ISM頻段運行，包括433、868、915MHz等。它具有穿透力強、抗干擾能力強、功耗低、數據通訊效率高等優勢，並且支持半雙工的雙向通訊。在2017年，Lora技術在安防報警系統和智能家居系統中被視為一項新技術，市面上類似的成熟模塊較少。為了應對十戶聯防報警系統中傳輸距離的問題，我們自主開發了Lora模塊，並設計了私有通訊協議。這使得系統性能得到了顯著提升。之後，我們基於Lora技術開發了一套新的安防報警系統和智能家居系統，特別適用於別墅和高檔公寓的安全報警。
然而，Lora模塊在價格方面存在一個明顯的缺點，相對於ASK模塊，Lora模塊的價格要高出許多，大約是後者的6-8倍。此外，提到Lora，人們自然而然會聯想到LoraWan。LoraWan是由LoRa聯盟發布的基於開源MAC層協議的低功耗廣域網通信協議，主要為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網路通信。LoRaWan的開發勢頭在2017年非常強勁，許多國內巨頭如騰訊、阿里、中國電信等都參與了這一領域。然而，由於LoraWan的核心技術專利和晶元製造基本上被美國Semtech公司壟斷，2017年12月13日，工信部無線電管理局發布的《微功率短距離無線電發射設備技術要求（徵求意見稿）》中限制了470－510MHz頻段的使用，僅限於民用無線電計量儀表，且為單頻點使用，不能用於組網應用。這導致LoraWan的發展在2018年初出現急剎車，並一直保持在低谷狀態。
盡管在國內LoraWan的發展受到一些限制，但這並未阻礙Lora無線通訊技術的發展。我們使用的十戶聯防項目以及基於Lora通訊的新安防報警系統，採用的都是私有協議，不在LoraWan的網路范疇內，因此不受上述限制。就技術而言，Lora確實解決了區域網無線通訊傳輸的一些痛點，提升了無線通訊的穩定性和可靠性。然而，2021年對電子行業來說是一個寒冬，關於技術壟斷的問題，我也深切期望國內科技能夠不斷進步和發展，擺脫被外國卡脖子的局面。晶元價格的飛漲也引發了對國產化晶元技術的期待。
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3. 無線感測器網路的優缺點
一、優點
(1) 數據機密性
數據機密性是重要的網路安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。
(2)數據完整性
有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內容，但接收者並不能保證其收到的數據是正確的，因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別，可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。
(3) 數據新鮮性
數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發送方最新發送的數據，以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。
二、缺點
根據網路層次的不同，無線感測器網路容易受到的威脅：
（1）物理層：主要的攻擊方法為擁塞攻擊和物理破壞。
（2）鏈路層：主要的攻擊方法為碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭。
（3）網路層：主要的攻擊方法為丟棄和貪婪破壞、方向誤導攻擊、黑洞攻擊和匯聚節點攻擊。
（4）傳輸層：主要的攻擊方法為泛洪攻擊和同步破壞攻擊。
(3)無線感測器網路中的碰撞問題擴展閱讀：
一、相關特點
（1）組建方式自由。
無線網路感測器的組建不受任何外界條件的限制，組建者無論在何時何地，都可以快速地組建起一個功能完善的無線網路感測器網路，組建成功之後的維護管理工作也完全在網路內部進行。
（2）網路拓撲結構的不確定性。
從網路層次的方向來看，無線感測器的網路拓撲結構是變化不定的，例如構成網路拓撲結構的感測器節點可以隨時增加或者減少，網路拓撲結構圖可以隨時被分開或者合並。
（3）控制方式不集中。
雖然無線感測器網路把基站和感測器的節點集中控制了起來，但是各個感測器節點之間的控制方式還是分散式的，路由和主機的功能由網路的終端實現各個主機獨立運行，互不幹涉，因此無線感測器網路的強度很高，很難被破壞。
（4）安全性不高。
無線感測器網路採用無線方式傳遞信息，因此感測器節點在傳遞信息的過程中很容易被外界入侵，從而導致信息的泄露和無線感測器網路的損壞，大部分無線感測器網路的節點都是暴露在外的，這大大降低了無線感測器網路的安全性。
二、組成結構
無線感測器網路主要由三大部分組成，包括節點、感測網路和用戶這3部分。其中，節點一般是通過一定方式將節點覆蓋在一定的范圍，整個范圍按照一定要求能夠滿足監測的范圍。
感測網路是最主要的部分，它是將所有的節點信息通過固定的渠道進行收集，然後對這些節點信息進行一定的分析計算，將分析後的結果匯總到一個基站，最後通過衛星通信傳輸到指定的用戶端，從而實現無線感測的要求。
4. 高分懸賞無線感測器網路混合類斑馬協議(Z-MAC)
3.3 常見的MAC協議分析與比較
3.3.1 S-MAC協議
S-MAC(Sensor-MAC)協議是較早的針對WSN的一種MAC協議，他是在802.11MAC的基礎上，採用下面介紹的多種機制來減少了節點能量的消耗。固定周期性的偵聽和睡眠：為了減少能量的消耗，感測器節點要盡量處於低功耗的睡眠狀態。S-MAC協議採用了低占空比的周期性睡眠／偵聽。為了使得S-MAC協議具有良好的擴展性，在覆蓋網路中形成眾多不同的虛擬簇。
消息傳遞技術：對於無線信道，傳輸差錯與包長度成正比，短包成功傳輸的概率要大於長包。在S-MAC協議中消息傳遞技術將長消息分成若干短包，利用RTS／CTS握手機制，一次性發送整個長消息，這樣既提高發送成功率，有減少了控制消息。流量自適腔滾應偵聽機制：感測器節點在與鄰居節點通信結束後並不立即進入睡眠狀態，而保持偵聽一段時間，採用流量自適應偵聽機制，減少了網路中的傳輸延遲。
S-MAC協議與IEEE802.11 MAC相比，在節能方面有了很大的改善。但睡眠機制的引入，使得網路的傳輸延遲增加，吞吐量下降。針對S-MAC協議存在的不足，研究人員對其進行了改進，提出了一種帶有自適應睡眠的S-MAC協議。
3.3.2 LMAC協議
LMAC協議使用時分多址 (TDMA)機制,時間被分成若干個時隙, 節點在傳送數據時不需要競爭信道，可以避免傳輸碰撞造成的能量損耗。節點只能指派一個控制時隙，在時隙期間,節點總是會傳送一條信息，此信息包含兩部分：控制信息和數據單元。由於一個時隙梁圓汪只能被一個節點控制, 所以節點可以無沖突的進行通訊【1】。
3.3.3 T-MAC協議
T-MAC(Timeout-MAC)協議與自適應睡眠的S-MAC協議基本思想大體相同。數據傳輸仍然採用RTS／CTS／DATA／ACK的4次握手機制，不同的是在節點活動的時隙內插入了一個TA(Time Active)時隙，若TA時隙之間沒有任何時間發生，則活動結束進入睡眠狀態。TA的取值對於T-MAC協議性能至關重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C為競爭信道時間，R為發送RTS分組的時間，T為RTS分組結束到發出CTS分組開始的時間。在模擬的時候，一般選取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。
T-MAC協議雖然能根據當前網路的動態變化，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽提高能效，但帶來了「早睡」問題。所謂早睡問題是指在多個感測器節點向一個或少數幾個匯聚節點發送數據時，由於節點在當前TA沒有收到激活事件，過早進入睡眠，沒有監測到接下來的數據包，導致網路延遲。為解決這個問題，提出了未來清除發送和滿緩沖區優先兩個方法。
基於競爭的MAC協議通常很難提供實時性保證，而且由於沖突的存在，浪費了能量。基於競爭的協議在有些應用場合(比如主要考慮節能而不太關心時延的可預測性時)有較大的應用，基於競爭的協議需要解決的是提供一個實時性的統計上界。根據這類協議的分布式和隨機的補償特性，基於競爭的協議沒有確切的保證不同節點的數據包的優先順序。因此，有必要限制優先順序倒置的概率以建立統計上的端到端的時延保證。
3.3.4 Wise-MAC協議
Wise - MAC協議在非堅持CSMA協議的基礎上，採用前導碼采樣技術控制節點處於空閑偵聽狀態時的能量消耗。與S-MAC和T-MAC協議相比，節能效果非常顯著。
無線信道在傳輸過程中經常出現錯誤，所以需要鏈路層的確認機制來恢復丟失的數據包。Wise-MAC協議的ACK數據幀不僅用來對接收到的數據包進行確認，還會通知其他鄰居節點到下一次采樣的剩餘時間。通過這種方式，每個節點不斷更新相鄰節點的采樣時間偏移表。利用這些信息，每個節點可以選擇恰當的時間，使用最小長度的喚醒前導碼向目的節點發送數據。
Wise-MAC協議可以很好地適應網路橡仔流量變化，他是和WISENET超級功耗SoC晶元結合設計的。Wise-MAC協議的采樣同步機制會帶來數據包沖突的問題，也會由於節點學要存儲相鄰節點的信道偵聽時間，會佔用寶貴的存儲空間，增加協議實現的復雜度，尤其是在節點密度較高的網路內這個問題尤為突出。
3.3.5 DMAC協議
數據採集樹是無線感測器網路的一種重要的通信模式，DMAC協議就是針對這種數據採集樹而提出的，目標是減少網路的能量消耗和減少數據的傳輸延遲。DMAC協議採用不同深度節點之間的接收發送／睡眠的交錯調度機制。將節點周期劃分為接收、發送和睡眠時隙，數據能沿著多跳路徑連續地從數據源節點傳送到匯聚節點，減少睡眠帶來的傳輸延遲。
3.3.6 Z-MAC協議
綜合CSMA和TDMA二者各自的優點，由RHEE 等在2005年提出了一種混合機制的Z-MAC協議。
Z-MAC將信道使用物化為時間幀的同時，使用CSMA作為基本機制，時隙的佔有者只是有數據發送的優先權，其他節點也可以在該時隙發送信息幀，當節點之間產生碰撞之後，時隙佔有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權。Z-MAC使用競爭狀態標示來轉換MAC機制，節點在ACK重復丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競爭狀態轉為高競爭狀態，由CSMA機制轉為TDMA機制。因而可以說，Z-MAC在較低網路負載下，類似CSMA，在網路進入高競爭的信道狀態之後，類似TDMA。
Z-MAC並不需要精確的時間同步，有著較好的信道利用率和網路擴展性。協議達到即時的適應網路負載的變化的同時，TDMA和CSMA機制的同步和互換會產生較大的能量耗損和網路延遲問題。