LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)作为一种主流的低功耗广域网(LPWAN)技术，其标准星型拓扑结构在提供远距离、低功耗通信方面表现出色。然而，在实际部署中，尤其是在复杂地形、密集城区或需要极致覆盖的场景下，标准的单跳传输(终端设备直接与网关通信)可能面临覆盖盲区、信号衰减等挑战。为此，“多级传输”功能应运而生，它通过引入中继节点或多跳路由机制，有效扩展了网络覆盖范围，增强了网络的鲁棒性和灵活性。以下将结合资料，对LoRaWAN的多级传输功能进行详尽阐述。
一、 核心概念：从单跳到多级传输
标准LoRaWAN架构与单跳限制：标准的LoRaWAN网络采用星型拓扑或“星中星拓扑”。其核心架构通常包括终端设备(End Device)、网关(Gateway)、网络服务器(Network Server)和应用服务器(Application Server)。在这种模式下，终端设备通过LoRa调制技术直接与一个或多个网关进行单跳通信，网关再将数据汇聚并经由回程链路(如以太网、4G/5G)转发至网络服务器。资料明确指出，标准的LoRaWAN协议仅支持单跳通信。这意味着，如果一个终端设备位于所有网关的无线信号覆盖范围之外，它将无法接入网络。
多级传输的定义与价值：多级传输，常被称为多跳(Multi-hop)通信，是指数据从源设备到目标设备(通常是网关或网络服务器)的传输过程中，经过一个或多个中间节点进行转发。如图42所示的“LoRa多步骤通信系统”，其功能明确划分为 传输数据（终端节点）、转发数据（中继节点）和接收数据（网关） 。这种模式的价值在于：
扩展覆盖：解决城市峡谷、山区、地下空间等信号盲区(Dark Spots)的覆盖问题。
优化网络参数：允许边缘设备使用较低的扩频因子(SF)通过中继进行通信，从而缩短空中传输时间、降低功耗、减少信道冲突概率。
增强可靠性：通过多路径可能性，提高在动态环境或存在干扰情况下数据传输的成功率。
二、 多级传输的实现方式与技术方案
多级传输并非LoRaWAN标准1.0.x版本的原生核心功能，而是通过架构扩展或附加协议实现。主要实现方式如下：
基于中继节点（Relay Node）的转发：这是最直观的多级传输形式。在终端设备和网关之间部署专用的中继节点。终端设备先将数据发送给中继节点，中继节点接收并存储后，再转发给网关。这种方式要求中继节点具备持续或定期的接收能力(如Class C或Class B设备)，并消耗自身能量进行转发。一些研究方案(如[130])即是符合LoRaWAN规范的多跳上行扩展。
基于网络服务器的间接路由（虚拟多跳） ：在大型网络(如智慧城市)中，虽然物理上是星型连接，但逻辑上可通过网络服务器实现智能路由。由于LoRa的广播特性，一个终端的上行数据可能被多个网关同时接收。网络服务器收到这些重复数据后，会进行消冗处理，并可能根据信号质量、网关负载等信息，选择“最优路径”。下行指令也由网络服务器决定通过哪个网关下发。例如，清华大学CityWAN项目通过部署上百个网关，并利用网络服务器统一管理，实现了130平方公里的覆盖。这种方式网关之间不直接通信，所有路由决策集中在云端服务器。
扩展的LoRaWAN协议与网状网络（Mesh Network） ：为了原生支持多跳，学术界和产业界提出了多种扩展协议。这些方案旨在保持与LoRaWAN终端设备兼容的同时，引入网状组网能力。
LoRaHop：这是一个代表性方案，它允许形成多跳LoRaWAN网络，连接那些无法直接连接到网关的终端设备。其关键优势在于，不要求所有节点都必须与网关有直接连接，且支持上下行双向消息。如图1所示，传统网络(左)所有终端(E)均在网关(G)范围内，而LoRaHop网络(右)允许终端(LL)通过LoRaHop节点(LR)进行多跳接入。
集成混合路由协议：有研究提出将混合无线网状协议(HWMP)和按需距离矢量路由(AODV)等技术集成到LoRaWAN规范中，以构建安全、能耗受限的LoRa网状网络。这种方案旨在解决如地下应用等特殊场景中的传输限制。
轻量级多跳版本：一些扩展方案致力于实现轻量级的多跳版本，同时支持上行和下行传输，以超越早期仅支持上行扩展的方案。
三、 设备分类(Class A/B/C)与多级传输的关联
终端设备的工作类别直接影响其作为中继节点或参与多级传输的能力：
Class A（最低功耗） ：设备在发送上行数据后，会开启两个短暂的下行接收窗口。此类设备绝大部分时间在休眠，不适合作为常发数据的中继节点，但可以是多级传输的末端源节点。
Class B（同步信标） ：在Class A基础上，设备会在固定时间间隔打开额外的接收窗口。这使其能进行计划性的下行通信，更适合作为需要定时转发任务的中继节点。
Class C（持续监听） ：设备几乎持续打开接收窗口，仅在发送时短暂关闭。这使其非常适合作为中继节点，因为它可以随时接收来自其他终端或中继的数据，但代价是功耗最高。
在多级传输网络设计中，需要根据能量来源(电池或市电)、转发延迟要求等因素，合理规划不同类别设备的角色和位置。
四、 应用场景与典型案例
多级传输功能极大地拓宽了LoRaWAN的应用边界，特别是在需要广域、深度覆盖的场景中：
大规模智慧城市与园区覆盖：在城市环境中，高层建筑、地下设施(如停车场、管网)会形成大量信号盲区。通过部署多级网关或中继节点，可以构建无缝覆盖网络。典型案例是清华大学CityWAN项目，部署100个网关实现130平方公里的城市级覆盖。智能照明、环境监测(空气质量、噪音)、智能垃圾收集等应用均可受益于此。
复杂地理环境监测：在农业监测、森林防火、山地灾害预防等场景，传感器可能部署在远离基站的偏远或地形复杂区域。多跳通信可以将这些孤立节点的数据逐级回传，解决单点覆盖不足的问题。
工业物联网与地下场景：在工厂、矿山、隧道等环境，设备可能位于地下或金属结构内部，信号衰减严重。基于LoRa物理层的多跳网状网络被证明可以克服标准LoRaWAN在地下环境中的传输限制，用于设备状态监测、安全预警。
资产追踪与物流：对集装箱、货品、牲畜等的追踪可能涉及移动路径超出单网关覆盖范围的情况。多级传输网络可以形成更连续覆盖的“毛细网络”，确保追踪数据的连续性。
五、 面临的挑战与未来展望
尽管多级传输功能优势明显，但其部署和应用也面临一系列挑战：
延迟与实时性：每一跳都会引入数据处理、存储和转发的延迟，这对于有严格实时性要求的应用(如紧急报警)可能构成挑战。LoRaWAN本身不适用于秒级实时数据场景，多跳会进一步增加延迟。
网络容量与冲突管理：中继节点同时接收和发送，增加了信道占用。若不进行精细的调度和冲突避免(如采用CSMA算法)，容易导致网络拥塞和性能下降。资料指出，LoRaWAN网络的瓶颈通常在于网关容量，多跳网络需要更复杂的容量规划。
协议兼容性与部署复杂度：许多多跳解决方案(如LoRaHop)虽然声称使用现成的LoRaWAN设备且不改变原有协议栈，但仍可能需要升级固件或配置特定参数。中继设备之间的级联也可能存在限制，增加了网络规划和管理的复杂度。
功耗均衡：中继节点承担了额外的通信负担，其能耗远高于普通终端节点。在设计网络时，需仔细考虑中继节点的供电方式(是否可方便更换电池或使用太阳能等)，以避免因中继节点电量耗尽导致网络分割。
总结而言，LoRaWAN的多级传输功能是对其标准星型拓扑的重要补充和增强。它通过引入中继和路由机制，有效突破了单跳通信的距离和覆盖限制，使其在智慧城市、复杂环境监测、工业物联网等对覆盖广度和深度有极高要求的领域更具应用潜力。 未来，随着LoRaWAN协议的演进(如已发布的Rel. 1.1和后续版本对中继功能的考虑)以及学术界对高效路由算法、低功耗多跳MAC协议的持续研究，多级传输功能的性能、能效和易用性有望得到进一步提升，从而推动LoRaWAN技术在更广阔的物联网场景中落地生根。