1 LoRaWAN是什么

　　按照LoRa聯(lián)盟官方白皮書《what is LoRaWAN》的介紹，LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構。

　　LoRaWAN defines the communication protocol and system architecture for the network while the LoRa physical layer enables the long-range communication link.

　　另外官方提供了這張略偏技術的協(xié)議層次圖，各位看官大體感受下。

　　LoRaWAN在協(xié)議和網(wǎng)絡架構的設計上，充分考慮了節(jié)點功耗，網(wǎng)絡容量，QoS，安全性和網(wǎng)絡應用多樣性等幾個因素。經(jīng)過接下來的這些內(nèi)容，將會對開頭這段介紹有更深刻的體會。

　　2 背后的利益集團 -- LoRa聯(lián)盟

　　和LoRa相愛相殺的 NB-IoT 出自于全球標準化組織 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI(歐洲電信標準化委員會)、日本ARIB(無線行業(yè)企業(yè)協(xié)會)和TTC(電信技術委員會)、CCSA(中國通信標準化協(xié)會)、韓國TTA(電信技術協(xié)會)和北美ATIS(世界無線通訊解決方案聯(lián)盟)等等組成。

　　相比于 3GPP 的根正苗紅，LoRaWAN 背后的LoRa聯(lián)盟則勢力弱了一些。從協(xié)議的封面可以看到作者是來自于3個董事會成員公司: N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。

　　我們知道每一項技術的推廣，都伴隨著利益的推動。雖然組織和聯(lián)盟都是非盈利性組織，但是旗下的企業(yè)成員都不是一心來做公益的。從企業(yè)角度來講，花5W去投入做的事情，注定是抱著撬動至少50W美金的預期去做的。

　　LoRa聯(lián)盟于2015年上半年由思科(Cisco)、IBM和升特(Semtech)等多家廠商共同發(fā)起創(chuàng)立，截止目前(2017.04)有400+的成員，董事會成員中也有不少大企業(yè)，大家共同為瓜分未來低功耗廣域網(wǎng)的蛋糕而抱團努力著。這是我做的一個表格，收集了現(xiàn)階段愿意交納5W美金會費的19個董事會成員，你可以看到這些企業(yè)的愿ye景xin。

　　3 LoRaWAN的網(wǎng)絡部署情況

　　在綁定了幾個一級電信運營商后，網(wǎng)絡部署情況就比較可觀了。按照官方目前(2017.04)的聲明，網(wǎng)絡部署情況是這樣：

　　34個公開聲明部署的網(wǎng)絡，至少150個在進行的城市試點部署

　　你們發(fā)現(xiàn)沒，雞脖子那邊有一點白，可能是主體主義思想的光輝太耀眼了。

　　4 LoRaWAN 網(wǎng)絡架構

　　在前面部分了解了LoRaWAN很火之后，我們具體從技術角度做些了解。如下是LoRa聯(lián)盟官方白皮書中的網(wǎng)絡架構圖。

　　可以看到一個LoRaWAN網(wǎng)絡架構中包含了終端、基站、NS(網(wǎng)絡服務器)、應用服務器這四個部分。基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡拓撲，由于LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。在終端部分官方列了6個典型應用，有個細節(jié)，你會發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點可以同時發(fā)給多個基站?；緞t對NS和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)做轉發(fā)處理，將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上。

　　下面結合下行業(yè)生態(tài)再來看下這個網(wǎng)絡架構，大家可以有更深的認知。圖來自ST的LoRa白皮書《IoT connectivity made easier STM32 MCUs & LoRa》。

　　5 協(xié)議概述

　　5.1 終端節(jié)點的分類

　　在開頭的介紹中我們就看到有協(xié)議中有規(guī)定 Class A/B/C 三類終端設備，這三類設備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應用場景。

　　為了方便大家，我又做了個表。

　　5.2 終端節(jié)點的上下行傳輸

　　下面來點時序圖，讓大家有更深的感受。

　　這是Class A 上下行的時序圖，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒開始，接收窗口RX2是在上行后2秒開始。

　　Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期間，它都打開了接收窗口RX2。

　　Class B 的時隙則復雜一些，它有一個同步時隙beacon，還有一個固定周期的接收窗口ping時隙。如這個示例中，beacon周期為128秒，ping周期為32秒。

　　5.3 終端節(jié)點的加網(wǎng)

　　搞明白了基礎概念之后，就可以了解節(jié)點如何工作了。在正式收發(fā)數(shù)據(jù)之前，終端都必須先加網(wǎng)。

　　有兩種加網(wǎng)方式：Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(獨立激活方式 ABP)。

　　商用的LoRaWAN網(wǎng)絡一般都是走OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備 DevEUI，AppEUI，AppKey 這三個參數(shù)。

　　DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的終端設備。相當于是設備的MAC地址。

　　AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的應用提供者。比如各家的垃圾桶監(jiān)測應用、煙霧報警器應用等等，都具有自己的唯一ID。

　　AppKey 是由應用程序擁有者分配給終端。

　　終端在發(fā)起加網(wǎng)join流程后，發(fā)出加網(wǎng)命令，NS(網(wǎng)絡服務器)確認無誤后會給終端做加網(wǎng)回復，分配網(wǎng)絡地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網(wǎng)回復中的相關信息以及AppKey，產(chǎn)生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數(shù)據(jù)進行加密和校驗。

　　如果是采用第二種加網(wǎng)方式，即ABP激活，則比較簡單粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 這三個LoRaWAN最終通訊的參數(shù)，不再需要join流程。在這種情況下，這個設備是可以直接發(fā)應用數(shù)據(jù)的。

　　5.4 數(shù)據(jù)收發(fā)

　　加網(wǎng)之后，應用數(shù)據(jù)就被加密處理了。

　　從介紹中可以看到，LoRaWAN設計之初的一大考慮就是要支持應用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應用外，在傳輸時也可以利用 FPort 應用端口來對數(shù)據(jù)分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，有應用層來指定。

　　5.5 ADR 機制

　　我們知道LoRa調(diào)制中有擴頻因子的概念，不同的擴頻因子會有不同的傳輸距離和傳輸速率，且對數(shù)據(jù)傳輸互不影響。

　　為了擴大LoRaWAN網(wǎng)絡容量，在協(xié)議上了設計一個LoRa速率自適應(Adaptive data rate - ADR)機制，不同傳輸距離的設備會根據(jù)傳輸狀況，盡可能使用最快的數(shù)據(jù)速率。這樣也使得整體的數(shù)據(jù)傳輸更有效率。

　　5.6 MAC命令

　　針對網(wǎng)絡管理需要，在協(xié)議上設計了一系列的MAC命令，來修改網(wǎng)絡相關參數(shù)。比如接收窗口的延時，設備速率等等。在實際應用過程中，一般很少涉及，暫時不管。

　　6 地區(qū)參數(shù)

　　LoRa聯(lián)盟官方在協(xié)議之外，還發(fā)布了一個配套補充文檔《LoRaWAN 地區(qū)參數(shù)》，這份文檔描述了全球不同地區(qū)的LoRaWAN具體參數(shù)。為了避免新區(qū)域的加入而導致文檔的變動，因此將地區(qū)參數(shù)章節(jié)從協(xié)議規(guī)范中剝離出來。

　　這份文檔主要講了LoRaWAN在全球各地區(qū)的具體物理層參數(shù)，不單單是頻段有區(qū)別，細化到信道劃分，甚至是數(shù)據(jù)速率，發(fā)射功率，最大數(shù)據(jù)長度等等都有區(qū)別。

　　為了方便大家了解總體情況，我又做了個表。

　　其實這個表也可以看出一個好玩的事情，為什么韓國的參數(shù)和亞洲各國其實差不太多，卻單獨拎出來。如果你有記得前文中的董事會成員記錄，就應該知道韓國SK電信在LoRa聯(lián)盟中的地位。這么高的地位搞點小特殊，你說過分么。

　　7 LoRaWAN應用示例

　　好了，介紹完如上的信息，大家應該對LoRaWAN有了系統(tǒng)的了解。

　　在斷斷續(xù)續(xù)學習LoRaWAN的這幾個月，深深感覺到，物聯(lián)網(wǎng)廠商要想理解透LoRaWAN還是需要做比較大的投入，特別是在實際項目過程中還是會遇到這樣那樣的細節(jié)問題。不過有更快速省事的方法，諸如借助我們長期的合作伙伴-廈門四信的LoRaWAN串口模塊，他們提供了非常簡單清晰的串口AT命令，廠商可以專注于自己多變的業(yè)務應用，是的，那句話，上帝的歸上帝，凱撒的歸凱撒。