本文是一篇LoRaWAN的科普介紹，你已經在朋友圈看過無數蜻蜓點水的LoRaWAN文章，是時候來一篇真正的技術干貨了。本文先從橫向介紹下LoRaWAN的背后勢力和網絡部署情況，然后縱向講解了網絡架構和具體的協議內容，幫助LoRa從業者系統地了解LoRaWAN協議。

1 LoRaWAN是什么

按照LoRa聯盟官方白皮書《what is LoRaWAN》的介紹，LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構。

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議層次圖，各位看官大體感受下。

LoRaWAN在協議和網絡架構的設計上，充分考慮了節點功耗，網絡容量，QoS，安全性和網絡應用多樣性等幾個因素。經過接下來的這些內容，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（無線行業企業協會）和TTC（電信技術委員會）、CCSA（中國通信標準化協會）、韓國TTA（電信技術協會）和北美ATIS（世界無線通訊解決方案聯盟）等等組成。

相比于 3GPP 的根正苗紅，LoRaWAN 背后的LoRa聯盟則勢力弱了一些。從協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。雖然組織和聯盟都是非盈利性組織，但是旗下的企業成員都不是一心來做公益的。從企業角度來講，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聯盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特（Semtech）等多家廠商共同發起創立，截止目前(2017.04)有400+的成員，董事會成員中也有不少大企業，大家共同為瓜分未來低功耗廣域網的蛋糕而抱團努力著。這是我做的一個表格，收集了現階段愿意交納5W美金會費的19個董事會成員，你可以看到這些企業的愿ye景xin。

3 LoRaWAN的網絡部署情況

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

34個公開聲明部署的網絡，至少150個在進行的城市試點部署

4 LoRaWAN 網絡架構
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聯盟官方白皮書中的網絡架構圖。

可以看到一個LoRaWAN網絡架構中包含了終端、基站、NS(網絡服務器)、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，你會發現終端節點可以同時發給多個基站。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協議數據做轉發處理，將LoRaWAN數據分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上。

5 協議概述

5.1 終端節點的分類

在開頭的介紹中我們就看到有協議中有規定 Class A/B/C 三類終端設備，這三類設備基本覆蓋了物聯網所有的應用場景。

為了方便大家，我又做了個表。

5.2 終端節點的上下行傳輸

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 終端節點的加網

搞明白了基礎概念之后，就可以了解節點如何工作了。在正式收發數據之前，終端都必須先加網。

有兩種加網方式：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。

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。

終端在發起加網join流程后，發出加網命令，NS(網絡服務器)確認無誤后會給終端做加網回復，分配網絡地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網回復中的相關信息以及AppKey，產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數據進行加密和校驗。

如果是采用第二種加網方式，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，不再需要join流程。在這種情況下，這個設備是可以直接發應用數據的。

5.4 數據收發

加網之后，應用數據就被加密處理了。

LoRaWAN規定數據幀類型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 兩種，即 需要應答 和不需要應答類型。廠商可以根據應用需要選擇合適的類型。

另外，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 應用端口來對數據分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，由應用層來指定。

5.5 ADR 機制

我們知道LoRa調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，且對數據傳輸互不影響。

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

5.6 MAC命令

針對網絡管理需要，在協議上設計了一系列的MAC命令，來修改網絡相關參數。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 地區參數

LoRa聯盟官方在協議之外，還發布了一個配套補充文檔《LoRaWAN 地區參數》，這份文檔描述了全球不同地區的LoRaWAN具體參數。為了避免新區域的加入而導致文檔的變動，因此將地區參數章節從協議規范中剝離出來。

這份文檔主要講了LoRaWAN在全球各地區的具體物理層參數，不單單是頻段有區別，細化到信道劃分，甚至是數據速率，發射功率，最大數據長度等等都有區別。

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有了系統的了解。

在斷斷續續學習LoRaWAN的這幾個月，深深感覺到，物聯網廠商要想理解透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務應用，是的，那句話，上帝的歸上帝，凱撒的歸凱撒。

i.基礎網絡參數配置

配置DevEUI

AT+DEI=11:22:33:44:55:66:77:88

配置AppEUI

AT+AEI=11:22:33:44:55:66:77:88

配置AppKey

AT+AKY=00:11:22:33:44:55:66:77:88:99:AA:BB:CC:DD:EE:FF

ii.加網操作

AT+JON //啟動加網

+JON: 1 Failed // 第一次加網失敗

+JON: 2 OK

iii.數據收發

向端口21發送數據12345

AT+TXA=21,12345

收到端口21的數據通知