本文是一篇LoRaWAN的科普介紹，你已經(jīng)在朋友圈看過(guò)無(wú)數(shù)蜻蜓點(diǎn)水的LoRaWAN文章，是時(shí)候來(lái)一篇真正的技術(shù)干貨了。本文先從橫向介紹下LoRaWAN的背后勢(shì)力和網(wǎng)絡(luò)部署情況，然后縱向講解了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和具體的協(xié)議內(nèi)容，幫助LoRa從業(yè)者系統(tǒng)地了解LoRaWAN協(xié)議。

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L(zhǎng)oRa遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。

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(shù)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(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)上，充分考慮了節(jié)點(diǎn)功耗，網(wǎng)絡(luò)容量，QoS，安全性和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多樣性等幾個(gè)因素。經(jīng)過(guò)接下來(lái)的這些內(nèi)容，將會(huì)對(duì)開(kāi)頭這段介紹有更深刻的體會(huì)。

2 背后的利益集團(tuán) – LoRa聯(lián)盟

和LoRa相愛(ài)相殺的 NB-IoT 出自于全球標(biāo)準(zhǔn)化組織 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）、日本ARIB（無(wú)線行業(yè)企業(yè)協(xié)會(huì)）和TTC（電信技術(shù)委員會(huì)）、CCSA（中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）、韓國(guó)TTA（電信技術(shù)協(xié)會(huì)）和北美ATIS（世界無(wú)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(shì)力弱了一些。從協(xié)議的封面可以看到作者是來(lái)自于3個(gè)董事會(huì)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(xiàng)技術(shù)的推廣，都伴隨著利益的推動(dòng)。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(lái)做公益的。從企業(yè)角度來(lái)講，花5W去投入做的事情，注定是抱著撬動(dòng)至少50W美金的預(yù)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(huì)成員中也有不少大企業(yè)，大家共同為瓜分未來(lái)低功耗廣域網(wǎng)的蛋糕而抱團(tuán)努力著。這是我做的一個(gè)表格，收集了現(xiàn)階段愿意交納5W美金會(huì)費(fèi)的19個(gè)董事會(huì)成員，你可以看到這些企業(yè)的愿ye景xin。

3 LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)部署情況

在綁定了幾個(gè)一級(jí)電信運(yùn)營(yíng)商后，網(wǎng)絡(luò)部署情況就比較可觀了。按照官方目前(2017.04)的聲明，網(wǎng)絡(luò)部署情況是這樣：

34個(gè)公開(kāi)聲明部署的網(wǎng)絡(luò)，至少150個(gè)在進(jìn)行的城市試點(diǎn)部署

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

可以看到一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包含了終端、基站、NS(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)、應(yīng)用服務(wù)器這四個(gè)部分。基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌捎贚oRa的長(zhǎng)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(gè)典型應(yīng)用，有個(gè)細(xì)節(jié)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)給多個(gè)基站。基站則對(duì)NS和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)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。

5 協(xié)議概述

5.1 終端節(jié)點(diǎn)的分類

在開(kāi)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(shè)備，這三類設(shè)備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用場(chǎng)景。

為了方便大家，我又做了個(gè)表。

5.2 終端節(jié)點(diǎn)的上下行傳輸

下面來(lái)點(diǎn)時(shí)序圖，讓大家有更深的感受。

這是Class A 上下行的時(shí)序圖，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒開(kāi)始，接收窗口RX2是在上行后2秒開(kāi)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(kāi)了接收窗口RX2。

Class B 的時(shí)隙則復(fù)雜一些，它有一個(gè)同步時(shí)隙beacon，還有一個(gè)固定周期的接收窗口ping時(shí)隙。如這個(gè)示例中，beacon周期為128秒，ping周期為32秒。

5.3 終端節(jié)點(diǎn)的加網(wǎng)

搞明白了基礎(chǔ)概念之后，就可以了解節(jié)點(diǎn)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(dú)立激活方式 ABP)。

商用的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)備 DevEUI，AppEUI，AppKey 這三個(gè)參數(shù)。

DevEUI 是一個(gè)類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標(biāo)識(shí)唯一的終端設(shè)備。相當(dāng)于是設(shè)備的MAC地址。

AppEUI 是一個(gè)類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標(biāo)識(shí)唯一的應(yīng)用提供者。比如各家的垃圾桶監(jiān)測(cè)應(yīng)用、煙霧報(bào)警器應(yīng)用等等，都具有自己的唯一ID。

AppKey 是由應(yīng)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(luò)服務(wù)器)確認(rèn)無(wú)誤后會(huì)給終端做加網(wǎng)回復(fù)，分配網(wǎng)絡(luò)地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網(wǎng)回復(fù)中的相關(guān)信息以及AppKey，產(chǎn)生會(huì)話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和校驗(yàn)。

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

5.4 數(shù)據(jù)收發(fā)

加網(wǎng)之后，應(yīng)用數(shù)據(jù)就被加密處理了。

LoRaWAN規(guī)定數(shù)據(jù)幀類型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 兩種，即 需要應(yīng)答 和不需要應(yīng)答類型。廠商可以根據(jù)應(yīng)用需要選擇合適的類型。

另外，從介紹中可以看到，LoRaWAN設(shè)計(jì)之初的一大考慮就是要支持應(yīng)用多樣性。除了利用 AppEUI 來(lái)劃分應(yīng)用外，在傳輸時(shí)也可以利用 FPort 應(yīng)用端口來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，由應(yīng)用層來(lái)指定。

5.5 ADR 機(jī)制

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

為了擴(kuò)大LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)容量，在協(xié)議上了設(shè)計(jì)一個(gè)LoRa速率自適應(yīng)(Adaptive data rate - ADR)機(jī)制，不同傳輸距離的設(shè)備會(huì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)管理需要，在協(xié)議上設(shè)計(jì)了一系列的MAC命令，來(lái)修改網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)。比如接收窗口的延時(shí)，設(shè)備速率等等。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，一般很少涉及，暫時(shí)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(gè)配套補(bǔ)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(dǎo)致文檔的變動(dòng)，因此將地區(qū)參數(shù)章節(jié)從協(xié)議規(guī)范中剝離出來(lái)。

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(xì)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(zhǎng)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(gè)表。

其實(shí)這個(gè)表也可以看出一個(gè)好玩的事情，為什么韓國(guó)的參數(shù)和亞洲各國(guó)其實(shí)差不太多，卻單獨(dú)拎出來(lái)。如果你有記得前文中的董事會(huì)成員記錄，就應(yīng)該知道韓國(guó)SK電信在LoRa聯(lián)盟中的地位。這么高的地位搞點(diǎn)小特殊，你說(shuō)過(guò)分么。

7 LoRaWAN應(yīng)用示例

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

在斷斷續(xù)續(xù)學(xué)習(xí)LoRaWAN的這幾個(gè)月，深深感覺(jué)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(shí)際項(xiàng)目過(guò)程中還是會(huì)遇到這樣那樣的細(xì)節(jié)問(wèn)題。不過(guò)有更快速省事的方法，諸如借助我們長(zhǎng)期的合作伙伴-廈門四信的LoRaWAN串口模塊，他們提供了非常簡(jiǎn)單清晰的串口AT命令，廠商可以專注于自己多變的業(yè)務(wù)應(yīng)用，是的，那句話，上帝的歸上帝，凱撒的歸凱撒。

i.基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)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(wǎng)操作

AT+JON //啟動(dòng)加網(wǎng)

+JON: 1 Failed // 第一次加網(wǎng)失敗

+JON: 2 OK

iii.數(shù)據(jù)收發(fā)

向端口21發(fā)送數(shù)據(jù)12345

AT+TXA=21,12345

收到端口21的數(shù)據(jù)通知