隨著物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大以及應(yīng)用更加廣泛，接入的控制點(diǎn)越來(lái)越多，使用LoRaWAN成為一種趨勢(shì)。LoRaWAN是什么?本文將對(duì)LoRaWAN做個(gè)介紹性的技術(shù)概覽，幫助LoRa從業(yè)者全方位了解LoRaWAN。

　　 一、LoRaWAN是什么

　　 LoRaWANLoRaWAN是為LoRa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)。它定義了數(shù)據(jù)在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)里是怎樣傳輸?shù)?/span>(這里的網(wǎng)絡(luò)指的是節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器)，定義了消息的類型，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和安全加密方法;并且介紹了入網(wǎng)的具體操作，說(shuō)明了主從機(jī)之間的區(qū)別。

協(xié)議層次圖

　　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。

　　二、LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　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(shū)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?；竞徒K端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由?/span>LoRa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。

　　下面結(jié)合下行業(yè)生態(tài)再來(lái)看下這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，大家可以有更深的認(rèn)知。

      三、協(xié)議概述

　　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，做了一個(gè)表。

      2、終端節(jié)點(diǎn)的上下行傳輸

　　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。

      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。

　　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、 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。

　　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。

　　以上就是LoRaWAN的基本概述，相信大家看了應(yīng)該對(duì)LoRaWAN有更深的了解，在未來(lái)幾年里，物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域?qū)V泛應(yīng)用到LoRaWAN，在實(shí)際項(xiàng)目中可能也會(huì)遇到一些新的問(wèn)題，但是這只是一個(gè)過(guò)程，要想省事可以借助一些Lora模塊廠家研發(fā)出來(lái)的LoRaWAN串口模塊，這些模塊提供了簡(jiǎn)單的串口AT命令，非常方便使用。