LoRa的全稱為‘Long Range’，從其全稱名字上已體現(xiàn)出了這種無線技術(shù)的特點(diǎn)--覆蓋范圍廣(鏈路預(yù)算達(dá)到168dB)。
 

LoRa技術(shù)是由一家法國公司Cycleo（成立于2009年，一個(gè)IP和設(shè)計(jì)方案提供商）開發(fā)的一種擴(kuò)頻無線調(diào)制技術(shù)(EP2763321 from 2013 和 US7791415 from 2008) ，2012年被美國Semtech公司以約500萬美金所收購。收購之后，Semtech對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了強(qiáng)有力的營銷，包括設(shè)立LoRa聯(lián)盟，以促進(jìn)其他公司包括部分移動(dòng)運(yùn)營商參與到LoRa生態(tài)系統(tǒng)中。

LoRaWAN則定義了使用LoRa技術(shù)的端到端標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括物聯(lián)網(wǎng)市場安全、能源效率、漫游和配置入網(wǎng)(on-boarding)等。LoRaWAN起初叫LoRaMAC，由Semtech、Actility、IBM Research共同制定，在2015年巴塞羅那移動(dòng)信大會(huì)上，被改名為LoRaWAN，成為LoRa聯(lián)盟成員的規(guī)范。LoRaWAN規(guī)范可以從LoRa聯(lián)盟網(wǎng)站下載：, LoRaWAN和LoRa的區(qū)別在于，LoRa是一種技術(shù)，而LoRaWAN是一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1、LoRaWAN是什么
 

按照LoRa聯(lián)盟《What is LoRaWAN》的介紹，LoRaWAN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)。另外提供了這張略偏技術(shù)的協(xié)議層次圖(如下圖)。

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。經(jīng)過接下來的這些內(nèi)容，將會(huì)對(duì)開頭這段介紹有更深刻的體會(huì)。

2、LoRaWAN背后的利益集團(tuán)– LoRa聯(lián)盟
 

和LoRa相愛相殺的 NB-IoT 出自于標(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（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）、韓國TTA（電信技術(shù)協(xié)會(huì)）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(gè)董事會(huì)成員公司: N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。

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低功耗廣域網(wǎng)的蛋糕而抱團(tuán)努力著。

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)成員都不是一心來做公益的。從企業(yè)角度來講，花5萬美元去投入做的事情，注定是抱著撬動(dòng)至少50萬美金的預(yù)期去做的。下表收集了現(xiàn)階段交納5萬美元聯(lián)盟會(huì)費(fèi)的19個(gè)董事會(huì)成員，你可以看到這些企業(yè)的野心。

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)營商后，網(wǎng)絡(luò)部署情況就比較可觀了。按照目前(2017.04)的聲明，網(wǎng)絡(luò)部署情況(如下圖)，34個(gè)公開聲明部署的網(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)
 

在了解了LoRaWAN基本情況后，我們具體從技術(shù)角度做些簡要分析。如下圖是LoRa聯(lián)盟中的網(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)再來看下這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，大家可以對(duì)LoRaWAN有更深的了解。

5 協(xié)議概述
 

5.1 終端節(jié)點(diǎn)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(shè)備，這三類設(shè)備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用場景（如下表）。

5.2 終端節(jié)點(diǎn)的上下行傳輸

下面來點(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(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ID，標(biāo)識(shí)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ID，標(biāo)識(shí)的應(yīng)用提供者。比如各家的垃圾桶監(jiān)測應(yīng)用、煙霧報(bào)警器應(yīng)用等等，都具有自己的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 來劃分應(yīng)用外，在傳輸時(shí)也可以利用 FPort 應(yīng)用端口來對(duì)數(shù)據(jù)分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，由應(yīng)用層來。

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)用過程中，一般很少涉及，暫時(shí)不管。

6 地區(qū)參數(shù)
 

LoRa聯(lián)盟在協(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。

下圖是LoRaWAN在各地區(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，數(shù)據(jù)長度等等都有區(qū)別。

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