【五一创作】LoRaWAN简介

一、LoRaWAN简介

1.1、LoRaWAN介绍

  LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa广域网）的简称，是基于LoRa技术的一种通信协议。它主要包括三个层次的通信实体：LoRa终端、LoRa网关和LoRa服务器。LoRaWAN在协议和网络架构的设计上，充分考虑了节点功耗，网络容量，QoS，安全性和网络应用多样性等几个因素，如下图为协议层次图。

  ## 1.2、网络架构
LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上，如下图为网络架构图。

1.3、协议概述

1.3.1、终端节点的分类

  LoRaWAN协议中有规定 Class A/B/C 三类终端设备，这三类设备基本覆盖了物联网所有的应用场景，对这三种设备介绍如下图。

1.3.2、终端节点的上下行传输

  下图是Class A 上下行的时序图，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒开始，接收窗口RX2是在上行后2秒开始。

  下图是Class A 上下行的时序图，Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期间，它都打开了接收窗口RX2。

  下图是Class C上下行的时序，Class B的时隙则复杂一些，它有一个同步时隙beacon，还有一个固定周期的接收窗口ping时隙。

1.3.3、 终端节点的加网

  搞明白了基础概念之后，就可以了解节点如何工作了。在正式收发数据之前，终端都必须先加网。
  有两种加网方式：Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(独立激活方式 ABP)。
  商用的LoRaWAN网络一般都是走OTAA激活流程，这样安全性才得以保证。此种方式需要准备 DevEUI，AppEUI，AppKey 这三个参数。
  DevEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID，标识唯一的终端设备。相当于是设备的MAC地址。
  AppEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID，标识唯一的应用提供者。比如各家的垃圾桶监测应用、烟雾报警器应用等等，都具有自己的唯一ID。
  AppKey 是由应用程序拥有者分配给终端。
  终端在发起加网join流程后，发出加网命令，NS(网络服务器)确认无误后会给终端做加网回复，分配网络地址 DevAddr(32位ID)，双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey，产生会话密钥NwkSKey和AppSKey，用来对数据进行加密和校验。
  如果是采用第二种加网方式，即ABP激活，则比较简单粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 这三个LoRaWAN最终通讯的参数，不再需要join流程。在这种情况下，这个设备是可以直接发应用数据的。

1.3.4、数据收发

  加网之后，应用数据就被加密处理了。
  LoRaWAN规定数据帧类型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 两种，即 需要应答 和不需要应答类型。厂商可以根据应用需要选择合适的类型。
  另外，从介绍中可以看到，LoRaWAN设计之初的一大考虑就是要支持应用多样性。除了利用 AppEUI 来划分应用外，在传输时也可以利用 FPort 应用端口来对数据分别处理。FPort 的取值范围是(1~223)，由应用层来指定。

1.3.5、ADR 机制

  我们知道LoRa调制中有扩频因子的概念，不同的扩频因子会有不同的传输距离和传输速率，且对数据传输互不影响。
  为了扩大LoRaWAN网络容量，在协议上了设计一个LoRa速率自适应(Adaptive data rate - ADR)机制，不同传输距离的设备会根据传输状况，尽可能使用最快的数据速率。这样也使得整体的数据传输更有效率。

1.3.6、MAC命令

  针对网络管理需要，在协议上设计了一系列的MAC命令，来修改网络相关参数。比如接收窗口的延时，设备速率等等。在实际应用过程中，一般很少涉及，暂时不管。