一、LoRaWAN簡(jiǎn)介

1.1、LoRaWAN介紹

??LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa廣域網(wǎng)）的簡(jiǎn)稱，是基于LoRa技術(shù)的一種通信協(xié)議。它主要包括三個(gè)層次的通信實(shí)體：LoRa終端、LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa服務(wù)器。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，如下圖為協(xié)議層次圖。

??## 1.2、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
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。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，如下圖為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

1.3、協(xié)議概述

1.3.1、終端節(jié)點(diǎn)的分類

??LoRaWAN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，對(duì)這三種設(shè)備介紹如下圖。

1.3.2、終端節(jié)點(diǎn)的上下行傳輸

??下圖是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。

??下圖是Class A 上下行的時(shí)序圖，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。

??下圖是Class C上下行的時(shí)序，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。

1.3.3、 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。

1.3.4、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。

1.3.5、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。

1.3.6、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。