深圳捷迅易聯(lián)科技有限公司
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閱讀：1288發(fā)布時間：2021-11-18
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--覆蓋范圍廣(鏈路預算達到168dB)。
LoRa技術(shù)是由一家法國公司Cycleo（成立于2009年，一個IP和設計方案提供商）開發(fā)的一種擴頻無線調(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對該技術(shù)進行了強有力的營銷，包括設立LoRa聯(lián)盟，以促進其他公司包括部分移動運營商參與到LoRa生態(tài)系統(tǒng)中。
LoRaWAN則定義了使用LoRa技術(shù)的端到端標準規(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年巴塞羅那移動信大會上，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是一套標準規(guī)范。
1、LoRaWAN是什么
按照LoRa聯(lián)盟《What is LoRaWAN》的介紹，LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套通訊協(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)絡架構(gòu)的設計上，充分考慮了節(jié)點功耗，網(wǎng)絡容量，QoS，安全性和網(wǎng)絡應用多樣性等幾個因素。經(jīng)過接下來的這些內(nèi)容，將會對開頭這段介紹有更深刻的體會。
2、LoRaWAN背后的利益集團– LoRa聯(lián)盟
和LoRa相愛相殺的 NB-IoT 出自于標準化組織 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI（歐洲電信標準化委員會）、日本ARIB（無線行業(yè)企業(yè)協(xié)會）和TTC（電信技術(shù)委員會）、CCSA（中國通信標準化協(xié)會）、韓國TTA（電信技術(shù)協(xié)會）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個董事會成員公司: 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)的蛋糕而抱團努力著。
我們知道每一項技術(shù)的推廣，都伴隨著利益的推動。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，注定是抱著撬動至少50萬美金的預期去做的。下表收集了現(xiàn)階段交納5萬美元聯(lián)盟會費的19個董事會成員，你可以看到這些企業(yè)的野心。
電信運營商 | Bouygues | 法國三大移動網(wǎng)絡運營商之一 |
Comcast | 美國的有線電視運營商 | |
KPN | 荷蘭電信集團 | |
Orange | 法國電信運營商 | |
Proximus | 比利時電信運營商 | |
SK telecom | 韓國電信運營商 | |
網(wǎng)絡安全方案商 | Gemalto | 金雅拓，網(wǎng)絡安全方案商，涉及網(wǎng)絡加密設計，是中國移動合作伙伴 |
Giesecke | 捷德，支付安全方案商，涉及網(wǎng)絡加密設計，是工行、建行等的U盾方案商 | |
云平臺方案商 | Actility | 法國，ThingPark云平臺 |
IBM | 平臺方案商 | |
ZTE | 中興，平臺方案商，基站方案商 | |
基站方案商 | Cisco | 思科 |
Kerlink | 基站方案商 | |
Sagemcom | 基站方案商 | |
終端芯片方案商 | Semtech | 升特公司，LoRa射頻芯片供應商 |
ST | 微控制器供應商 | |
Renesas | 瑞薩，微控制器供應商 | |
行業(yè)應用方案商 | Flashnet | 能源管理應用商，如智慧路燈等應用 |
Homerider | 智能水表應用商 |
3、LoRaWAN的網(wǎng)絡部署情況
在綁定了幾個一級電信運營商后，網(wǎng)絡部署情況就比較可觀了。按照目前(2017.04)的聲明，網(wǎng)絡部署情況(如下圖)，34個公開聲明部署的網(wǎng)絡，至少150個在進行的城市試點部署。
4、LoRaWAN 網(wǎng)絡架構(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)絡架構(gòu)圖。
可以看到一個LoRaWAN網(wǎng)絡架構(gòu)中包含了終端、基站、NS(網(wǎng)絡服務器)、應用服務器這四個部分。基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡拓撲，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個典型應用，有個細節(jié)，你會發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點可以同時發(fā)給多個基站?；緞t對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)再來看下這個網(wǎng)絡架構(gòu)，大家可以對LoRaWAN有更深的了解。
5 協(xié)議概述
5.1 終端節(jié)點的分類
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 三類終端設備，這三類設備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應用場景（如下表）。
Class | 介紹 | 下行時機 | 應用場景 |
A (‘all’) | Class A 的終端采用 ALOHA 協(xié)議按需上報數(shù)據(jù)。在每次上行后都會緊跟兩個短暫的下行接收窗口，以此實現(xiàn)雙向傳輸。這種操作是最省電的。 | 必須等待終端上報數(shù)據(jù)后才能對其下發(fā)數(shù)據(jù)。 | 垃圾桶監(jiān)測、煙霧報警器、氣體監(jiān)測等 |
B (‘beacon’) | Class B 的終端，除了Class A 的隨機接收窗口，還會在時間打開接收窗口。為了讓終端可以在時間打開接收窗口，終端需要從網(wǎng)關(guān)接收時間同步的信標。 | 在終端固定接收窗口即可對其下發(fā)數(shù)據(jù)，下發(fā)的延時有所提高。 | 閥控水氣電表等 |
C (‘continuous’) | Class C 的終端基本是一直打開著接收窗口，只在發(fā)送時短暫關(guān)閉。Class C 的終端會比Class A 和 Class B 更加耗電。 | 由于終端處于持續(xù)接收狀態(tài)，可在任意時間對終端下發(fā)數(shù)據(jù)。 | 路燈控制等 |
5.2 終端節(jié)點的上下行傳輸
下面來點時序圖，讓大家有更深的感受。
這是Class A 上下行的時序圖，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 的時隙則復雜一些，它有一個同步時隙beacon，還有一個固定周期的接收窗口ping時隙。如這個示例中，beacon周期為128秒，ping周期為32秒。
5.3 終端節(jié)點的加網(wǎng)
搞明白了基礎概念之后，就可以了解節(jié)點如何工作了。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(獨立激活方式 ABP)。
商用的LoRaWAN網(wǎng)絡一般都是走OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備 DevEUI，AppEUI，AppKey 這三個參數(shù)。
DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的ID，標識的終端設備。相當于是設備的MAC地址。
AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的ID，標識的應用提供者。比如各家的垃圾桶監(jiān)測應用、煙霧報警器應用等等，都具有自己的ID。
AppKey 是由應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)絡服務器)確認無誤后會給終端做加網(wǎng)回復，分配網(wǎng)絡地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網(wǎng)回復中的相關(guān)信息以及AppKey，產(chǎn)生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數(shù)據(jù)進行加密和校驗。
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LoRaWAN最終通訊的參數(shù)，不再需要join流程。在這種情況下，這個設備是可以直接發(fā)應用數(shù)據(jù)的。
5.4 數(shù)據(jù)收發(fā)
加網(wǎng)之后，應用數(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，即需要應答和不需要應答類型。廠商可以根據(jù)應用需要選擇合適的類型。
另外，從介紹中可以看到，LoRaWAN設計之初的一大考慮就是要支持應用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應用外，在傳輸時也可以利用 FPort 應用端口來對數(shù)據(jù)分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，由應用層來。
5.5 ADR 機制
我們知道LoRa調(diào)制中有擴頻因子的概念，不同的擴頻因子會有不同的傳輸距離和傳輸速率，且對數(shù)據(jù)傳輸互不影響。
為了擴大LoRaWAN網(wǎng)絡容量，在協(xié)議上了設計一個LoRa速率自適應(Adaptive data rate - ADR)機制，不同傳輸距離的設備會根據(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
針對網(wǎng)絡管理需要，在協(xié)議上設計了一系列的MAC命令，來修改網(wǎng)絡相關(guān)參數(shù)。比如接收窗口的延時，設備速率等等。在實際應用過程中，一般很少涉及，暫時不管。
6 地區(qū)參數(shù)
LoRa聯(lián)盟在協(xié)議之外，還發(fā)布了一個配套補充文檔《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)域的加入而導致文檔的變動，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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