详解LoRaWAN网络架构和协议内容

本文是一篇LoRaWAN的科普介绍，你已经在朋友圈看过无数蜻蜓点水的LoRaWAN文章，是时候来一篇真正的技术干货了。本文先从横向介绍下LoRaWAN的背后势力和网络部署情况，然后纵向讲解了网络架构和具体的协议内容，帮助LoRa从业者系统地了解LoRaWAN协议。

1 LoRaWAN是什么

按照LoRa联盟官方白皮书《what is LoRaWAN》的介绍，LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

LoRaWAN? defines the communication protocol and system architecture for the network while the LoRa? physical layer enables the long-range communication link.

另外官方提供了这张略偏技术的协议层次图，各位看官大体感受下。

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。经过接下来的这些内容，将会对开头这段介绍有更深刻的体会。

2 背后的利益集团 – LoRa联盟

和LoRa相爱相杀的 NB-IoT 出自于全球标准化组织 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI（欧洲电信标准化委员会）、日本ARIB（无线行业企业协会）和TTC（电信技术委员会）、CCSA（中国通信标准化协会）、韩国TTA（电信技术协会）和北美ATIS（世界无线通讯解决方案联盟）等等组成。

相比于 3GPP 的根正苗红，LoRaWAN 背后的LoRa联盟则势力弱了一些。从协议的封面可以看到作者是来自于3个董事会成员公司: N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。

我们知道每一项技术的推广，都伴随着利益的推动。虽然组织和联盟都是非盈利性组织，但是旗下的企业成员都不是一心来做公益的。从企业角度来讲，花5W去投入做的事情，注定是抱着撬动至少50W美金的预期去做的。

LoRa联盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特（Semtech）等多家厂商共同发起创立，截止目前(2017.04)有400+的成员，董事会成员中也有不少大企业，大家共同为瓜分未来低功耗广域网的蛋糕而抱团努力着。这是我做的一个表格，收集了现阶段愿意交纳5W美金会费的19个董事会成员，你可以看到这些企业的愿ye景xin。

3 LoRaWAN的网络部署情况

在绑定了几个一级电信运营商后，网络部署情况就比较可观了。按照官方目前(2017.04)的声明，网络部署情况是这样：

34个公开声明部署的网络，至少150个在进行的城市试点部署

4 LoRaWAN 网络架构
在前面部分了解了LoRaWAN很火之后，我们具体从技术角度做些了解。如下是LoRa联盟官方白皮书中的网络架构图。

可以看到一个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。在终端部分官方列了6个典型应用，有个细节，你会发现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。
 

5 协议概述

5.1 终端节点的分类

在开头的介绍中我们就看到有协议中有规定 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。

为了方便大家，我又做了个表。

5.2 终端节点的上下行传输

下面来点时序图，让大家有更深的感受。

这是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。

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。

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。如这个示例中，beacon周期为128秒，ping周期为32秒。

5.3 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。

5.4 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。

5.5 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。

5.6 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。

6 地区参数

LoRa联盟官方在协议之外，还发布了一个配套补充文档《LoRaWAN 地区参数》，这份文档描述了全球不同地区的LoRaWAN具体参数。为了避免新区域的加入而导致文档的变动，因此将地区参数章节从协议规范中剥离出来。

这份文档主要讲了LoRaWAN在全球各地区的具体物理层参数，不单单是频段有区别，细化到信道划分，甚至是数据速率，发射功率，最大数据长度等等都有区别。

为了方便大家了解总体情况，我又做了个表。

其实这个表也可以看出一个好玩的事情，为什么韩国的参数和亚洲各国其实差不太多，却单独拎出来。如果你有记得前文中的董事会成员记录，就应该知道韩国SK电信在LoRa联盟中的地位。这么高的地位搞点小特殊，你说过分么。

7 LoRaWAN应用示例

好了，介绍完如上的信息，大家应该对LoRaWAN有了系统的了解。

在断断续续学习LoRaWAN的这几个月，深深感觉到，物联网厂商要想理解透LoRaWAN还是需要做比较大的投入，特别是在实际项目过程中还是会遇到这样那样的细节问题。不过有更快速省事的方法，诸如借助我们长期的合作伙伴-厦门四信的LoRaWAN串口模块，他们提供了非常简单清晰的串口AT命令，厂商可以专注于自己多变的业务应用，是的，那句话，上帝的归上帝，凯撒的归凯撒。

i.基础网络参数配置

配置DevEUI

AT+DEI=11:22:33:44:55:66:77:88

配置AppEUI

AT+AEI=11:22:33:44:55:66:77:88

配置AppKey

AT+AKY=00:11:22:33:44:55:66:77:88:99:AA:BB:CC:DD:EE:FF

ii.加网操作

AT+JON //启动加网

+JON: 1 Failed // 第一次加网失败

+JON: 2 OK

iii.数据收发

向端口21发送数据12345

AT+TXA=21,12345

收到端口21的数据通知