基于GPS定位和RF无线通讯的设备管理系统
LoRa的全称为‘Long Range’，从其全称名字上已体现出了这种无线技术的特点--覆盖范围广(链路预算达到168dB)。
LoRa技术是由一家法国公司Cycleo（成立于2009年，一个IP和设计方案提供商）开发的一种扩频无线调制专利技术(EP2763321 from 2013 和 US7791415 from 2008) ，2012年被美国Semtech公司以约500万美金所收购。收购之后，Semtech对该技术进行了强有力的营销，包括设立LoRa联盟，以促进其他公司包括部分移动运营商参与到LoRa生态系统中。
LoRaWAN则定义了使用LoRa技术的端到端标准规范，包括物联网市场安全、能源效率、漫游和配置入网(on-boarding)等。LoRaWAN起初叫LoRaMAC，由Semtech、Actility、IBM Research共同制定，在2015年巴塞罗那移动世界通信大会上，被改名为LoRaWAN，成为LoRa联盟成员的规范。LoRaWAN规范可以从LoRa联盟网站下载：www.lora-alliance.org, LoRaWAN和LoRa的区别在于，LoRa是一种技术，而LoRaWAN是一套标准规范。
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。另外官方提供了这张略偏技术的协议层次图(如下图)。
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、LoRaWAN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)。
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。
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5万美元去投入做的事情，注定是抱着撬动至少50万美金的预期去做的。下表收集了现阶段交纳5万美元联盟会费的19个董事会成员，你可以看到这些企业的野心。
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电信运营商 |
Bouygues |
法国三大移动网络运营商之一 |
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Comcast |
美国最大的有线电视运营商 |
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KPN |
荷兰皇家电信集团 |
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Orange |
法国电信运营商 |
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Proximus |
比利时电信运营商 |
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SK telecom |
韩国电信运营商 |
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网络安全方案商 |
Gemalto |
金雅拓，网络安全方案商，涉及网络加密设计，是中国移动合作伙伴 |
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Giesecke |
捷德，支付安全方案商，涉及网络加密设计，是工行、建行等的U盾方案商 |
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云平台方案商 |
Actility |
法国，ThingPark云平台 |
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IBM |
平台方案商 |
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ZTE |
中兴，平台方案商，基站方案商 |
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基站方案商 |
Cisco |
思科 |
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Kerlink |
基站方案商 |
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Sagemcom |
基站方案商 |
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终端芯片方案商 |
Semtech |
升特公司，LoRa射频芯片供应商 |
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ST |
微控制器供应商 |
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Renesas |
瑞萨，微控制器供应商 |
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行业应用方案商 |
Flashnet |
能源管理应用商，如智慧路灯等应用 |
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Homerider |
智能水表应用商 |
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(如下图)，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
在了解了LoRaWAN基本情况后，我们具体从技术角度做些简要分析。如下图是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。
下面结合下行业生态再来看下这个网络架构，大家可以对LoRaWAN有更深的了解。
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（如下表）。
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Class |
介绍 |
下行时机 |
应用场景 |
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A (‘all’) |
Class A 的终端采用 ALOHA 协议按需上报数据。在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输。这种操作是最省电的。 |
必须等待终端上报数据后才能对其下发数据。 |
垃圾桶监测、烟雾报警器、气体监测等 |
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B (‘beacon’) |
Class B 的终端，除了Class A 的随机接收窗口，还会在指定时间打开接收窗口。为了让终端可以在指定时间打开接收窗口，终端需要从网关接收时间同步的信标。 |
在终端固定接收窗口即可对其下发数据，下发的延时有所提高。 |
阀控水气电表等 |
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C (‘continuous’) |
Class C 的终端基本是一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。Class C 的终端会比Class A 和 Class B 更加耗电。 |
由于终端处于持续接收状态，可在任意时间对终端下发数据。 |
路灯控制等 |
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。
下图是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。
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