一、LoRaWAN簡介

1.1、LoRaWAN介紹

??LoRaWAN是LoRa Wide Area Network（LoRa廣域網）的簡稱，是基于LoRa技術的一種通信協議。它主要包括三個層次的通信實體：LoRa終端、LoRa網關和LoRa服務器。LoRaWAN在協議和網絡架構的設計上，充分考慮了節點功耗，網絡容量，QoS，安全性和網絡應用多樣性等幾個因素，如下圖為協議層次圖。

??## 1.2、網絡架構
LoRaWAN網絡架構中包含了終端、基站、NS(網絡服務器)、應用服務器這四個部分。基站和終端之間采用星型網絡拓撲，由于LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。終端節點可以同時發給多個基站。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協議數據做轉發處理，將LoRaWAN數據分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上，如下圖為網絡架構圖。

1.3、協議概述

1.3.1、終端節點的分類

??LoRaWAN協議中有規定 Class A/B/C 三類終端設備，這三類設備基本覆蓋了物聯網所有的應用場景，對這三種設備介紹如下圖。

1.3.2、終端節點的上下行傳輸

??下圖是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。

??下圖是Class A 上下行的時序圖，Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期間，它都打開了接收窗口RX2。

??下圖是Class C上下行的時序，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。

1.3.3、終端節點的加網

??搞明白了基礎概念之后，就可以了解節點如何工作了。在正式收發數據之前，終端都必須先加網。
??有兩種加網方式：Over-the-Air Ac tivation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(獨立激活方式 ABP)。
??商用的LoRaWAN網絡一般都是走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。
??DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的終端設備。相當于是設備的MAC地址。
??AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的應用提供者。比如各家的垃圾桶監測應用、煙霧報警器應用等等，都具有自己的唯一ID。
??AppKey 是由應用程序擁有者分配給終端。
??終端在發起加網join流程后，發出加網命令，NS(網絡服務器)確認無誤后會給終端做加網回復，分配網絡地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網回復中的相關信息以及AppKey，產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數據進行加密和校驗。
??如果是采用第二種加網方式，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，不再需要join流程。在這種情況下，這個設備是可以直接發應用數據的。

1.3.4、數據收發

??加網之后，應用數據就被加密處理了。
??LoRaWAN規定數據幀類型有 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 應用端口來對數據分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，由應用層來指定。

1.3.5、ADR 機制

??我們知道LoRa調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，且對數據傳輸互不影響。
??為了擴大LoRaWAN網絡容量，在協議上了設計一個LoRa速率自適應(Adaptive data rate - ADR)機制，不同傳輸距離的設備會根據傳輸狀況，盡可能使用最快的數據速率。這樣也使得整體的數據傳輸更有效率。