LoRa、LoRaWAN、LoRa聯盟介紹

LoRa的全稱為‘Long Range’，從其全稱名字上已體現出了這種無線技術的特點--覆蓋范圍廣(鏈路預算達到168dB)。
 

LoRa技術是由一家法國公司Cycleo（成立于2009年，一個IP和設計方案提供商）開發的一種擴頻無線調制專利技術(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對該技術進行了強有力的營銷，包括設立LoRa聯盟，以促進其他公司包括部分移動運營商參與到LoRa生態系統中。

 

LoRaWAN則定義了使用LoRa技術的端到端標準規范，包括物聯網市場安全、能源效率、漫游和配置入網(on-boarding)等。LoRaWAN起初叫LoRaMAC，由Semtech、Actility、IBM Research共同制定，在2015年巴塞羅那移動世界通信大會上，被改名為LoRaWAN，成為LoRa聯盟成員的規范。LoRaWAN規范可以從LoRa聯盟網站下載：www.lora-alliance.org, LoRaWAN和LoRa的區別在于，LoRa是一種技術，而LoRaWAN是一套標準規范。

 

1、LoRaWAN是什么
 

按照LoRa聯盟官方白皮書《What is LoRaWAN》的介紹，LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構。另外官方提供了這張略偏技術的協議層次圖(如下圖)。

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。經過接下來的這些內容，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聯盟
 

和LoRa相愛相殺的 NB-IoT 出自于全球標準化組織 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI（歐洲電信標準化委員會）、日本ARIB（無線行業企業協會）和TTC（電信技術委員會）、CCSA（中國通信標準化協會）、韓國TTA（電信技術協會）和北美ATIS（世界無線通訊解決方案聯盟）等等組成。

相比于 3GPP 的根正苗紅，LoRaWAN 背后的LoRa聯盟則勢力弱了一些。從協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聯盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特（Semtech）等多家廠商共同發起創立，截止目前(2017.04)有400+的成員，董事會成員中也有不少大企業，大家共同為瓜分未來低功耗廣域網的蛋糕而抱團努力著。

我們知道每一項技術的推廣，都伴隨著利益的推動。雖然組織和聯盟都是非盈利性組織，但是旗下的企業成員都不是一心來做公益的。從企業角度來講，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。下表收集了現階段交納5萬美元聯盟會費的19個董事會成員，你可以看到這些企業的野心。

電信運營商	Bouygues	法國三大移動網絡運營商之一
	Comcast	美國最大的有線電視運營商
	KPN	荷蘭皇家電信集團
	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
網絡安全方案商	Gemalto	金雅拓，網絡安全方案商，涉及網絡加密設計，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的網絡部署情況
 

在綁定了幾個一級電信運營商后，網絡部署情況就比較可觀了。按照官方目前(2017.04)的聲明，網絡部署情況(如下圖)，34個公開聲明部署的網絡，至少150個在進行的城市試點部署。

 
 

4、LoRaWAN 網絡架構
 

在了解了LoRaWAN基本情況后，我們具體從技術角度做些簡要分析。如下圖是LoRa聯盟官方白皮書中的網絡架構圖。

 

 

可以看到一個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?；竞徒K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。在終端部分官方列了6個典型應用，有個細節，你會發現終端節點可以同時發給多個基站?；緞t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。

 

下面結合下行業生態再來看下這個網絡架構，大家可以對LoRaWAN有更深的了解。

 

5 協議概述
 

5.1 終端節點的分類

在開頭的介紹中我們就看到有協議中有規定 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（如下表）。

Class	介紹	下行時機	應用場景
A (‘all’)	Class A 的終端采用 ALOHA 協議按需上報數據。在每次上行后都會緊跟兩個短暫的下行接收窗口，以此實現雙向傳輸。這種操作是最省電的。	必須等待終端上報數據后才能對其下發數據。	垃圾桶監測、煙霧報警器、氣體監測等
B (‘beacon’)	Class B 的終端，除了Class A 的隨機接收窗口，還會在指定時間打開接收窗口。為了讓終端可以在指定時間打開接收窗口，終端需要從網關接收時間同步的信標。	在終端固定接收窗口即可對其下發數據，下發的延時有所提高。	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，只在發送時短暫關閉。Class C 的終端會比Class A 和 Class B 更加耗電。	由于終端處于持續接收狀態，可在任意時間對終端下發數據。	路燈控制等

 

5.2 終端節點的上下行傳輸

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 Activation(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。

 

5.4 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。

 

5.5 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。

 

5.6 MAC命令
 

針對網絡管理需要，在協議上設計了一系列的MAC命令，來修改網絡相關參數。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 地區參數
 

LoRa聯盟官方在協議之外，還發布了一個配套補充文檔《LoRaWAN 地區參數》，這份文檔描述了全球不同地區的LoRaWAN具體參數。為了避免新區域的加入而導致文檔的變動，因此將地區參數章節從協議規范中剝離出來。

下圖是LoRaWAN在全球各地區的具體物理層參數，不單單是頻段有區別，細化到信道劃分，甚至是數據速率，發射功率，最大數據長度等等都有區別。

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