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。
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。
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。
| 电信运营商 | bouygues | 法国三大移动网络运营商之一 |
|---|---|---|
| comcast | 美国最大的有线电视运营商 | |
| KPN | 荷兰皇家电信集团 | |
| orange | 荷兰皇家电信集团 | |
| KPN | 法国电信运营商 | |
| Proximus | 比利时电信运营商 | |
| SK telecom | 韩国电信运营商 | |
| 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 |
| 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 | |
| 云平台方案商 | actility | 法国，ThingPark云平台 |
| IBM | 平台方案商 | |
| ZTE | 中兴，平台方案商，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 | |
| 终端芯片方案商 | semtech | LoRa射频芯片供应商 |
| ST | 微控制器供应商 | |
| renesas | 瑞萨，微控制器供应商 | |
| 行业应用方案商 | flashnet | 能源管理应用商，如智慧路灯等应用 |
| homerider | 水表应用商 |
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
你们发现没，鸡脖子那边有一点白，可能是主体主义思想的光辉太耀眼了。
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。
下面结合下行业生态再来看下这个网络架构，大家可以有更深的认知。图来自ST的LoRa白皮书《IoT connectivity made easier STM32 MCUs & LoRa》。
协议概述
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。
| CLASS | 介绍 | 下行时机 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 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 |
| 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 |
| 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 |
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
+RCV:21,abcd
文档信息
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