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?;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。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,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 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。
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。
1.3.6、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。
審核編輯黃宇
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