第一章 Lora技術介紹

1.1 Lora技術概述

LoRa 是LPWAN（低功耗廣域網）通信技術中的一種，是美國Semtech公司採用和推廣的一種基於擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量的系統，進而擴展傳感網絡。目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。

它擁有射程超過15公里，並達到1萬個節點的容量。低功耗和長範圍的組合限制了最大數據速率為每秒50千比特（Kbps）的。

1.2 Lora技術特點

1、大大的改善了接收的靈敏度，降低了功耗

高達157db的鏈路預算使其通信距離可達15公里（與環境有關）。其接收電流僅10mA，睡眠電流200nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

2、基於該技術的網關/集中器支持多信道多數據速率的並行處理，系統容量大。

如圖2所示，網關是節點與IP網絡之間的橋樑（通過2G/3G/4G或者Ethernet）。每個網關每天可以處理500萬次各節點之間的通信（假設每次發送10Bytes，網絡佔用率10%）。如果把網關安裝在現有移動通信基站的位置，發射功率20dBm（100mW），那麼在建築密集的城市環境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區，覆蓋範圍可達10公里。

3、基於終端和集中器/網關的系統可以支持測距和定位。

LoRa對距離的測量是基於信號的空中傳輸時間而非傳統的RSSI（Received Signal Sterngth Ind-icaTIon），而定位則基於多點（網關）對一點（節點）的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m（假設10km的範圍）。

LoRa的關鍵特徵和優勢

這些關鍵特徵使得 LoRa技術非常適用於要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯網應用，如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市、智慧社區等等應用和領域。

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1.3 Lora與其他物聯技術對比

物聯網應用中的無線技術有多種，可組成局域網或廣域網。組成局域網的無線技術主要有2.4GHz的WiFi，藍牙、Zigbee等，組成廣域網的無線技術主要有2G/3G/4G等。這些無線技術，優缺點非常明顯，可如下圖總結。在低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network, LPWAN）產生之前，似乎遠距離和低功耗兩者之間只能二選一。當採用LPWAN技術之後，設計人員可做到兩者都兼顧，最大程度地實現更長距離通信與更低功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。

下圖從靈敏度、鏈路預算、覆蓋範圍、傳輸速率、發送電流、待機電流、接收電流、2000mAh電池使用壽命、定位、抗干擾性、拓撲結構等參數上比較了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、802.11ah和 LoRa的區別。

1.4 Lora應用協議

Lora幾種應用協議分別是LoraWAN協議、CLAA協議、Lora私有網絡協議、Lora數據透傳協議等；LoRa的協議不同，其產品和業務形態也有所不同。

（1） LoRaWAN協議

LoRaWAN協議是由LoRa聯盟推動的一種低功耗廣域網協議，針對低成本、電池供電的傳感器進行了優化，包括不同類別的節點，優化了網絡延遲和電池壽命。LoRa聯盟標準化了LoRaWAN，以確保不同國家的LoRa網絡是可以互操作的。

LoRaWAN構建的是一個運營商級的大網，覆蓋地區乃至全國的網絡。經過幾年的發展，目前已建立起了較為完整的生態鏈：LoRa芯片->模組->傳感器->基站或網關->網絡服務->應用服務。

在芯片方面，Semtech授權了多家公司做芯片，如ST、Micorochip、華普等，使得芯片產品更為豐富，一芯多源，產品不再受限於一家供應商。未來或許會有更多的廠家授權，生產出滿足物聯網市場多樣化需求的產品來。

在LoRaWAN網絡還沒有部署好的時候，符合LoRaWAN協議的模組還不能像2G/3G/4G模組等一樣自由銷售。一般地LoRaWAN模組是與網關或基站的產品搭配一起銷售。部分廠家也開源了終端部分，提供網關和網絡服務部分的解決方案。

在LoRaWAN的產品中，多數廠家是以提供（雲）端到（終）端的解決方案為主，包括模組、網關和網絡服務器（Network Server），如NPLINK、八月科技、華立、唯傳、門思、未來寬帶、銳米通信等公司。由於對數據的要求不同，LoRaWAN網絡服務（NS）有的是私有化部署，有的是部署在公有云或第三方網絡服務器上。

（2）CLAA協議

"中國LoRa應用聯盟(China Lora Application Alliance，簡稱CLAA)是在LoRa Alliance支持下，由中興通訊發起，各行業物聯網應用創新主體廣泛參與、合作共建的技術聯盟，旨在共同建立中國LoRa應用合作生態圈，推動LoRa產業鏈在中國的應用和發展，建設多業務共享、低成本、廣覆蓋、可運營的LoRa物聯網。

（3）LoRa私有網絡協議

在面向小範圍節點數不多的應用中，使用LoRaWAN網關部署網絡成本就顯得高了。用一個或幾個SX127x做一個小"網關"或"集中器"，無線連接上百個的SX127x，組建一個小的星型網絡，通過自己的LoRa私有通信協議，就可以實現一個簡單的LoRa私有網絡，這也是一種比較靈活方式。

當然，協議也可以是LoRaWAN協議。

（4）LoRa數據透傳

利用SX127x產品的出色的遠距離傳輸特性，搭配MCU做成LoRa模塊，使用MCU封裝AT命令，並保留有RS232/485等接口，將LoRa用於簡單的數據傳輸應用。華普的LoRa數據透傳模塊就是這樣的產品。

SX127x產品還可以與4G等各種無線通信技術相互結合，做成無線通信融合模塊，滿足不同行業的應用需求，這也是LoRa應用的一個特點。

第二章 Lorawan技術分析

2.1 lorawan技術概述

LoRaWAN是在LoRa物理層傳輸技術基礎之上的以MAC層為主的一套協議標準。有了這個標準之後，LoRaWAN的就變成一種網絡技術。這套技術對應的產品包括LoRaWAN節點，LoRaWAN網關和LoRaWAN的協議和數據雲平臺。使用LoRaWAN網絡產品時，對用戶的接口有兩個：一個是在底層傳感器和LoRaWAN節點之間有一個數據接口，傳感器數據通過這個接口傳到網絡；一個是LoRaWAN的協議和數據雲平臺和用戶的應用之間有一個數據接口將網絡的數據傳送應用。

2.2 Lorawan技術特點

LoRaWAN是一種媒體訪問控制（MAC）層協議，專為具有單一運營商的大型公共網絡而設計。 它使用Semtech的LoRa調製方案構建，具體涉及到以下幾方面：

使用LoRa構建公共網絡你可能已經瞭解到LoRaWAN不適合專用網絡的解決方案，目前它的確更適合於公共廣域網絡。其根本原因在於在LoRaWAN中，所有頻道都調到相同的頻率，並且在單一區域最好只有一個網絡操作以避免碰撞問題。

由於網絡中的所有網關都綁定到同一臺服務器，因此確定哪個網關應對傳輸作出響應是服務器的工作。在大型網絡中，任何給定的傳輸通常由多個接收器接收到，然後服務器通知一個網關作出響應，其他網關忽略傳輸。該過程有助於避免下行鏈路和上行鏈路衝突，因為單個網關正在傳輸，而且重疊的網關可以簡單地偵聽其他傳輸。

另外，可以通過LoRa聯盟來為特定用途設置特定頻道。網絡運營商也可以從服務器端限制其網絡中的下行鏈路數量，以確保低優先級端點不會因下行鏈路流量而"堵塞"網絡。

具體應用中面臨的另一個挑戰是LoRaWAN主要是數據鏈路（MAC）層（OSI第2層），只有網絡層的一些元素（OSI第3層）。雖然這為應用程序提供了很大的靈活性，但它使應用程序開發人員有相當數量的工作來提供完整的產品。這包括分組化，下行鏈路控制，多播等。

下圖為LoraWAN協議結構層次圖：

LoraWAN協議結構層次圖

2.3 Lora與Lorawan對比

面對類似於LoRa和LoRaWAN這樣容易混淆的名詞，其實只要系統梳理一下就可以發現其中的區別。下表總結了兩者之間最主要的幾點特性：

2.4 LoraWAN網絡架構

具體從技術角度做些瞭解。如下是LoRa聯盟官方白皮書中的網絡架構圖。

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。基站和終端之間採用星型網絡拓撲，由於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。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。

下面結合下行業生態再來看下這個網絡架構，大家可以有更深的認知。圖來自ST的LoRa白皮書《IoT connectivity made easier STM32 MCUs & LoRa》。

行業生態網絡架構

2.5 協議概述

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。

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RX1一般是在上行後1秒開始，接收窗口RX2是在上行後2秒開始。

Class A 上下行時序圖

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。

Class C上下行時序圖

Class B 的時隙則複雜一些，它有一個同步時隙beacon，還有一個固定週期的接收窗口ping時隙。如這個示例中，beacon週期為128秒，ping週期為32秒。

Class B上下行時序圖

5.3 終端節點的加網

搞明白了基礎概念之後，就可以瞭解節點如何工作了。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。

激活流程

DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的終端設備。相當於是設備的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流程後，發出加網命令，NS(網絡服務器)確認無誤後會給終端做加網回覆，分配網絡地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網回覆中的相關信息以及AppKey，產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數據進行加密和校驗。

如果是採用第二種加網方式，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

加網之後，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 的取值範圍是(1~223)，由應用層來指定。

5.5 ADR 機制

我們知道LoRa調製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，儘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範中剝離出來。

這份文檔主要講了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。

為了方便大家瞭解總體情況，我又做了個表。

LoRaWAN在全球各地區的具體物理層參數表

其實這個表也可以看出一個好玩的事情，為什麼韓國的參數和亞洲各國其實差不太多，卻單獨拎出來。如果你有記得前文中的董事會成員記錄，就應該知道韓國SK電信在LoRa聯盟中的地位。這麼高的地位搞點小特殊，你說過分麼。

第三章 Lorawan組網方案

3.2 LoraWAN組網結構圖

範圍內需要計量的主要是水、電、燃氣、冷熱等，在Lora WAN組網方案中，終端節點選用帶LoraWAN通信功能的水錶、電錶、燃氣表等，通過LoraWAN網關，將實時數據上傳到網絡服務器中，

Lora WAN組網方案

3.3 Lora WAN組網硬件標準

1、終端節點：

支持Lora WAN Class A協議和Class C協議，支持ADR功能；支持中國國內公共頻段470-510MHz，可以與其他Lora WAN廠家互聯互通；

超長通信距離，視距可達15km，空曠可達5km(實測)；

超低功耗，可以用電池供電，滿足兩節五號電池工作10年的要求；

即插即用，無需配置，免維護；

2、網關：多通道：基於SX1301芯片，8通道，最大支持10,000個LoRa終端，支持Lora WAN Class A協議和Class C協議，支持ADR，可實現輕鬆擴容；

長距離：空曠環境可覆蓋半徑5km的區域；

兼容性：支持LoRaWAN協議，與各廠家設備"互聯互通"；

高品質：工業級 ARM 平臺，高效穩定；基於 Linux 系統，成熟易用；

工業級：工業級主板及外殼，支持IP68防水等級，POE供電，GPS和防雷器。