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LoraWAN是什么?LoRaWAN的技术概览介绍

作者: 深圳金博通科技公司-物联网云平台定制厂家发表时间:2021-01-25 13:53:06浏览量:2787

随着物联网的规模不断扩大以及应用更加广泛,接入的控制点越来越多,使用LoRaWAN成为一种趋势。LoRaWAN是什么?本文将对LoRaWAN做个介绍性的技术概览,帮助LoRa从业者全方位了解LoRaWAN。

       随着物联网的规模不断扩大以及应用更加广泛,接入的控制点越来越多,使用LoRaWAN成为一种趋势。LoRaWAN是什么?本文将对LoRaWAN做个介绍性的技术概览,帮助LoRa从业者全方位了解LoRaWAN

   一、LoRaWAN是什么

   LoRaWANLoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。它定义了数据在LoRaWAN网络里是怎样传输的(这里的网络指的是节点、网关和服务器),定义了消息的类型,数据帧结构和安全加密方法;并且介绍了入网的具体操作,说明了主从机之间的区别。

协议层次图


  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。


  二、LoRaWAN 网络架构

  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。

      三、协议概述

  1、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,做了一个表。


      2、终端节点的上下行传输

  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 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。

      3、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 DevEUIAppEUIAppKey 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(32ID),双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey,产生会话密钥NwkSKeyAppSKey,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 DevAddrNwkSKeyAppSKey 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。

  4、 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。

  5 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。

  6 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。

  以上就是LoRaWAN的基本概述,相信大家看了应该对LoRaWAN有更深的了解,在未来几年里,物联网的各个领域将广泛应用到LoRaWAN,在实际项目中可能也会遇到一些新的问题,但是这只是一个过程,要想省事可以借助一些Lora模块厂家研发出来的LoRaWAN串口模块,这些模块提供了简单的串口AT命令,非常方便使用。

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