LoRaWAN简要介绍

LoRaWAN简要介绍

LoRaWAN 基础

LoRaWAN 基础

什么是LoRaWAN

LoRaWAN是基于LoRa的低功耗广域网，能够提供低功耗、可扩展、高服务质量、安全的长距离无线通讯网络。由于其低功耗和长距离的特点，是物联网通讯的优秀选择。

LoRaWAN 与 LPWAN

LPWAN或称LPN，全称为Low Power Wide Area Network或者LowPower Network，指的是一种无线网络。这种无线网络强调低功耗与远距离，通常用于电池供电的传感器节点组网。因为低功耗与低速率的特点，这种网络与其他用于商业，个人数据共享的无线网络(如WiFi，蓝牙等)有着鲜明的区别。应用中，LPWAN可使用集中器组建为私有网络，也可利用网关连到公有网络上去。LPWAN因为跟LoRaWAN名字类似，再加上最近的LoRaWAN在IoT领域引起的热潮，使得不少人对这两个概念有所混淆。事实上LoRaWAN仅仅是LPWAN的一种，还有几种类似的技术在与LoRaWAN进行竞争。

LoRaWAN 与 LoRa

同样是因为名字类似，不少人将LoRaWAN与LoRa两个概念混淆。事实上LoRaWAN指的是MAC层的组网协议。而LoRa只是一个物理层的协议。虽然现有的LoRaWAN组网基本上都使用LoRa作为物理层，但是LoRaWAN的协议也列出了在某些频段也可以使用GFSK作为物理层。从网络分层的角度来讲，LoRaWAN可以使用任何物理层的协议，LoRa也可以作为其他组网技术的物理层。

LoRaWAN要包括通信协议和体系结构。分层如下图所示：

LoRaWAN 分级

双向传输终端（Class A）

Class A 的终端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。终端基于自身通信需求来安排传输时隙，在随机时间的基础上具有较小的变化（即ALOHA协议）。这种 Class A 操作为应用提供了最低功耗的终端系统，只要求应用在终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。服务器在其他任何时间进行的下行传输都得等终端的下一次上行。

划定接收时隙的双向传输终端（Class B）

Class B 的终端会有更多的接收时隙。除了 Class A 的随机接收窗口，Class B 设备还会在指定时间打开别的接收窗口。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（Beacon）。

最大化接收时隙的双向传输终端（Class C）

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，但它们从服务器到终端下行的通信时延也是最短的。

物联网通讯技术的选择

物联网的基础是连接，即通信。物联网的特征决定了，这里的通信主要指无线通信。物联网技术近年以来的蓬勃发展，与无线通信技术的进步有密不可分的关系。

物联网通信，可分为硬件模块和通信协议两个方面。硬件方面主要指无线模组，是将芯片、存储器、功能器件等集成在一块线路板上，并提供标准接口的功能模块，各类终端借助无线模组可以实现通信或定位功能。通信模组包括蜂窝类通信模组(2/3/4/5G/NB-IoT等)和非蜂窝类通信模组(WiFi/蓝牙/LoRa等)。

无线模组是连接物联网感知层和网络层的关键环节，在物联网应用过程中，几乎每增加一个物联网连接数，将增加1-2个无线模组，无线模组是实现万物相连的硬件基础，具有不可替代性。

网络层的关键技术，是物与物之间的通信技术,现有物联网无线通信技术按传输距离不同，可分为局域网和广域网，局域网是指以 Zigbee、WiFi、蓝牙等为代表的短距离传输技术;广域网是包括蜂窝通信技术 2G/3G/4G 及LPWAN(低功率广域网)技术LoRa，Sigfox、eMTC、NB-IOT 等远距离技术。

在近距离的物联网通信中，主要应用蓝牙、Wifi、Zigbee 等局域通信技术;在远距离通信中，高速率的业务采用 3G/4G/5G(eMBB)等。影响通讯技术选择的因素很多，不同的通信接入方式有着各自适合的应用场景。根据麦肯锡咨询所调研的数据来看，全球物联网市场有大约60%以上都属于低速率业务，因此，LPWA技术是物联网主要应用方向。

在各类物联网传输技术体系中，LoRa技术具有功耗低、覆盖范围广、布网灵活、可自主建网的优点，相对于平台化商业运营的NB-IoT通讯，LoRa技术更适合局部地区专网部署，非常适合搭建电网公司100%自主运营的电力物联网业务体系架构。

LoRa技术不仅拥有覆盖性广、容量高的特性，LoRa信号对建筑的穿透力也很强、通讯成本低、能够高效、稳定的远程读取数据，作为广域通讯技术有着比Wi-Fi、ZigBee等近场通讯更好的覆盖，在地下管廊通讯、无线远程抄表、输电线在线监测、配电房安全监测以及光伏阵列在线监测中，可以一次部署，多点接入，大大减轻工程作业量的同时，又减轻了设备成本。

LoRaWAN 区域参数

LoRaWAN 工作在 ISM 频段，不同地区的 ISM 频段不同，因此 LoRaWAN 在不同的地区有不同的参数。LoRaWAN 区域参数定义由独立文档描述。

版本历史

Specification Revision	Notes
LoRaWAN v1.0.1	Originally integrated in the LoRaWAN spec
Regional Parameters v1.0.2rB	Aligned with LoRaWAN 1.0.2
Regional Parameters v1.0.3rA	Aligned with LoRaWAN 1.0.3
Regional Parameters v1.1rA	Aligned with LoRaWAN 1.1
RP002-1.0.0	Supports both LoRaWAN 1.0.x and 1.1.x
RP002-1.0.1	Supports both LoRaWAN 1.0.x and 1.1.x

注：

截至本文发稿（2020年11月11日），RP2-1.0.2 版本已正式发布，更新了 LoRaWAN 1.0.4 相关内容。该版本相对上一版，CN470频段无明显修改

全球区域参数通用名列表

Channel Plan	Common Name
EU863-870	EU868
US902-928	US915
CN779-787	CN779
EU433	EU433
AU915-928	AU915
CN470-510	CN470
AS923	AS923
KR920-923	KR920
IN865-867	IN865
RU864-870	RU864

其中，U868和EU433主要是欧洲标准，US915是美国标准，CN779、CN470是中国标准，AU915主要是澳大利亚标注，AS923主要是亚洲其余国家标准，KR923主要是韩国标准，IN865主要是印度标准，RU864主要是俄罗斯标准。

常见问题和知识点

LoRa 关键参数（SF，CR，BW，DR）

扩频因子（SF）

码片（chips）码片：通过扩频技术，将一个数据位用很多码片来表示。

符号（symbol）一个完整的扫频信号（sweep signal)可以被称为一个符号，如下图中需黄色虚线部分的黑色实线称为为一个符号:

LoRa 使用扩频技术用多个码片来代表 1 个数字信号中的数据位（即我们真实想传输的数据），我们将一个符号分成 2^SF 个单元，这个单元即为前面说的码片（chips），来表示 SF 个数据位（注意不是1个数据位或者1个字节），SF 即扩频因子。

比如一个符号可以表示1011111(95)，7位数据，值为95，这里一个符号代表的数据的位数就是扩频因子的值，比如上面这个95的值对应的扩频因子的值就是 7。 这里即我们用了2^SF/SF个码片来表示一个实际的位。如果SF越大，因为用来表示这个位数据的码片多了，抗干扰能力自然就会好很多；而由于代表每个符号的码片增加了，单位时间传输码片数量是定了的，因此需要的时间自然就增加了。

扩频因子值越小速率越高，抗干扰性越低，传输距离越近。

在semtech的LoRa芯片中，SF取值6~12,6为特殊值。LoRa扩频因子取值范围如下：

编码率（CR）

编码率（或信息率）是数据流中有用部分（非冗余）的比例。也就是说，如果编码率是k/n，则对每k位有用信息，编码器总共产生n位的数据，其中n-k是多余的。编码速率越大，有效数据越多，容错性越低，反之编码速率越低，有效数据越少，容错越高。

LoRa使用了向前纠错技术，传输的数据有一部分需要拿来纠错，在实际发送的长度为SF指定的长度中，实际传输的数据只有一部分即CR（CR的取值是一个小于1的分数，而semtech的lora的数据手册上为了简化寄存器，有几个CR值分别用1~4来表示4/5～4/8，不要弄混淆了），其它的用来纠错的数据。

比如SF8发送了8个字节，但是由于有向前纠错技术，这8个字节中的一部分需要拿来做这个事情，比如这里CR设置4/5，其中有1/5的数据为纠错数据，实际发送的有效数据内容只有8*4/5字节，如下图：

所以CR值越大，则实际一个符号中的有效数据更少，所以速率也就更低，但是鲁棒性会更好LoRa采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错。。使用该方式会产生传输开销。。每次传输产生的数据开销如下：

在存在干扰的情况下，前向纠错能有效提高链路的可靠性。由此，编码率（抗干扰性能）可以随着信道条件的变化而变化，可以选择在报头加入编码率以便接收端能够解析.

信号带宽（BW）

信道带宽（BW）是限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，可以理解为一个频率通带。比如一个信道允许的通带为1.5kHz至15kHz，则其带宽为13.5kHz在LoRa中，增加BW，可以提高有效数据速率以缩短传输时间，但是 以牺牲部分接受灵敏度为代价。对于LoRa芯片SX127x，LoRa带宽为双边带宽（全信道带宽），而FSK调制方式的BW是指单边带宽。

LoRa信号带宽、扩频因子和编码率的设定

LoRaWAN主要使用了125kHz信号带宽设置，但其他专用协议可以利用其他的信号带宽（BW）设置。改变BW、SF和CR也就改变了链路预算和传输时间，需要在电池寿命和距离上做个权衡。

空中速率

所谓空中速率表示LoRa/FSK 无线（在空气中的）通讯速率，也叫空中波特率，单位bps，空中速率高，则数据传输速度快，传输相同数据的时间延迟小，但传输距离会变短。

ADR - 自适应数据速率

ADR（Adaptive Data Rate，速率自适应）是LoRaWAN的核心技术之一，End Nodes的空中速率都是由Server自动控制的。那么，Server如何计算ADR呢？通常将ADR算法设计成一个模块，通过提供目标需求（如：吞吐率、稳定性或2者折中。。。），该算法模块结合End Node的历史经验数据（RSSI / SNR / ……）计算最佳速率。

MAC指令

对网络管理者而言，有一套专门的 MAC 指令用来在网络服务器和终端 MAC 层之间交互。MAC 层指令对应用程序或者应用服务器或者运行在终端设备上的应用程序是不可见的。

DevEUI 和 DevAddr

DevEUI 是 IEEE EUI64 地址空间中唯一标识终端设备的全局设备ID，在设备出厂时分配。

DevAddr 由 Join-Accept 消息携带发送给终端设备，入网成功后该地址存储于终端

关于加解密

LoRaWAN通讯数据采用对称加密。AES-128 根密钥（AppKey & NwkKey）在制造期间分配给终端设备，用于派生通讯过程加密所需的三元秘钥。

终端与网络服务通讯的数据全程使用这些秘钥加密以保障传输的安全性。

信号质量指标 Rssi 和 Snr

Rssi - Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示

代表接收信号功率毫瓦值，测量单位为 dBm。这个值可以用作衡量接收者“听到”来自发送者的信号的程度。RSSI是用 dBm 测量的，是一个负值。该值越接近 0 表示信号越好。

Snr - Signal-to-Noise Ratio 信噪比

单位 dB，值越大越好，通常地板噪声是灵敏度的极限，当然，也有信号低于地板噪声仍能工作的系统，如 LoRa。LoRa 的 SNR 典型值范围为：-20dB 和 +10dB，SNR 越接近 +10dB 表示接接的信号损耗很少。

LoRa 可以解调低于地板噪声以下 -7.5dB ~ -20dB 的信号。

EIRP ERP

• EIRP：等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power)

  为无线电发射机供给天线的功率与在给定方向上天线绝对增益的乘积。各方向具有相同单位增益的理想全向天线，通常作为无线通信系统的参考天线。EIRP定义为：EIRP=Pt*Gt，它表示同全向天线相比，可由发射机获得的在最大天线增益方向上的 发射功率。Pt表示发射机的发射功率，Gt表示发射天线的天线增益。在无线通信工程中，通常用来衡量干扰的强度，以及发射机发射强信号的能力.

• ERP：有效辐射功率 (effective radiated power )

  无线电发射机供给天线的功率和在给定方向上该天线相对于半波偶极振子的增益的乘积。实际上用有效发射功率ERP代替EIRP来表示同半波耦极子天线相比的最大发射功率。注：耦极子天线具有1.64的增益（2.15dB），因此，ERP比EIRP低2.15dB

ISM

ISM频段，是工业（Industrial）、科学（Scientific）和医学（Medical）的首字母缩写。

顾名思义ISM频段就是供工业，科学和医学机构使用的无线电频率。应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。

ISM 由 ITU-R （ITU Radiocommunication Sector，国际通信联盟无线电通信局）定义，各国挪出某些特定频段。

LoRa 工作于 ISM 频段。