LoRa，相信做小无线开发的朋友都不会陌生，Semtech公司独有的扩频调制技术，能够实现低功耗远距离的Sub-1G无线传输；而LoRaWAN，因为涉及到协议，因此不是那么广为人知；本文，主要针对LoRaWAN协议进行一个总结，包括以下内容:
LoRaWAN从哪里来
LoRaWAN有什么特性
LoRaWAN用到哪里去
/1/
LoRaWAN从哪里来
LoRa联盟(LoRa Alliance)于2015年三月由思科，IBM和Semtech等多家厂商共同发起创立，其成立之初的董事会成员包括19家来自于电信运营商，网络安全方案商，云平台方案商，基站方案商，终端芯片方案商，行业应用方案商的企业，截止2018，已经有500+联盟会员；LoRa联盟致力于推广LoRaWAN在物联网低功耗广域网（LPWAN）的标准化及广泛应用；而LoRaWAN定义了从终端节点，到网络服务器端的标准和架构；LoRaWAN网络图如下
/2/
LoRaWAN 的基本特点
一个LPWAN (Low Power Wide Area Network)，一般需要考虑如下参数指标：标准化，网络架构，通信距离，通信时延，功耗，安全性，鲁棒性，网络节点规模，单双工，支持的应用多样性等
我们从如下几个方面来了解LoRaWAN的细节：
标准化：LoRaWAN 本身是一个标准的协议架构，从MAC层往上，都是全球通用开源的，而且还有定义配套的认证标准；考虑到LoRa本身工作在免授权的ISM频段，不同国家针对ISM频段具体规定各不相同；LoRaWAN针对这个问题，规定了基于区域的LoRa参数标准，比如中国ISM的CN470~CN510以及CN779~CN787两部分；
网络架构：LoRaWAN是一个标准的星型网络架构，从节点端发送的数据，经过网关的中继，到达网络服务器端；在这里，为了简化节点端到网关的通信，节点不需绑定具体的网关进行通信，从节点发出的数据，由不同网关接收到后，一起发给服务器端，由服务器进行数据包的处理，同时，如有需求，服务器会选择最优的网关，回应数据给节点；整个过程，其实LoRaWAN实现了类似GPRS的功能；
功耗：LoRaWAN的网络是一个非同步的ALOHA网络，且无中继器的功能，节点端根据自己的需求进行数据的传输；与同步网络需要定时唤醒进行通信相比，LoRaWAN的拓扑具有明显的优势；除了网络方面，LoRaWAN基于的LoRa调制，其射频部分本身就具有低功耗的特性；功耗，也是LoRa与NB-IOT技术对比的一个明显技术优势；
网络容量：没有做个LoRaWAN设计的朋友可能不知道，LoRaWAN 网关端射频芯片与节点端不一样，网关端的芯片射频方案以CN470~CN510举例，为SX1255+SX1301；这与大部分的Sub-1G技术不同；而正是这个设计，使得LoRaWAN的网关容量可以大幅提高；继续往下说，具体是SX1301有哪些特性，能大幅提升网关的节点容量：一个是10个独立的接收通道，一个是ADR; 10个独立通道IF0~IF9中，其中IF0~IF7可以同步接收不同速率下的LoRa包，更多信息可以参考SX1301的数据手册；而ADR，根据节点与网关的远近及信号质量，会动态的设置节点端的通信速率，使的近距离的采用更高的速率，ADR的示意图如下。
因为LoRa是扩频调制技术，不同扩频因子的无线电信号是正交的，这是一个很重要的特性。上面的IF0~IF7，同一个IF信道，扩频因子（Spread Factor）从SF7～SF12（对应速率DR7～DR12）的6个无线电信号，彼此不相冲突。这样一来，一个SX1301可以构建6x8=48个“虚拟信道”，容量得到更进一步提升。（实际SX1301接收过程，同时只能解调8个数据）
安全性：LoRaWAN从如下几个方面保证安全，设备与服务器的双向认证，MAC层的加密以及端到端的应用层数据加密；我们来进一步看LoRa的安全性的实现： 每一个LoRaWAN设备出产时候必须预置 AppKEY，设备端及服务器端保有相同的AppKEY， 这个AppKEY将用于设备入网/激活时，服务器端针对设备端入网命令的解密(AES-CMAC)，解密/验证通过后，将产时NwkSKey和AppSKey，分别用于MAC层及APP层的数据有效性检验；
从上面的总结可以看出，LoRaWAN是从设计之初就考虑到LPWAN应用情景所需要考虑的问题，从各方面都有对应的优化设计；
通信时延：通信时延与多方面因素相关，包括通信的速率，通信包的构成，信道的拥挤程度，同频的干扰，以及通信的方式设定；LoRaWAN的底层速率可设置SF7~SF12，分别对应250bps和5470bps，针对包格式，可以参考LoRaWAN的数据手册，这里就不特别举例计算，LoRaWAN的通信速率并不高，不适用与实时性要求高的场合；
通信模式：LoRaWAN支持半双工通信，以Class A举例，节点端发送数据后，在RX_DELAYS(一般默认1s）后会开启接收端口，接收来自服务器的数据；而Class C模式， 节点射频除了需要发送数据，其他时间都处于接收状态；
/3/
了解LoRaWAN的专属词汇
谈到一个LPWAN，从顶层来看，肯定设计到设备定义，网络模型，如何入网，如何通信等基本，我们就针对这些概念讲讲。
设备定义及网络拓扑
如最上图所示，LoRaWAN协议为星型网络，由终端节点，网关，网络服务器，和应用服务器组成；LoRaWAN入网过程，通过哪个网关加入服务器，由服务器决定，这对终端节点来说，网关算是透明的，这个特性也使得LoRaWAN网关很适用于移动物联网设备；
入网流程
LoRaWAN的入网方式有两种， OTAA (Over The Air Activation)和ABP(Activation by Personalization); 节点端通过OTAA入网的流程如下图。
-/入网前，需要模组预置 JoinEUI, DeviceEUI，NwkKey和AppKey，这些需要向LoRaWAN运营商申请， 比如在阿里的LinkWAN平台申请；
-/接着，节点端先发送JOIN 请求, JOIN请求携带JoinEUI, DeviceEUI和DeviceNonce，所有收到JOIN请求的网关都将转发JOIN请求给网络服务器；
-/服务器收到JOIN请求后，向应用服务器转发，由应用服务器根据JOIN请求包里的密钥信息，决定是否授权节点入网；
-/如果允许节点入网，应用服务器回复Join Accept信息，包含JoinNonce, DevAddr，HomeNetID这些关键信息；
-/节点端解析JOIN ACCEPT消息，解密出对应的密钥，完成入网过程(这里，不同LoRaWAN版本的密钥定义不一样，详见LoRaWAN保准)。
ABP入网流程，只是将与网关的交互过程省略，而直接将通信用密钥预存在节点中，这里不做描述；
节点工作模式
LoRaWAN分三种工作模式，Class A, Class B， Class C；三种模式的简要对比如下:
Class A: 非同步网络, 节点平常处于睡眠，需要发送数据时，唤醒发送，发送后可以开启两个短暂的接收窗口接收服务器的数据；服务器有数据下发必须等节点的上传后的接收窗口；这种模式优点是功耗低，缺点是服务器下行数据时延不确定；
Class B:同步网络，在Class A基础上， 节点端可以定时开启接收端口接收数据，这种方式会让服务器端的下行数据时间可控，附带的成本，是所有节点必须与服务器端进行时间同步；
Class C: 节点除了发送状态外，其他时候均处于接收状态；这种工作方式双向时延最低，但是带来的也是更高的功耗；
LoRa，相信做小无线开发的朋友都不会陌生，Semtech公司独有的扩频调制技术，能够实现低功耗远距离的Sub-1G无线传输；而LoRaWAN，因为涉及到协议，因此不是那么广为人知；本文，主要针对LoRaWAN协议进行一个总结，包括以下内容:
通信流程
通信流程与LoRaWAN节点工作模式相关，也和发送的数据类型有关。数据类型包括Confirmed data (需要接收端回馈ACK)和unconfirmed data (无需要接收端回复)， 这里以最通用的Class A举例，如下图。在节点端上传数据Cu后，会在RECEIVE_DELAY(一般1s）后开启接收端口，网关接收到数据后，如果网关有额外的数据需要下发，可以在下发的数据包置位F_P (Frame Pending)，告知节点还有下一包数据。节点接收到网关的Confirmed Data0 cd后，发现包中的F_P是置位的，于是马上回复ACK，然后1s后继续开启接收端口接收第二个Confirmed Data cd+1，节点回复ACK后，结束。更复杂的设计到通信失败的情景，可查阅LoRaWAN的标准；