LoRa/LoRaWAAN技术

LoRa安全可靠，具有双向认证、端到端加密和完整性保护等特性。

1.LPWAN中的LoRa技术特色：
•低功耗（电池寿命长）-温湿度传感器约1-3年（AAA电池）
•长距离-3-5公里通讯距离
•小数据-21-222bytes每个封包
•大容量-单网关5000节点以上
•低成本：最简网络架构，基础设施成本低；节点终端成本低，芯片成本<1dollar；开放软件

2.LoRa技术优势：

特点	优势
灵敏度-148dBm 通讯距离>15km	远距离
最小基础设施成本使用网关/集中器扩展系统容量	易于建设和部署
电池寿命>5年接收电流10mA，休眠电流<200nA	延长电池寿命
免牌照的频段节点/终端成本低	低成本

3.常见应用
（1）无线抄表，比如：电表、水表、气表、热表等；
（2）缓慢变化物理量（温度、水压、PM2.5、地磁感应器）超低功耗传感器；
（3）无线报警器（烟雾探测器、热释红外）；
（4）远程I/O控制器（灯光控制、空调控制）。

4.技术原理：

香浓第二定理：

C是信道容量，单位为比特每秒（bps）。B是要求的信道带宽，单位是Hz。S/N是信噪比，单位是dB。
根据香农信道容量公式：

加大带宽B或提高信噪比S/N，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。因此， LoRa扩频技术具有很强的抗干扰能力，可以在非常低的SNR（信噪比）范围内工作（低于噪声水平-20dB）。

5.为什么LoRa可以传更远的距离，而别的技术做不到？
常规的数字数据通信原理是使用与数据速率相适应的尽可能小的带宽。LoRa用了扩频技术，扩频通信的原理是尽可能使用最大带宽数，同样的能量在一个大的带宽上传播。传输使用的带宽大大增加，这也是一种资源的消耗。
扩频技术就是以带宽换功率、以带宽换信噪比。

（1）扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication）
•将信息信号的带宽扩展很多倍进行通信的技术。它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。
•增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
（2）LoRa扩频调制
用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR（异或）运算，生成发送信号流，这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加（扩展了频谱）。

（如上图右上角的频谱图所示，深蓝色是原始信号，紫红色是扩频后的信号。扩频后带宽增加（横坐标），幅度减小（纵坐标。）
当然扩频技术也不是万能的，它至少有2个弊端：
（1）扩展编码调制生成更多片的数据流导致通信数据率下降;
（2）较复杂的调制和解调机制。
•LoRa扩频技术改变了传输功耗和传输距离之间的平衡，彻底改变了嵌入式无线通信领域的局面。它给人们呈现了一个能实现远距离、长电池寿命、大系统容量、低硬件成本的全新通信技术。
•从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性;得到信噪比的增益。换句话说，使用扩频通信抗干扰性更强，通信距离更远。CDMA和WiFi都使用了扩频技术。
（3）LoRa的调制和解调
在发端，信息码经码率较高的 PN 码调制以后，频谱被扩展了。
在收端，扩频信号经同样的PN 码解调以后，信息码被恢复；

（4）扩频因子（SF）
•LoRa扩频调制技术采用多个信息码片来代表有效负载信息的每个位。扩频信息的发送速度称为符号速率（Rs），而码片速率与标称符号速率之间的比值即为扩频因子，其表示每个信息位发送的符号的数量。
•LoRa的扩频因子可以从7、8到12。传输距离与SF成正比，与传输速度则成反比。一般速度为5.5kbit/s~300bit/s。

（5）LoRa技术综述
•LoRa技术是一种窄带扩频通信技术，以牺牲通信速率的方式取得了极好的无线传播性能，通信距离远超Zigbee和蓝牙。

（6）LoRaWAN
LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。
LoRa：小无线连接，属于PHY层，多用于点对点通讯
LoRaWAN：通讯协议，属于MAC层，协议核心可部署在云端，可支持百万级的设备接入

•LoRaWAN： WAN（Wide Area network）：
广域网LoRaWAN是LoRa的广域网，其物理层用的是LoRa。

网络架构：

•LoRaWAN的网络架构如图所示：主要有终端（End Node）、网关（Gateway）、网络服务器（Network Server）和应用服务器（Application Server）四部分组成。
•LoRaWAN网络通常采用星形拓扑结构，由拓扑中的网关来转发终端与后台网络服务器间的消息。网关通过标准IP连接来接入网络服务器，而终端则通过单跳的LoRa来和一个或多个网关通讯。虽然主要传输方式是终端上行传输给网络服务器，但所有的传输通常都是双向的。
•终端（End Node）：又称为节点：包括了传感器、数采仪、仪器仪表等。目的是采集数据，然后利用LoRa模组把数据传至LoRa 网关。
•网关（Gateway）:负责转发终端数据到网络服务器。一般网关具有8个频道，可连接数千个终端。
•网络服务器（Network Server）：负责管理所有的网关与终端，包括终端的认证、传输、网关的状况、补丁等。还有把相关的数据传送到相应的应用服务器上。
•应用服务器（Application Server）：应用服务器位于整个网络的最尾端，也是最终用户日常接触的。所有不同行业的应用软件多是定义在这里。
•每个设备可以在任意可用的信道、任意时间、使用任意数据速率发送数据，
只要遵守如下规定：
        ü终端的每次传输都使用伪随机方式来改变信道。频率的多变使得系统具有更强的抗干扰能力。
        ü终端要遵守相应频段和本地区的无线电规定中的最大发射占空比要求。
        ü终端要遵守相应频段和本地区的无线电规定中的最大发射时长要求。

LoRaWAN有效载荷加密和传输:
•在LoRaWAN网络中数据的载荷是经过加密的，这个加密是两个层次的加密。
•当终端采集了信息后，需要经过应用层AppSkey信息加密和网络层NwkSkey网络加密才传上网络。

LoRaWAN终端设备数据传输
（1） LoRaWAN协议栈

（2） LoRaWAN终端设备分类

ClassA模式：
上报行为可预先周期设定或自行触发。
终端先上报payload,然后再进入Rx模式，可接收来自网关的ACK/NACK反馈或者其他配置信息。
终端侧支持2个Slot的等待反馈，Slot 2结束之后理论上支持立即再上报Payload。
Rx Slot持续时间为5 symbols(SF7为5.1ms;SF8为10.2ms......SF12为164ms)

ClassB模式：
终端每128s从网关接受一次Beacon包，保持和网关的时间同步。
128s周期内终端按照Ping Slot的方式接收，Ping Slot持续时间30ms，周期可配（参见下图）。
终端在需要的时候就可以上行发送，发送时序按照Class A的模式进行。

ClassC模式：
终端下行一直在接收，Rx Slot2一直打开。
终端只有在上行上报的时候才会关闭Rx Slot，发送完成1s后进入Rx Slot，后续继续进入slot 2.

Class A B C总结
从Class A 到Class B再到Class C模式，设备功耗依次增大，同时，端到端通信的时延依次降低。
ABC三种模式都是装电池的，beacon需要强校验的时间，需要GPS信号主动下行，每台基站之间的时间一致，都是靠GPS信号，城市园区或学校里面，可以把网关设到楼顶

LoRaWAN & D2D（第四种通信方式）
LoRa D2D全称是LoRa Device to Device 通信协议，是由ASR(翱捷科技)发布的，适用于LoRa室内应用

数据帧格式
LoRa有上行消息和下行消息

上行消息是由终端发出，经过一个或多个网关转发给网络服务器。
上行消息使用 LoRa 射频帧的严格模式，消息中含有 PHDR 和 PHDR_CRC 。载荷有CRC校验来保证完整性。
1. preamble（前导）、PHDR、PHDR_CRC和 CRC 都是硬件生成，无需软件参与，需要软件参与的是PHYPayload部分
2.CRC校验只出现在上行链路消息中，其中PHDR、PHDR_CRC和 CRC都是射频芯片用于校验数据的完整性和一致性用的，并非用户生成的数据。
注：其中上行最后还有CRC校验，而下行没有CRC校验
MAC数据：由上图可以看到，MAC数据是是作为PHYPayload存在的

PHY载荷

MAC载荷
由图可以看到，MAC数据是是作为PHYPayload存在的

1) 其中MAC 层的包有三个部分组成：
   MHDR(MAC层帧头)
   MACPayload(MAC层负载)
   MIC(4字节的校验)
2) MACPayload又由三个部分组成:
   FHDR (MAC层负载头)
   FPORT（MAC 层数据的通道号）
   FRMPayload（MAC层负载，加密）
3) FHDR又由由四个部分组成:
   DevAddr(终端的ID 4字节)
   FCtrl（帧的控制字 1个字节）
   FCnt （帧的序号 2个字节）
   FOpts（帧配置，字节数不定，大部分情况0个字节）

LoRaWAN终端设备入网
LoRaWAN协议为终端定义了2种入网方式：
Over-The-Air-Activation(OTAA)空中激活方式
Activation By Personalization(ABP)个性化激活方式

OTAA(Over-The-Air Activation)
OTAA,是LoRaWAN的一种透过大气电波（LoRa网络）入网方式。当终端在开了机后，需要先入网才能和服务器进行通信。其操作就是终端发join-request message，请求入网，然后服务器同意入网，并且返回Join-accept message，终端再对信息进行解析，获取通信参数，之后就可以和服务器通信了。

入网流程需要终端准备好如
下三个参数：
       DevEUI:DevEUI是一个全球唯一ID，标识唯一的终端设备。
       AppEUI:AppEUI是一个全球唯一ID，标识终端的应用提供者。
       AppKey：AppKey是由应用程序拥有者分配给终端，当终端通过OTAA方式加入网络，AppKey用来产生会话密钥NwkSKey和AppSKey，会话密钥分别用来加密和校验网络层和应用层数据。

当一个终端要加入LoRaWAN的时候它需要进行初始化和激活。激活方式OTAA
激活后，终端会存储如下信息：
设备地址（DevAddr）:由标识当前网络设备的32位ID组成：

bit#	[31...25]	[24...0]
DevAddr bits	NwkID	NwkAddr

应用ID（AppEUI）:AppEUI是一个全球唯一ID，标识终端的应用提供者。AppEUI在激活流程开始前就存储在终端中。
网络会话密钥（NwkSKey）:NwkSKey被终端和网络服务器用来计算和校验所有消息的MIC(消息一致码)，以保证数据完整性。也用来对单独MAC的数据消息载荷进行加解密。
应用会话密钥（AppSKey）:AppSKey被终端和网络服务器用来对应用层消息进行解密。当应用层消息载荷有MIC时，也可以用来计算和校验该应用层MIC。

ABP（Activation by Personalization）
这种方法比较简单粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 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。

APB(独立激活方式)
在某些情况下，终端可以独立激活。独立激活是让终端
绕过join request-join accept的加网流程，直接加入到指定网络中。DevAddr和两个会话密钥NwkSKey、AppSKey直接存储在终端中，而不是DevEUI, AppEUI,AppKey。终端在一开始就配置好了入网必要的信息。

LoRaWAN入网模式ABP/OTAA

阿里云物联网络管理平台 ——LinkWAN
Alibaba Cloud Link WAN Core即阿里云物联网络管理平台，简称Link WAN平台，是阿里云面向物联网领域推出的网络管理平台，旨在帮助用户搭建无线空口数据通道，实现物联网终端数据通过无线技术快速上报云端。阿里云Link WAN物联网络管理平台,提供大容量、广覆盖、高可靠的物联通讯接入服务
Link WAN平台的低功耗广域网协议目前主要采用是ICA联盟的Link WAN标准，Link WAN标准兼容LoRa联盟的LoRaWAN
物联网络管理平台（Link WAN）提供用户四大能力：网关管理、节点管理、网络维护、流量计算

阿里云物联网产品概览

阿里云在做的IOT产品包括云、管（红字的部分是LoRa）、边(边缘计算)、端（软硬件终端或设备，偏向于硬件的生态）全生态布局。由于看好在非授权频谱的广域网前景，LinkWAN物联网络管理平台支持LoRa协议，同时还可提供LoRa节点设备、LoRa网关等丰富的LoRa产品。为推进LoRa在中国的拓展，阿里巴巴已在杭州和宁波建设LoRa网络，并已具备商用条件。
“现在,每个家庭都有WiFi,将来,每个企业都将有LoRa。”这是阿里云对于LoRa物联网未来的判断。

LoRa网关的作用
1.LoRa网关在整个通信过程中起透传作用
2.网关通过收发器可以和终端通信，是以射频的形式通信的，如上图，网关会接收到符合配置文件中频点和数据率的终端数据，也会以一定的频点数据率和发射功率发送射频数据包给终端。所有的符合条件的终端消息都会被网关接收，这样就存在网关接收到不同网络中的终端数据的情况
3.网关有树莓派的操作系统，可以通过IP协议和NS通信。

阿里云Link WAN平台核心亮点
海量连接 - 亿级接入，百万并发
按需组网 - 三步接入，用户自组网
凭证分发 - 组网用户可二次售卖凭证
平台API - 对接用户运用平台

Link WAN平台的网络架构

LoRaWAN典型系统主要包含了5大网元，分别是：
终端设备（End Device）
网关（Gateway）
LoRaWAN网络服务器（Network Server）
LoRaWAN网优服务器（Network Control）
应用服务器（Application Server）
从网元简单对照LoRa联盟定义LoRaWAN体系架构来看，Link WAN主要对应LoRaWAN标准网络架构中的NS（Network Server），另外还包含了NC（Network Control）的功能。

Link WAN标准
ICA联盟（低功耗广域网标准组）定义了Link WAN标准，Link WAN技术规范基于LoRaWAN标准规范，并对中国470MHz~510MHz频段重新定义了新的频谱规划，制定了节点接入规范（推荐的入网扫描方式、应用层限制等）、网关接入规范等。
LoRaWAN终端设备接入Link WAN网络，需要遵循《Link WAN LoRa节点接入规范》。
LoRaWAN网关接入Link WAN平台，需要遵循《Link WAN LoRa基站接入规范》。
目前在中国市场，阿里云主导的Link WAN生态已经聚合近千家各类合作伙伴，部署数万台LoRaWAN网关，在居家安防、老人照护、城市应用、园区传感器与企业智能化等实现物联网设备上云

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