LoRaWAN 架构

true

LoRaWAN架构

1 LoRaWAN网络结构：星型网络（star）

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/bd5565dc479441568379bb895ea3c0a2/20170106101846513.jpeg

star相比mesh（网格）具备以下优势：

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/a116a227006f4cf3b905925906865488/20170106105642696.jpeg

2  LoRaWAN标准架构
LoRa Alliance制定的LoRaWAN架构分四个网络实体：End Nodes（子节点）、Gateway（中心节点）、LoRaWAN Server （LoRaWAN服务器）和 User Server（用户云端）。

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/c4aa3cce1c124616af689433ed17e505/20170106101931857.jpeg

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/771bfe84e0c44af5a95cabe71228936e/%E4%B8%80%E5%BC%A0%E5%9B%BE%E7%9C%8B%E6%87%82lorawan%E4%BD%93%E7%B3%BB%E7%BB%93%E6%9E%84.png
End Nodes和Gateway，semtech开放全部硬件和软件设计，降低了开发难度。
LoRaWAN的核心功能，都是由LoRaWAN Server实现的：
控制无线参数：速率、功率、频率和ADR自适应速率；
实现QoS：ACK可靠通信、网络管理等；
通信协议：信息去冗余、精准回复、唤醒节点等；
网络安全：节点入网、网络层和应用层加密解密；
节点漫游：移动节点从A网关切换到B网关；
增值服务：节点定位，节点自动升级等

3 如何部署LoRaWAN Server（不同的角色）
运营商：提供区域、国家级的物联网，自己开发与维护LoRaWAN Server；
私网：提供小范围（工厂或农场等）的物联网，可以使用商业的LoRaWAN Server，目前，国际主流的商业Server公司有：
Loriot：https://loriot.io/ (进入网站有耐心看到底，您将看到NADIA美丽的眼神)
The Things Network：https://www.thethingsnetwork.org/
开发者：和semtech公司签订NDA(Non Disclosure Agreement，不公开协议)，您可以获取LoRaWANServer的源代码和资料，它也只是一个框架系统，针对具体的物联网，还是需要修改和维护。
探索者：有一个开源的LoRaWAN Server：https://docs.loraserver.io/loraserver/

4 如何开发 LoRa Gatewa
实现LoRa Gateway，更明智的做法：
协议：使用LoRaWAN协议（它由 LoRa Alliance 设计+验证+制定+维护）
芯片：使用SX1301（它由semtech 设计+验证+供货+维护）
系统：使用Linux（它由全球精英开发+维护+推广+使用）

LoRaWAN 特点

1 长距离
得益于扩频调制和前向纠错码的增益，LoRa取得大约2倍蜂窝技术（手机）的通信距离。在最佳环境下，LoRa的最大空空通信距离可达15kM、城市环境3kM

2 大容量
网关容量是指在一定时间内网关接收数据包数量的能力。理论上来说，单个SX1301芯片拥有8个信道，在完全符合LoRaWAN协议的情况下最多每天能接收1500万个数据包。如果某应用发包频率为1包/小时，单个SX1301芯片构成的网关能接入62500个终端节点。当然，这只是一个理论值，网关接入终端数量最终还是与网关信道数量、终端发包频率、发包字节数和扩频因子息息相关。

3 传输速率
LoRaWAN网络数据传输速率范围为0.3 kbps至50 kbps，为了最大化终端设备电池寿命和整个网络容量，LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应（ADR）方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出。
ADR技术说明：
ADR（Adaptive DataRate，速率自适应）
如下图所示，依赖End Nodes和Gateway的距离：越近，End Nodes将采用高速率；越远，End Nodes将采用低速率。

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/4d8680e7465c4c0ebcaec6349908897d/20170106172107978.jpeg

ADR技术能带来如下好处：
速率和容量
离Gateway近的End Nodes因为采用高速率，可以大大缩短无线电的空中时间，从而给其他End Nodes通信留下宝贵的带宽，即，扩展了网络容量。
更低的能耗
很明显，End Nodes的速率越高，将会更多地休眠，电池寿命也就更长。
轻松扩容
当一个LoRaWAN网络需要增加容量时，通过增加Gateway即可，因为部署更多的Gateway，它附近的End Nodes将会提速，整个网络带宽得到显著提升。

4 安全
无线电天生容易被**，安全变得很重要，LoRaWAN是第一个提出双重加密的物联网。
应用层：LoRaWAN Server和End Nodes的应用数据，由AppSKey进行128ASE加密和解密，即使网络操作员也无法**应用数据。
网络层：LoRaWAN Server和End Nodes的通信帧，由NwkSKey进行128ASE加密和解密，它主要用于信息完整性校验和防止“伪节点”攻击。

5 低功耗
18dBm下：13 -- 93 mA
几种窄带低功耗传输技术功耗对比：
C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/c085b02aeab546e7a2cf116a53ef00e7/clipboard.png

怎样把LoRa终端功耗降到极致:http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/50628279

6 一网络多网关
在LoRaWAN网络中，一个End Node的发送数据帧可以被多个Gateway接收，再转发给LoRaWAN Server。这样做的好处是，Server可以选择最佳（信号强度最大）的Gateway回复，并调整ADR。如果是移动的Node，从一个Gateway漫游到另一个Gateway，因为是同一个Server在管理，免除了复杂的移交工作，这给“定位”（如资产跟踪）提供更多的便利。

7 三类终端
LoRaWAN协议定义了三类终端，这样做的好处是，用户可以根据：应用场景、节能需求和唤醒时延，灵活地选择最佳的种类。更难得的是：协议允许End Nodes在运行中根据需要，进行Class A和B的切换。

类别	应用实体	优点	缺点
Class A	电池供电传感器	最佳节能	Server无法唤醒End Node
Class B	电池供电执行器	节能并唤醒时延可控	复杂，实现代价大
Class C	市电供电执行器	随时唤醒通信	耗能大

8 低成本
LoRaWAN工作在ISM免费频段，没有频段税费，让人们低成本部署一个私有物联网成为可能。

9 应用数据的封包大小
下图是LoRaWAN中国频段的最大数据帧长度规定，可以看到，DR0/DR1/DR2（分别对应：250/440/980bps）下，应用层最大数据长度为51字节，在不同的速率下，该值还是变化的。这给应用层设计MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）大小，增加了额外的困难。
C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/8c759d08281c4f2897521374b69077a9/clipboard.png

LoRaWAN 设备入网

End Node要加入LoRaWAN网络，有2种方法完成入网：ABP（Activation by Personalization，个性化激活）和OTAA（Over-the-Air Activation，空中激活）。

说明：设备地址（DevAddr）、应用ID（AppEUI）、网络会话密钥（NwkSKey）和应用会话密钥（AppKey）<AppKey作为root key，被Server和End Node共享>、NwkSKey(层数据加密)和AppSKey(MAC协议帧加密)。

1  ABP(提前固定设备地址)
ABP是一种简单的入网机制，同时，它也不太安全，适合于建设私网。
它的核心原理是，LoRaWANServer和End Nodes双方都保存相同的3个参数：DevAddr、NwkSKey和AppSKey。

流程：
1. 首先，每一个EndNode都会有一个DevEUI（Device Extended Unique Identifier，设备扩展唯一标识），最常见的做法是，取MCU的SN（Serial Number，序列号），经过某种算法得到64位的DevEUI。
2. 然后，Server端提供DevEUI，将得到如下三个值：DevAddr、NwkSKey、AppSKey
3. 最后，将这三个值，分别保存到End Node中。这样，该Node就完成了入网，可以与Server通信。


2  OTAA(动态分配设备地址，生成动态秘钥)
OTAA是一种安全系统很高的入网机制，较复杂（数据结构是核心）。

流程：
1. 首先，一个End Node需要配置：AppEUI和DevEUI；并且取LoRa芯片的RSSI随机值，得到DevNonce。将这3个参数，组织成Join Request数据帧，发送给LoRaWAN Server。
2. Server接收到Join Request后，分配DevAddr，连同AppNonce和NetID，组织成JoinAccept数据帧，回应给EndNode。
3. End Node接收Join Accept后，提取DevAddr；结合4个参数：AppKey、AppNonce、NetID和DevNonce，使用aes128_encrypt()，生成2个密钥：NekSKey和AppSKey。

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/a4cc272a08da4667817c620e634ccde8/20170111171036761.jpeg

总结：
无论是ABP，还是OTAA，最终，End Node都会得到3个参数：DevAdd、NwkSKey和AppSKey。

3 重传的限制
一些外部事件的发生，如：断电、信号拥塞、网络断供…，一旦恢复，很可能会有大量（>100）的End Node同时申请入网。为了防止这些广播的Join Request拥塞整个网络，End Node需要实现“伪随机”离散入网，并且限制发送时间。
“伪随机”，可以将DevAddr代入随机函数，生成入网时间，这样有效降低End Node同时入网的概率。
一个End Node发送Join Request的时间，不但要遵守duty cycle的法规，还必须遵循如下的限制时间，以防止过多的入网报文干扰网络正常运行。

C:/Users/shu/AppData/Local/YNote/data/zhangshu9206@163.com/430cbdf6d8ee47f9882455682014c69d/20170111171107016.jpeg

4 保存契约（无线参数、产品类型保存服务器）
一个End Node至少有2方面的属性：
无线参数：频段范围、最大发射功率、RxDelay1和RxDelay2时长；
应用类别：警报器、能源表计、资产跟踪、监测、网络控制等
这些称之为契约，需要存储在Server中，AS（Application Server）和NC（NetworkController）需要使用它们，以便提供更好的网络服务。

5 感知地区
LoRaWAN是工作在ISM免费频段，然而，每个地区和国家的ISM频段是不一样的；即使是相同的频段，网关也可以使用多个信道，比如，中国470~510MHz的频域，划分了96个上行和48个下行信道。
一个End Node在发起入网前，需要确认自己所有的区域和可以使用的信道。

fantasylht

好东西！！！！

川页人生

有没有LORA作为网关如何同时接收客户端发送来的信号