本文是一篇LoRaWAN的科普介紹，你已經在朋友圈看過無數蜻蜓點水的LoRaWAN文章，是時候來一篇真正的技術幹貨了。本文先從橫向介紹下LoRaWAN的背後勢力和網絡部署情況，然後縱向講解了網絡架構和具體的協定内容，幫助LoRa從業者系統地了解LoRaWAN協定。
1 LoRaWAN是什麼
按照LoRa聯盟官方白皮書《what is LoRaWAN》的介紹，LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協定和系統架構。
LoRaWAN defines the communication protocol and system architecture for the network while the LoRa physical layer enables the long-range communication link.
另外官方提供了這張略偏技術的協定層次圖，各位看官大體感受下。
LoRaWAN在協定和網絡架構的設計上，充分考慮了節點功耗，網絡容量，QoS，安全性和網絡應用多樣性等幾個因素。經過接下來的這些内容，将會對開頭這段介紹有更深刻的體會。
2 背後的利益集團 -- LoRa聯盟
和LoRa相愛相殺的 NB-IoT 出自于全球标準化組織 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI(歐洲電信标準化委員會)、日本ARIB(無線行業企業協會)和TTC(電信技術委員會)、CCSA(中國通信标準化協會)、南韓TTA(電信技術協會)和北美ATIS(世界無線通訊解決方案聯盟)等等組成。
相比于 3GPP 的根正苗紅，LoRaWAN 背後的LoRa聯盟則勢力弱了一些。從協定的封面可以看到作者是來自于3個董事會成員公司: N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。
我們知道每一項技術的推廣，都伴随着利益的推動。雖然組織和聯盟都是非盈利性組織，但是旗下的企業成員都不是一心來做公益的。從企業角度來講，花5W去投入做的事情，注定是抱着撬動至少50W美金的預期去做的。
LoRa聯盟于2015年上半年由思科(Cisco)、IBM和升特(Semtech)等多家廠商共同發起創立，截止目前(2017.04)有400+的成員，董事會成員中也有不少大企業，大家共同為瓜分未來低功耗廣域網的蛋糕而抱團努力着。這是我做的一個表格，收集了現階段願意交納5W美金會費的19個董事會成員，你可以看到這些企業的願ye景xin。
3 LoRaWAN的網絡部署情況
在綁定了幾個一級電信營運商後，網絡部署情況就比較可觀了。按照官方目前(2017.04)的聲明，網絡部署情況是這樣：
34個公開聲明部署的網絡，至少150個在進行的城市試點部署。
你們發現沒，雞脖子那邊有一點白，可能是主體主義思想的光輝太耀眼了。
4 LoRaWAN 網絡架構
在前面部分了解了LoRaWAN很火之後，我們具體從技術角度做些了解。如下是LoRa聯盟官方白皮書中的網絡架構圖。
可以看到一個LoRaWAN網絡架構中包含了終端、基站、NS(網絡伺服器)、應用伺服器這四個部分。基站和終端之間采用星型網絡拓撲，由于LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。在終端部分官方列了6個典型應用，有個細節，你會發現終端節點可以同時發給多個基站。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協定資料做轉發處理，将LoRaWAN資料分别承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上。
下面結合下行業生态再來看下這個網絡架構，大家可以有更深的認知。圖來自ST的LoRa白皮書《IoT connectivity made easier STM32 MCUs & LoRa》。
5 協定概述
5.1 終端節點的分類
在開頭的介紹中我們就看到有協定中有規定 Class A/B/C 三類終端裝置，這三類裝置基本覆寫了物聯網所有的應用場景。
為了友善大家，我又做了個表。
5.2 終端節點的上下行傳輸
下面來點時序圖，讓大家有更深的感受。
這是Class A 上下行的時序圖，目前接收視窗RX1一般是在上行後1秒開始，接收視窗RX2是在上行後2秒開始。
Class C 和 A 基本是相同的，隻是在 Class A 休眠的期間，它都打開了接收視窗RX2。
Class B 的時隙則複雜一些，它有一個同步時隙beacon，還有一個固定周期的接收視窗ping時隙。如這個示例中，beacon周期為128秒，ping周期為32秒。
5.3 終端節點的加網
搞明白了基礎概念之後，就可以了解節點如何工作了。在正式收發資料之前，終端都必須先加網。
有兩種加網方式：Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(獨立激活方式 ABP)。
商用的LoRaWAN網絡一般都是走OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備 DevEUI，AppEUI，AppKey 這三個參數。
DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，辨別唯一的終端裝置。相當于是裝置的MAC位址。
AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，辨別唯一的應用提供者。比如各家的垃圾桶監測應用、煙霧報警器應用等等，都具有自己的唯一ID。
AppKey 是由應用程式擁有者配置設定給終端。
終端在發起加網join流程後，發出加網指令，NS(網絡伺服器)确認無誤後會給終端做加網回複，配置設定網絡位址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網回複中的相關資訊以及AppKey，産生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對資料進行加密和校驗。
如果是采用第二種加網方式，即ABP激活，則比較簡單粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 這三個LoRaWAN最終通訊的參數，不再需要join流程。在這種情況下，這個裝置是可以直接發應用資料的。
5.4 資料收發
加網之後，應用資料就被加密處理了。
從介紹中可以看到，LoRaWAN設計之初的一大考慮就是要支援應用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應用外，在傳輸時也可以利用 FPort 應用端口來對資料分别處理。FPort 的取值範圍是(1~223)，有應用層來指定。
5.5 ADR 機制
我們知道LoRa調制中有擴頻因子的概念，不同的擴頻因子會有不同的傳輸距離和傳輸速率，且對資料傳輸互不影響。
為了擴大LoRaWAN網絡容量，在協定上了設計一個LoRa速率自适應(Adaptive data rate - ADR)機制，不同傳輸距離的裝置會根據傳輸狀況，盡可能使用最快的資料速率。這樣也使得整體的資料傳輸更有效率。
5.6 MAC指令
針對網絡管理需要，在協定上設計了一系列的MAC指令，來修改網絡相關參數。比如接收視窗的延時，裝置速率等等。在實際應用過程中，一般很少涉及，暫時不管。
6 地區參數
LoRa聯盟官方在協定之外，還釋出了一個配套補充文檔《LoRaWAN 地區參數》，這份文檔描述了全球不同地區的LoRaWAN具體參數。為了避免新區域的加入而導緻文檔的變動，是以将地區參數章節從協定規範中剝離出來。
這份文檔主要講了LoRaWAN在全球各地區的具體實體層參數，不單單是頻段有差別，細化到信道劃分，甚至是資料速率，發射功率，最大資料長度等等都有差別。
為了友善大家了解總體情況，我又做了個表。
其實這個表也可以看出一個好玩的事情，為什麼南韓的參數和亞洲各國其實差不太多，卻單獨拎出來。如果你有記得前文中的董事會成員記錄，就應該知道南韓SK電信在LoRa聯盟中的地位。這麼高的地位搞點小特殊，你說過分麼。
7 LoRaWAN應用示例
好了，介紹完如上的資訊，大家應該對LoRaWAN有了系統的了解。