随着物联网的逐步发展，许多物联网应用数据封包小、对于延迟容忍程度较大，需要广范围布建，或是地处偏远、位于地下室、地底等屏蔽较严重的地点，现有的无线通信或移动通讯技术之传输讯号到达不易。针对上述情况而发展出的具备长距离低功耗的通讯技术，统称为低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。

LPWAN由于具有低功耗、长距离和超大连接数的优势，因此适用于需要大范围布建且传输数据量小的应用领域，这一特点非常符合智能电能表信息采集的应用需求。LPWAN依使用频段可分为授权频段与非授频段权两大阵营，非授权频段LPWAN技术发展较早，主要技术为 LoRaWAN。

一、LoRaWAN简介

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。它定义了数据在LoRaWAN网络里是怎样传输的(这里的网络指的是节点、网关和服务器)，定义了消息的类型，数据帧结构和安全加密方法，并且介绍了入网的具体操作，说明了主从机之间的区别。

LoRaWAN在协议和网络架构的设计上，充分考虑了节点功耗，网络容量，安全性和网络应用多样性等几个因素。

二、LoRaWAN网络架构

一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、网关、网络服务器(NetworkServer)、应用服务器这四个部分。网关和终端之间采用星型和蜂窝网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。终端节点可以同时发给多个网关，网关则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别通过LoRa射频传输在终端和网关之间，通过TCP/IP协议传输在网关和网络服务器之间。

三、LoRaWAN协议概述

1、终端节点的分类

在技术规格方面，LoRaWAN传输速率约在30bit/s-50kbit/s之间，传输距离在市区约2~5公里，郊区最 长可达15公里，支持双向传输，传输方式依据延迟要求与功耗大小可分为Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三种等级，其中Class A方式只有当终端装置发送要求时才会进行传输，功耗最 低，应用在水表和气表中；Class C为持续传输数据，传输延迟时间最 短，在电表中一般使用Class C。

2、终端节点的上下行传输

这是Class A 上下行的时序图，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒开始，接收窗口RX2是在上行后2秒开始。

Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期间，它都打开了接收窗口RX2。

 

3、终端节点的加网

终端入网有两种加网方式：Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(独立激活方式 ABP)。

商用的LoRaWAN网络一般都是走OTAA激活流程，这样安全性才能得以保证。此种方式需要准备 DevEUI，AppEUI，AppKey 这三个参数。

DevEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯 一ID，标识唯 一的终端设备。相当于是设备的MAC地址。

AppEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯 一ID，标识唯 一的应用提供者。

AppKey 是由应用程序拥有者分配给终端，需要配置在网络服务器上，同时烧写在对应终端上。

终端在发起加网（join)流程后，发出加网命令，NS(网络服务器)确认无误后会给终端做加网回复，分配网络地址 DevAddr(32位ID)，双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey，产生会话密钥NwkSKey和AppSKey，用来对数据进行加密和校验。其中，NwkSKey保存在网络服务器上，用于网络服务器和终端的通信；AppSKey保存在应用服务器，用于和网络服务器的通信。

如果是采用第二种加网方式，即ABP激活，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。这种情况由于缺少双向认证，是有可能导致非法终端接入网络或终端被伪基站诱导的。因此一般情况下商用项目都使用OTAA激活流程。

4、数据收发

入网之后，应用数据使用AES128位加密算法进行加密。下图是通信过程中各个部分的安全机制示意图：

网络服务器和终端节点使用MIC校验来保证正确性。MIC校验使用AES-CMAC算法，将帧计数（防止重发攻击）、NwkSKey (防止包篡改)也纳入计算要素，使用AppSKey加密加密用户数据（如下图所示）

MIC校验

 

LoRaWAN规定数据帧类型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 两种，即 需要应答 和不需要应答类型。厂商可以根据应用需要选择合适的类型。

另外，从介绍中可以看到，LoRaWAN设计之初的一大考虑就是要支持应用多样性。除了利用 AppEUI 来划分应用外，在传输时也可以利用 FPort 应用端口来对数据分别处理。FPort 的取值范围是(1~223)，由应用层来指定。

5、ADR机制

LoRa调制中有扩频因子，不同的扩频因子会有不同的传输距离和传输速率，且对数据传输互不影响。

为了扩大LoRaWAN网络容量，在协议上了设计一个LoRa速率自适应(Adaptive data rate - ADR)机制，不同传输距离的设备会根据传输状况，尽可能使用最 快的数据速率。这样也使得整体的数据传输更有效率。

四、LORAWAN特点

LoRaWAN具有无线传输、抗干扰能力强、加密通信、广覆盖、低功耗、大连接、低成本的特点。

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倍蜂窝技术的通信距离。

大容量：物联网的节点特别多，一个LoRaWAN网络能轻松连接上万节点。

轻松扩容：当一个LoRaWAN网络需要增加容量时，通过增加网关即可。

安全：LoRaWAN是双重加密的物联网。适合在水电气表的信息采用应用中。

五、网关和模组

六、实测数据

结论

（1）市内采用内置天线可以保证2-3km内正常通信，采用外置定向天线可达到更远的距离。

（2）信号可以穿透10-15层楼高度。

（3）使用1个8通道半双工的网关即可保障120台表在3分钟内完成数据的可靠传输。如果使用16通道半双工的网关，可以实现超过200台表的数据可靠传输。