【導(dǎo)讀】LoRaWAN是在具有廣域、遠(yuǎn)距離、低速、低耗電量等特點(diǎn)的LPWA（Low Power Wide Area）無線通信中，利用不需要無線局許可證的非授權(quán)頻段（Sub-GHz頻帶）的規(guī)格。LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA，由非營(yíng)利組織LoRa Alliance制定，并經(jīng)國(guó)際電信聯(lián)盟[ITU]批準(zhǔn)后于2021年12月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
1. 什么是LoRaWAN？
LoRaWAN是在具有廣域、遠(yuǎn)距離、低速、低耗電量等特點(diǎn)的LPWA（Low Power Wide Area）無線通信中，利用不需要無線局許可證的非授權(quán)頻段（Sub-GHz頻帶）的規(guī)格。LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA，由非營(yíng)利組織LoRa Alliance制定，并經(jīng)國(guó)際電信聯(lián)盟[ITU]批準(zhǔn)后于2021年12月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
LoRaWAN是一種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它通過將一臺(tái)或少數(shù)網(wǎng)關(guān)與配備多個(gè)LoRaWAN模塊的終端設(shè)備連接來使用。此處的終端設(shè)備是指控制終端應(yīng)用（例如，普通照明和攝像頭等的傳感器）的通信終端。
LoRaWAN不需要運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)，允許用戶在自己的公司構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，由于其不受用途和業(yè)務(wù)規(guī)模的限制，易于引入，所以用戶數(shù)量逐年增加。
1.1 LoRaWAN與蜂窩LPWA
LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標(biāo)準(zhǔn)，同與運(yùn)營(yíng)商簽訂合同后使用線路的蜂窩LPWA相比，它可以降低運(yùn)營(yíng)成本。此外，也不需要考慮其使用場(chǎng)所能否與運(yùn)營(yíng)商的基站進(jìn)行穩(wěn)定的通信。
而且，由于它也可構(gòu)建公司自己完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此可以實(shí)現(xiàn)私密且安全的無線通信環(huán)境，不需要通過外部公司的線路。
關(guān)于蜂窩LPWA與非蜂窩LPWA的規(guī)格比較，請(qǐng)參考前文：什么是LPWA（Low Power Wide Area）無線通信 - 基礎(chǔ)篇。
1.2 LoRaWAN的主要用途
主要用途有生活基礎(chǔ)設(shè)施中的智能儀表、智能城市、智能建筑、公共交通智能化、制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化、基于物流貨物和人員的位置信息的跟蹤、環(huán)境傳感、智能農(nóng)業(yè)等。與蜂窩LPWA不同，它不受運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)區(qū)域限制，并且可以以相對(duì)較低的成本進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，因此作為一種適用于多種領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)和M2M的無線通信方式在全球范圍內(nèi)受到的關(guān)注程度越來越高。
我們將在本文的“后篇”介紹一些使用LoRaWAN的事例（敬請(qǐng)期待?。?/p>
2. LoRaWAN的通信協(xié)議棧
在許多情況下，通過查看已實(shí)現(xiàn)的通信協(xié)議?？梢粤私庠撏ㄐ欧椒ǖ奶卣?。
無論是無線還是有線，電氣通信都是通過按照通信協(xié)議來發(fā)揮作用的。關(guān)于什么是通信協(xié)議，請(qǐng)參考前文：無線通信的基礎(chǔ)知識(shí)-無線機(jī)制。
下表給出了LoRaWAN模型和OSI參考模型中通信協(xié)議棧各層的作用和對(duì)應(yīng)關(guān)系。OSI參考模型是協(xié)議棧的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)模型。目前，該模型的協(xié)議棧并未被原封不動(dòng)地使用，但它是一個(gè)參考模型，是協(xié)議棧的基礎(chǔ)，因此經(jīng)常被用來與設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的多種協(xié)議進(jìn)行比較。
表：OSI參考模型和各層的作用、LoRaWAN模型
從上表可以看出，LoRaWAN模型的棧有3層，而互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議——TCP/IP模型有4層，因此，LoRaWAN模型的協(xié)議構(gòu)成更簡(jiǎn)單。這使協(xié)議更新更加容易并有助于縮短響應(yīng)時(shí)間。
下圖顯示了LoRaWAN的通信協(xié)議棧。在此，我們將對(duì)LoRaWAN的協(xié)議棧以及LoRa和LoRaWAN各自在協(xié)議中的含義和作用等進(jìn)行說明。
LoRaWAN的通信協(xié)議棧
2.1 什么是LoRa(物理層)？
位于上圖底部物理層的LoRa是Long Range（遠(yuǎn)距離）的縮寫，指的是由美國(guó)的SEMTECH公司基于頻譜擴(kuò)散的一種——CSS（Chirp Spread Spectrum）開發(fā)的無線調(diào)制方式。
此外，LoRa的ISM頻段如下表所示是按國(guó)家和地區(qū)分別設(shè)定的。( ISM頻段是由國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）制定、不需要許可證即可在工業(yè)（Industry）、科學(xué)（Science）和醫(yī)療（Medicine）等領(lǐng)域使用的頻帶。ISM頻段當(dāng)中有全球通用的和按區(qū)域（國(guó)家和地區(qū)）劃分的ISM頻帶，LoRa被設(shè)定為后者。)
表：按區(qū)域（部分）劃分的LoRa頻帶
2.2 什么是LoRaWAN(MAC層)？
MAC是Media Access Control的縮寫，中文也稱為媒體訪問控制，它在分層通信協(xié)議中除了定義和分配識(shí)別設(shè)備的MAC地址之外，還對(duì)控制信號(hào)發(fā)送時(shí)間段、分割發(fā)送數(shù)據(jù)、組裝（發(fā)送）和分解（接收）添加目的地地址等控制數(shù)據(jù)后的幀、錯(cuò)誤檢測(cè)等規(guī)定了方法。
MAC層的LoRaWAN是非蜂窩LPWA的標(biāo)準(zhǔn)名稱，同時(shí)也指LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議（通信中的約定）。 在LoRaWAN中，終端設(shè)備沒有IP，而是使用MAC（設(shè)備ID）連接到網(wǎng)關(guān)并進(jìn)行無線通信。
此外，MAC選項(xiàng)有Class A / Class B / Class C，它們?cè)诮K端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的雙向通信中具有不同的上行和下行通信方案和間隔，與耗電量相關(guān)的設(shè)備側(cè)接收槽的打開/關(guān)閉動(dòng)作等也不一樣。
3. 構(gòu)建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)
構(gòu)建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，該如何配置LPWA設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等？
LoRaWAN是一種非蜂窩LPWA標(biāo)準(zhǔn)，因此它不像蜂窩LPWA設(shè)備的無線通信那樣使用運(yùn)營(yíng)商的基站和通信網(wǎng)。
在LoRaWAN中，數(shù)據(jù)通信在終端設(shè)備（配備了LoRaWAN模塊的傳感器等）與支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)之間以無線方式進(jìn)行。數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)酵ㄐ艆f(xié)議與LoRaWAN不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等。
下面，我們將介紹使用LoRaWAN構(gòu)建的主要網(wǎng)絡(luò)事例。
3.1 自制LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)
非蜂窩LPWA不需要無線局許可證，因此也可以通過公司自己準(zhǔn)備配備了LoRaWAN模塊的終端設(shè)備，再加上支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等來構(gòu)建系統(tǒng)。
自建自營(yíng)的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建事例
如上圖所示，其優(yōu)點(diǎn)是可以通過公司自己構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)整個(gè)環(huán)境來使用私密且安全的無線解決方案。此外，各服務(wù)器可以部署在本地（公司內(nèi)部環(huán)境），也可以利用公司簽約的云服務(wù)器。
3.2 利用運(yùn)營(yíng)商的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)
在只使用一段時(shí)間或者公司內(nèi)部沒有與SI和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的人才等不適合由公司自己構(gòu)建LoRaWAN環(huán)境時(shí)，也可以利用銷售或出租的支持LoRaWAN通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)，或利用提供云服務(wù)等的運(yùn)營(yíng)商。
利用運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建事例
如上圖所示，在某些情況下，支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及某些情況下的應(yīng)用服務(wù)器也是在與運(yùn)營(yíng)商簽訂付費(fèi)合同后使用的。服務(wù)內(nèi)容因運(yùn)營(yíng)商而異，但可以將網(wǎng)關(guān)的引入和服務(wù)器維護(hù)等全部委托給運(yùn)營(yíng)商可以說是其優(yōu)點(diǎn)之一。
此外，支持LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)能與多臺(tái)設(shè)備連接和通信，網(wǎng)關(guān)可專門供簽約用戶使用，也可通過由多個(gè)簽約用戶共用來降低使用費(fèi)用。
此外，除了網(wǎng)關(guān)之外，一般都會(huì)提供云服務(wù)。如果簽訂網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器合同，將按月收取費(fèi)用。然而，與因使用手機(jī)通信網(wǎng)而需要與運(yùn)營(yíng)商簽訂合同的蜂窩LPWA相比，一般認(rèn)為非蜂窩LPWA式LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)營(yíng)商等收取的服務(wù)費(fèi)更低。
預(yù)告
我們將在“LoRaWAN（非蜂窩LPWA）入門 - 事例篇”介紹具體的物聯(lián)網(wǎng)使用事例，比如：
使用LoRaWAN的物聯(lián)網(wǎng)解決方案事例：防災(zāi)系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)、智能儀表等；
使用LoRaWAN的太陽能發(fā)電設(shè)施的智能化。
以及村田制作所的LoRaWAN模塊的特點(diǎn)和產(chǎn)品陣容。
文章來源：Murata村田中國(guó)
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