应用领域：通信广电

方案类型：创意方案

主控芯片：SX1301

方案概述

【方案特性】

*标准LoRaWAN协议；

*工作频率范围 410-510M，862-1020MHz(定制) ；

*发射功率 5-23dBm；

*接收灵敏度 -142dBm@292bps；

*空中传输速率 292bps-5.4Kbps；

*供电方式 DC 12V；

*上行信道 Ethernet；

*谐波指标 ≤1GHz：<-36dBm； ＞1GHz：< -30dBm；

*工作湿度 10%～90%；

*工作温度 -45℃~85℃；

*基本版8频点，最高支持16频点和98信道；

【方案外观】

【应用领域】

*无线智能水、气、电、热计量仪表；

*交通灯、地磁、智能路灯、消防报警器、温湿毒烟监测仪；

*农业灌溉装置、水利水文气象监测仪，畜牧养殖监测；

*工厂控制装置、智能楼宇和能效监控装置；

*弱势群体、贵重物品、宠物的跟踪和定位；

*景区和文物保护、应急通信装置；

【典型应用场景】

*居民公用设施，电水气热和空气质量监测；

*城市基础设施，管网监控；

*智能交通管理；

*工业园区厂房仓储和智能楼宇能效管控；

*农业养殖和户外监测；

*人员和物品定位；

【技术支持服务】

*LoRaWANGatewayConfiger评估工具，可视化操作；

*LoRaWAN研发工具套装 ，包括Server，Gateway和Node；

*LoRaWAN应用板，带参考设计，GPS，温度气压传感器；

*测试入门（Q&A）；

LoRaWAN介绍13 SX1301

如果说LoRaWAN是闪电战，那么SX1301就是坦克，前者是建立在后者的基础上。SX1301是基于LoRa调制的基带芯片，它的目标是为广域范围的众多无线节点提供健壮的星型基站。

SX1301有一些关键的技术特征：高达-142.5dBm的接收灵敏度、49个LoRa“虚拟”通道和ADR技术。

1 整体结构

如下图所示，SX1301一般外接2片SX1257（或SX1255）。SX125x是射频前端芯片，它负责将I/Q（In-phase / Quadrature，同相正交数字信号）转换成无线电模拟信号。

仔细查看SX1301的结构图，它是由2个MCU和ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路）的综合体。主要部件包括：

射频MCU：该MCU通过SPI总线连接2片SX125x，主要负责实时自动增益控制、射频校准和收发切换。

数据包MCU：该MCU负责分配8个LoRa调制解调器给多个通道，它仲裁数据包的机制包括速率、通道、射频和信号强度。

IF0~IF7的LoRa通道：它们的带宽固定为125kHz，每个通道可以设置中心频率，每个通道可以接收SF7~SF12共6种速率的LoRa信号。

IF8通道：带宽支持125 / 250 / 500kHz，希望用于网关之间的高速通信。

IF9通道：收发(G)FSK信号，LoRaWAN在欧洲地区使用了该通道。

2 实现ADR技术

ADR（Adaptive Data Rate，速率自适应）是LoRaWAN核心优势，它的原理是：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。

其实，ADR是SX1301的“贡献”。

如下图所示，SX1301的IF0~IF7的8通道，它们设置了8个中心频率，但每一个通道都能接收SF7~SF12共6种速率的LoRa信号。这样一来，一个End Node可以根据信号强度，自由选择SF（即速率）来发送数据。

它至少具备3个优势：

End Node可以切换到8个频率中任意一种，有效降低同频干扰；

End Node可以使用6种速率中任意一种，Gateway不用记录它的速率，简单化；

Gateway可以实现天线分集，有效改善移动End Node的多径衰退；

特别注意：8个通道最多同时解调8个LoRa数据包，因为“前导码搜索引擎”和“解调引擎”是分离的，同时解调引擎为8个单元。

3 多通道频谱

2片SX125x和共10个通道，都可以灵活配置频率。一起看上图的实例：

射频前端A配置中心频率=867.0MHz

射频前端B配置中心频率=868.4MHz

10通道频率配置如下表所示

4 控制接口

SX1301依赖microcode（微代码）来运行，上电后MCU负责发送microcode给SX1301，semtech提供该microcode的二进制文件。MCU和SX1301的通信总线是SPI。

考虑多种射频通道和收发设备（如：SX1257或SX1255）和不同的硬件实现方式（如：1个SX1301或8个SX1301），为简化设计和方便移植，组织了HAL（Hardware AbstractionLayer，硬件抽象层）接口。

5 电气与资源

LoRaWAN是什么

按照LoRa联盟官方白皮书《what is LoRaWAN》的介绍，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。

LoRaWAN defines the communication protocol and system architecture for the network while the LoRa physical layer enables the long-range communication link.

另外官方提供了这张略偏技术的协议层次图，各位看官大体感受下。

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，QoS，安全性和网络应用多样性等几个因素。经过接下来的这些内容，将会对开头这段介绍有更深刻的体会。

LoRaWAN 网络架构

在前面部分了解了LoRaWAN很火之后，我们具体从技术角度做些了解。如下是LoRa联盟官方白皮书中的网络架构图。

可以看到一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用，有个细节，你会发现终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。

下面结合下行业生态再来看下这个网络架构，大家可以有更深的认知。图来自ST的LoRa白皮书《IoT connectivity made easier STM32 MCUs & LoRa》。

协议概述

 终端节点的分类

在开头的介绍中我们就看到有协议中有规定 Class A/B/C 三类终端设备，这三类设备基本覆盖了物联网所有的应用场景。

为了方便大家，我又做了个表。

终端节点的上下行传输

下面来点时序图，让大家有更深的感受。

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。

Class B 的时隙则复杂一些，它有一个同步时隙beacon，还有一个固定周期的接收窗口ping时隙。如这个示例中，beacon周期为128秒，ping周期为32秒。

终端节点的加网

搞明白了基础概念之后，就可以了解节点如何工作了。在正式收发数据之前，终端都必须先加网。

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。比如各家的垃圾桶监测应用、烟雾报警器应用等等，都具有自己的唯一ID。

AppKey 是由应用程序拥有者分配给终端。

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。

如果是采用第二种加网方式，即ABP激活，则比较简单粗暴，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。

数据收发

加网之后，应用数据就被加密处理了。

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)，有应用层来指定。

ADR 机制

我们知道LoRa调制中有扩频因子的概念，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。

MAC命令

针对网络管理需要，在协议上设计了一系列的MAC命令，来修改网络相关参数。比如接收窗口的延时，设备速率等等。在实际应用过程中，一般很少涉及，暂时不管。

地区参数

LoRa联盟官方在协议之外，还发布了一个配套补充文档《LoRaWAN 地区参数》，这份文档描述了全球不同地区的LoRaWAN具体参数。为了避免新区域的加入而导致文档的变动，因此将地区参数章节从协议规范中剥离出来。

这份文档主要讲了LoRaWAN在全球各地区的具体物理层参数，不单单是频段有区别，细化到信道划分，甚至是数据速率，发射功率，最大数据长度等等都有区别。

为了方便大家了解总体情况，我又做了个表。

其实这个表也可以看出一个好玩的事情，为什么韩国的参数和亚洲各国其实差不太多，却单独拎出来。如果你有记得前文中的董事会成员记录，就应该知道韩国SK电信在LoRa联盟中的地位。