無線通信技術(shù)

按照距離和傳輸速率，可以分為如下圖所示。

STM32WL型號(hào)分布

STM32WL可優(yōu)化項(xiàng)

LORA的前身

LoRa是 由法國公司Cycleo（于2009年作為IP和設(shè)計(jì)解決方案提供商成立）開發(fā)的專利技術(shù)，用于擴(kuò)

頻無線調(diào)制

? 2012年， Cycleo被Semtech（美國）以約500萬美元的價(jià)格收購。

? 2015年Semtech建立了LoRa聯(lián)盟。 包括意法半導(dǎo)體，瑞薩電子，微芯，軟銀，阿里巴巴，亞馬遜，思科，RisingHF，CLAATEK等。

LORA技術(shù)方面

LoRa（Long Range）是Semtech公司的調(diào)制技術(shù)，用于低功耗，廣域網(wǎng)（LPWAN）。

? LoRa是物理層。

? LoRa 基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）通信和工作在免許可證的SubGHz 頻段。

全球LORA工作頻段

可以看見，在中國使用的頻段主要是470~510Mhz

LoRa 和 LoRaWAN區(qū)別

LoRa是物理層，LoRa定義了調(diào)制技術(shù)和頻段，LoRaWAN是上層的一種開關(guān)協(xié)議，定義了mac層。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分成如下五個(gè)部分：

? LoRaWAN節(jié)點(diǎn)

? LoRaWAN網(wǎng)關(guān)

? LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

? LoRaWAN應(yīng)用服務(wù)器

? APP

工作過程是總端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過LoRa無線通信，傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到對應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理，最后在網(wǎng)頁或者APP內(nèi)進(jìn)行顯示。STM32WL系列的產(chǎn)品適合做節(jié)點(diǎn)這樣的一個(gè)角色。

LoRaWAN 安全數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸種，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間會(huì)使用128bit的網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰進(jìn)行加密，檢點(diǎn)和應(yīng)用服務(wù)器之間則會(huì)用128bit的應(yīng)用繪畫密鑰加密， 這樣可以確保節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)不會(huì)被網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行讀取到。

LoRaWAN 節(jié)點(diǎn)定義

節(jié)點(diǎn)的類別主要是有Class A, Class B, Class C。

基于LoRaWAN的終端設(shè)備可能會(huì)根據(jù)其設(shè)備類別以三種模式之一運(yùn)行。

? 所有此類設(shè)備必須支持Class A操作。

? Class B設(shè)備必須同時(shí)支持Class A和Class B模式。

? Class C設(shè)備必須支持Class A。這些操作模式與設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的通信方式有關(guān)。

由下圖也可以得知，Class A, Class B, Class C的功耗種Class A最小，Class C功耗最大。

工作模式

Class A

Class A：所有LoRaWAN終端設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)A類功能。 降低功耗。

雙向傳輸終端（Class A）：ClassA 終端設(shè)備允許雙向通信，Class A 的終端在每次上行后都會(huì)緊跟兩個(gè)短暫的下行接收窗口，以此實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

終端基于自身通信需求來安排傳輸時(shí)隙，在隨機(jī)時(shí)間的基礎(chǔ)上具有較小的變化（即 ALOHA 協(xié)議）。Class A 操作為應(yīng)用提供了最低功耗的終端系統(tǒng)，只要求應(yīng)用在終端上行傳輸后的很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行服務(wù)器的下行傳輸，服務(wù)器在其他任何時(shí)間進(jìn)行的下行傳輸都需要等終端的下一次上行。

Class B

Class B：Class B設(shè)備必須同時(shí)支持Class A和Class B模式。

劃定接收時(shí)隙的雙向傳輸終端（Class B）：Class B 的終端有更多的接收時(shí)隙。除了 Class A 的隨機(jī)接收窗口，Class B 設(shè)備還會(huì)在指定時(shí)間打開其他的接收窗口。為了讓終端可以在指定時(shí)間打開接收窗口，終端需要從網(wǎng)關(guān)接收時(shí)間同步的信標(biāo)（Beacon），使服務(wù)器知曉終端何時(shí)處于監(jiān)聽狀態(tài)。

Class C

Class C：Class C始終處于“打開”狀態(tài)； 也就是說，它們不依賴電池電量。 低延遲，多功耗。

最大化接收時(shí)隙的雙向傳輸終端（Class C）：Class C 的終端基本處于一直打開接收窗口的狀態(tài)，只在發(fā)送時(shí)短暫關(guān)閉。Class C 的終端會(huì)比 Class A 和 Class B 更加耗電，但同時(shí)從服務(wù)器下發(fā)給終端的時(shí)延也是最短的。

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)在LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中主要是做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或者將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)。

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包含節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及應(yīng)用APP。

LoRaWAN 節(jié)點(diǎn)激活方法

LoRaWAN 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)或者激活主要又兩種方式，分別是Over-the-Air Activation(OTAA)和Activation By Personalization (ABP)。

Over-the-Air Activation(OTAA)

空中激活 OTAA 是目前推薦的連接方式，安全性更高，通過網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行入網(wǎng)的過程，動(dòng)態(tài)地生產(chǎn)會(huì)話密鑰及 DevAddr。

? 基于全局唯一標(biāo)識(shí)符

? 空中消息握手

? 設(shè)備制造商自動(dòng)生成基本的配置參數(shù)

? 可以定期更新安全密鑰（會(huì)話密鑰和派生密鑰）

? 設(shè)備可以存儲(chǔ)多個(gè)“身份”，以在其生命周期內(nèi)動(dòng)態(tài)安全地切換網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營商

? 提供高級的防篡改安全選項(xiàng)

Activation By Personalization (ABP)

本地激活 ABP 接入網(wǎng)絡(luò)的方式更為簡單直接，無需入網(wǎng)流程，通過本地預(yù)存的會(huì)話密鑰進(jìn)行加解密，但存在一些安全性的問題如重放攻擊，因此不推薦使用。

? 生產(chǎn)時(shí)存儲(chǔ)共享密鑰

? 鎖定到特定網(wǎng)絡(luò)

? 簡化的（不太安全）的激活過程

? 在制造時(shí)對ID和密鑰進(jìn)行了個(gè)性化設(shè)置

? 上電后，設(shè)備立即開始工作； 跳過加入程序

? 設(shè)備綁定到特定的網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)； NetID是設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址的一部分

OTAA的入網(wǎng)參數(shù)

ABP的入網(wǎng)參數(shù)

OTAA: 入網(wǎng)請求

在軟件上配置好節(jié)點(diǎn)參數(shù)后，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上注冊節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要把對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的OTAA的入網(wǎng)參數(shù)填入到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，然后節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)送入網(wǎng)請求 ，通過網(wǎng)關(guān)請求包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，入網(wǎng)請求數(shù)據(jù)包內(nèi)就包含了AppEUI和DevEUI等闡述的信息

OTAA: 入網(wǎng)接收

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收到網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化的入網(wǎng)請求數(shù)據(jù)包之后，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包的參數(shù)來判斷是否是已經(jīng)注冊的節(jié)點(diǎn)，如果是則會(huì)接受申請，并且會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包會(huì)包含后面用于派生數(shù)據(jù)通訊密鑰的信息。

OTAA: 會(huì)話密鑰

在完成入網(wǎng)通訊后，節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器會(huì)根據(jù)入網(wǎng)申請和入網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)包交換參數(shù)，派生出網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰(Networks Session Keys)和應(yīng)用會(huì)話密鑰(Application Session Keys)用于后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸加密。

OTAA:安全傳輸

節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的通信是用安全的網(wǎng)絡(luò)連接使用派生的網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰 （Secure network connection using derived Network Session Keys）進(jìn)行加密，而節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用服務(wù)器之間的通信是用應(yīng)用程序會(huì)話密鑰 （Application lever end-to end encryptionusing derived Application Session Keys）進(jìn)行加密。

所以網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器沒有辦法讀取到節(jié)點(diǎn)到應(yīng)用服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗麄兪褂玫氖遣煌拿荑€，這也可以保證網(wǎng)關(guān)或者網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器受到攻擊時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳輸給應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)不會(huì)被破解。

LoRaWAN 安全密鑰派生圖

下圖列出了LoRaWAN 安全密鑰派過程，可以看到AppKey或者NwkSKey在結(jié)合不同的AES算法之后，可用于不同數(shù)據(jù)包的加密，比如入網(wǎng)申請和接受的數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿荑€是不一樣的。

OTAA: 工作流程

最開始是入網(wǎng)，然后是節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接，這個(gè)步驟會(huì)產(chǎn)生加密數(shù)據(jù)的密鑰，接著是數(shù)據(jù)的傳輸，可能是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的更新或者是系統(tǒng)時(shí)間的同步。

LoRaWAN數(shù)據(jù)包格式

LoRaWAN MAC指令

對于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)管理，可以在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和終端設(shè)備上的MAC層之間專門交換一組MAC命令。 MAC層命令對于應(yīng)用程序或應(yīng)用程序服務(wù)器或在終端設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序永遠(yuǎn)是不可見的。

? 單個(gè)數(shù)據(jù)幀可以包含任何MAC命令序列，它們可以commands帶在FOpts字段中，或者作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，可以在FRMPayload字段中將FPort字段設(shè)置為0。

? MAC命令始終以加密方式發(fā)送，并且不得超過15個(gè)八位位組.

? 作為FRMPayload發(fā)送的MAC命令始終被加密，并且不得超過最大FRMPayload長度.

發(fā)送MAC指令的兩種方法：

? 在FOpts字段中附帶的MAC命令

? MAC命令作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，在FRMPayload字段

中將FPort字段設(shè)置為0

下面是lorawan的mac指令。主要分為兩類，一類是節(jié)點(diǎn)發(fā)給服務(wù)器的，另一類是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)給節(jié)點(diǎn)的，一般而言總端節(jié)點(diǎn)只會(huì)應(yīng)答一次接收到了mac指令，如果網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器沒有接收到回應(yīng)，只能再發(fā)一次。

審核編輯：湯梓紅