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，既有无线通信或移动通讯技术之传输讯号到达不易，针对上述应用，发展出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、长距离和超大连接的优势，因此适用于需要广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的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

　　如下是LoRa的网络架构图：

　　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。

　　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，郊区较长可达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，功耗较低，应用在水表和气表中;Class C为持续传输数据，传输延迟时间较短，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。

　　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，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 这三个LoRaWAN较终通讯的参数，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。

　　4、数据收发

　　入网之后，应用数据就被加密处理了。

　　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，尽可能使用较快的数据速率。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、网关和模组的技术指标

　　1、网关

　　2、Lorawan模组

　　六、实测数据

　　1、拉距测试

　　在距测试天线直线距离3.7KM处，信号强度-94，信噪比 -6.0 ，内置天线和外置天线数据包正常。

　　2、楼宇内穿透测试：网关安装在黄金口滨江花园1期4栋15楼表井内

　　上表数据中，信号强度在-100dbm以上(远大于模块的接收灵敏度极限-139dbm)，信噪比在-10以上可以实现双向可靠通信，因此把网关放在15楼，就可以实现对整栋32层楼的信号覆盖。

　　3、数据上传成功率测试

　　测试条件：120只电表，一个网关(8通道半双工)

　　从以上测试数据可以看出，120只表在3分钟以内可以完成数据的上传，平均成功率在99%以上。

　　结论：

　　1、市内采用内置天线可以保证2-3km内正常通信，采用外置天线可以达到更远的距离。

　　2、可以穿透10-15层楼。

　　3、用一个8通道半双工网关带120台表,3分钟内完成数据可靠传输,再16通道半双工网关可以实现大于200台电表数据可靠传输。

　　LoRaWAN技术能够有效实现水电气表信息的采集。

针对这个我们推出了系列LoRaWAN产品：

序号	名称	型号	产品图片
1	单相通信模块	RDK-LoRaWAN型DWA
2	三相通信模块	RDK- LoRaWAN型SWA
3	单相电子式电能表	DDS155型BR
4	三相电子式电能表	DTS150型FBR
5	单相负载识别智能表(一进三出)	DDZY150-M型M3/R
6	单相智能表	DDZY150-M型R
7	三相智能表	DTZY150-M型R
8	单相智能电能监测仪(2P导轨)	DDS155型G2BR
9	智能插座	RDK-iSP10型BR
10	采集器(RS485-> LoRaWAN )	DCRL12-RDK150型G2AY
11	智能水表	智能水表