在物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)至關(guān)重要，LoRaWAN 憑借低功耗、廣覆蓋等優(yōu)勢(shì)脫穎而出。接下來(lái)，就帶大家深入了解 LoRaWAN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 LoRaWAN 架構(gòu)基礎(chǔ)

LoRaWAN 是 LoRa 聯(lián)盟制定的基于 LoRa 的低功耗廣域網(wǎng)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能提供低功耗、可擴(kuò)展、安全的長(zhǎng)距離無(wú)線連接。其體系結(jié)構(gòu)主要由終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器組成。

1.1 終端設(shè)備（End Devices）

終端設(shè)備集成 LoRa RF 調(diào)制芯片，多為電池供電，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)，遵循 ALOHA 隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議。根據(jù)應(yīng)用需求，分為三個(gè)類(lèi)別：

1.1.1 Class A

默認(rèn)且功耗最低，通信由設(shè)備發(fā)起，上行后有兩個(gè)短下行窗口，可長(zhǎng)時(shí)間休眠，適合上行需求多、下行不頻繁的場(chǎng)景，如智能電表數(shù)據(jù)采集。

1.1.2 Class B

在 Class A 基礎(chǔ)上，通過(guò)周期性信標(biāo)同步，定時(shí)打開(kāi) "ping 時(shí)隙" 接收下行數(shù)據(jù)，平衡了功耗與下行確定性，適用于遠(yuǎn)程控制類(lèi)應(yīng)用。

1.1.3 Class C

幾乎持續(xù)打開(kāi)接收窗口，僅傳輸時(shí)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)極低延遲，但功耗較高，常用于實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備監(jiān)控。

1.2 網(wǎng)關(guān)（Gateways）

網(wǎng)關(guān)是網(wǎng)絡(luò)的橋梁，借助蜂窩、光纖等多種鏈路連接服務(wù)器，并注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。終端設(shè)備上行消息會(huì)被多個(gè)網(wǎng)關(guān)接收，再轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，經(jīng)去重選優(yōu)保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還能實(shí)現(xiàn)低成本定位。網(wǎng)關(guān)工作在物理層，分室內(nèi)、室外兩種類(lèi)型，室內(nèi)適合建筑內(nèi)部，室外則用于開(kāi)闊區(qū)域和高處。

1.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（Net Server）

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器管理終端設(shè)備與應(yīng)用服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信，負(fù)責(zé)設(shè)備身份驗(yàn)證、消息去重、加密、確認(rèn)及尋址，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)端口接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)編解碼、解密和解析后轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器。

1.4 應(yīng)用服務(wù)器（Application Server）

應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行各類(lèi)應(yīng)用程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)，處理后返回指令。以智能農(nóng)業(yè)為例，可分析土壤數(shù)據(jù)，控制灌溉設(shè)備。

2 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)通信流程

2.1 上行通信

終端設(shè)備按計(jì)劃將采集數(shù)據(jù)以特定 LoRa 物理層格式封裝發(fā)送，網(wǎng)關(guān)接收后整合自身信息，通過(guò) TCP/IP 傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，經(jīng)去重、解密等處理后轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器。

2.2 下行通信

應(yīng)用服務(wù)器生成指令，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器加密后，根據(jù)設(shè)備信息通過(guò)合適網(wǎng)關(guān)發(fā)送，不同類(lèi)型設(shè)備按各自規(guī)則接收。

3 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制

LoRaWAN 采用多層安全方案，終端設(shè)備有 OTAA 和 ABP 兩種激活方式。OTAA 激活時(shí)，設(shè)備通過(guò)特定信息申請(qǐng)入網(wǎng)，服務(wù)器驗(yàn)證后生成會(huì)話密鑰，用于后續(xù)加密和校驗(yàn)；ABP 則將密鑰硬編碼，操作簡(jiǎn)單但靈活性差。此外，幀計(jì)數(shù)器機(jī)制通過(guò)更新計(jì)數(shù)，防止重放攻擊。

4 LoRaWAN 的應(yīng)用場(chǎng)景

LoRaWAN 在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。智能城市中，優(yōu)化交通、控制照明；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)里，監(jiān)測(cè)環(huán)境、控制設(shè)備；環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，實(shí)時(shí)采集各類(lèi)參數(shù)，為決策提供依據(jù)。

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)憑借其精妙設(shè)計(jì)，為物聯(lián)網(wǎng)通信提供可靠保障。隨著技術(shù)發(fā)展，它將在更多場(chǎng)景發(fā)揮價(jià)值，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步普及。