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        本章針對(duì)LoRa應(yīng)用的一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范展開(kāi)介紹，其中LoRaWAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是重點(diǎn)部分。由于LoRaWAN協(xié)議在一些高速響應(yīng)或節(jié)點(diǎn)間通信應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題，因而出現(xiàn)了一些協(xié)議的更新和創(chuàng)新，其中包括中繼Relay協(xié)議，阿里巴巴推廣的LoRaD2D協(xié)議等。這些協(xié)議都是基于LoRaWAN協(xié)議的創(chuàng)新，都是在兼容原有LoRaWAN協(xié)議的前提下的協(xié)議創(chuàng)新。Yosmart公司開(kāi)發(fā)的YoLink協(xié)議是一個(gè)吸收了LoRaWAN、Dash7等多種協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的智能家居協(xié)議，既具有

LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，又具有智能家居的快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

       LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)通常采用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)關(guān)（Gateway）轉(zhuǎn)發(fā)終端設(shè)備（Enddevices）和后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的消息。網(wǎng)關(guān)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IP連接來(lái)接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而終端則通過(guò)單跳的LoRa或FSK和一 個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。雖然主要傳輸方式是終端上行傳輸給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，但所有的傳輸通常都是雙向的。網(wǎng)關(guān)也被稱作集中器或基站；終端設(shè)備又稱為節(jié)點(diǎn)（Nodes）或傳感器（Sensor）。

 

       終端和網(wǎng)關(guān)間的通信被分散到不同的信道頻點(diǎn)和數(shù)據(jù)速率上。數(shù)據(jù)速率的選擇需要權(quán)衡通信距離和消息時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)因素，使用不同數(shù)據(jù)速率的設(shè)備互不影響。LoRaWAN的數(shù)據(jù)速率范圍可以為0.3～50kb/s。為了最大限度地延長(zhǎng)終端的電池壽命和擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)使用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）機(jī)制來(lái)獨(dú)立管理每個(gè)終端的速率和RF輸出。

       每個(gè)設(shè)備可以在任意可用的信道，任意時(shí)間，使用任意數(shù)據(jù)速率發(fā)送數(shù)據(jù)，只要符合如下規(guī)定。

     （1）跳頻規(guī)定：終端的每次傳輸都使用偽隨機(jī)方式來(lái)改變信道。頻率的多變使得系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

     （2）占空比規(guī)定：終端要遵守相應(yīng)頻段和本地區(qū)的無(wú)線電規(guī)定中的最大發(fā)射占空比要求。例如，歐洲規(guī)范中要求所有的終端設(shè)備最大發(fā)射占空比為1%；又如某終端發(fā)送某數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)射時(shí)長(zhǎng)為1s，則該終端需要等候99s才能進(jìn)行下一次的發(fā)射。

     （3）發(fā)射時(shí)長(zhǎng)規(guī)定：終端要遵守相應(yīng)頻段和本地區(qū)的無(wú)線電規(guī)定中的最大發(fā)射時(shí)長(zhǎng)要求，如中國(guó)規(guī)范要求單次發(fā)射的時(shí)長(zhǎng)不能超過(guò)1s。

     （4）發(fā)射功率規(guī)定：終端要遵守相應(yīng)頻段和本地區(qū)的無(wú)線電規(guī)定中的最大發(fā)射功率要求，如中國(guó)規(guī)范要求E.R.P<50mW。

一、 LoRaWAN類型

      如圖6-1所示，LoRaWAN協(xié)議分為基礎(chǔ)類別ClassA和可選功能類別ClassB、ClassC。

圖6-1LoRaWAN協(xié)議OSI架構(gòu)

 

      （1）ClassA（雙向傳輸終端）：ClassA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(lái)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（屬于隨機(jī)多址ALOHA協(xié)議）。這種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待終端的下一次上行。通常用于低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如水表、氣表、煙感、門磁等多種傳感器。

      （2）ClassB（劃定接收時(shí)隙的雙向傳輸終端）：ClassB的終端會(huì)有更多的接收時(shí)隙。除了ClassA的隨機(jī)接收窗口，ClassB設(shè)備還會(huì)在指定時(shí)間打開(kāi)另外的接收窗口。為了讓終端可以在指定時(shí)間打開(kāi)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）。這使得服務(wù)器可以知道終端何時(shí)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。一般應(yīng)用于下行控制且有低功耗需求的場(chǎng)景，如水閘、氣閘、門鎖等。

      （3）ClassC（最大化接收時(shí)隙的雙向傳輸終端）：ClassC的終端一直打開(kāi)著接收窗口，只在發(fā)送時(shí)短暫關(guān)閉。Class  C的終端會(huì)比ClassA和ClassB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。一般ClassC用于長(zhǎng)帶電的場(chǎng)景，比如電表、路燈等。

       學(xué)習(xí)Class  A/B/C的時(shí)候經(jīng)常忘記其特征，這里的A代表英文單詞“All”，意思就是所有的LoRaWAN終端都必須滿足Class  A的規(guī)定；B代表英文單詞“Beacon”；C代表英文單詞“Continuous”。

二、幀結(jié)構(gòu)

       圖6-2所示為MAC層幀結(jié)構(gòu)。LoRa所有上下行鏈路消息都會(huì)攜帶PHY載荷。PHY載荷以1B的MAC頭（MHDR）開(kāi)始，緊接著是MAC載荷（MACPayload），最后是4B的MAC校驗(yàn)碼（MIC）。

圖6-2     LoRaWANMAC層幀結(jié)構(gòu)