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        本章針對LoRa應(yīng)用的一些標準和規(guī)范展開介紹，其中LoRaWAN協(xié)議標準是重點部分。由于LoRaWAN協(xié)議在一些高速響應(yīng)或節(jié)點間通信應(yīng)用中仍然存在一些問題，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公司開發(fā)的YoLink協(xié)議是一個吸收了LoRaWAN、Dash7等多種協(xié)議優(yōu)點的智能家居協(xié)議，既具有

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

       LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)通常采用星狀拓撲結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)關(guān)（Gateway）轉(zhuǎn)發(fā)終端設(shè)備（Enddevices）和后臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的消息。網(wǎng)關(guān)通過標準IP連接來接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而終端則通過單跳的LoRa或FSK和一 個或多個網(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（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長兩個因素，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終端的電池壽命和擴大網(wǎng)絡(luò)容量，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)使用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率（ADR）機制來獨立管理每個終端的速率和RF輸出。

       每個設(shè)備可以在任意可用的信道，任意時間，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方式來改變信道。頻率的多變使得系統(tǒng)具有更強的抗干擾能力。

     （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)時的發(fā)射時長為1s，則該終端需要等候99s才能進行下一次的發(fā)射。

     （3）發(fā)射時長規(guī)定：終端要遵守相應(yīng)頻段和本地區(qū)的無線電規(guī)定中的最大發(fā)射時長要求，如中國規(guī)范要求單次發(fā)射的時長不能超過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)的無線電規(guī)定中的最大發(fā)射功率要求，如中國規(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緊跟兩個短暫的下行接收窗口，以此實現(xiàn)雙向傳輸。終端基于自身通信需求來安排傳輸時隙，在隨機時間的基礎(chǔ)上具有較小的變化（屬于隨機多址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間內(nèi)進行服務(wù)器的下行傳輸。服務(wù)器在其他任何時間進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（劃定接收時隙的雙向傳輸終端）：ClassB的終端會有更多的接收時隙。除了ClassA的隨機接收窗口，ClassB設(shè)備還會在指定時間打開另外的接收窗口。為了讓終端可以在指定時間打開接收窗口，終端需要從網(wǎng)關(guān)接收時間同步的信標（Beacon）。這使得服務(wù)器可以知道終端何時處于監(jiān)聽狀態(tài)。一般應(yīng)用于下行控制且有低功耗需求的場景，如水閘、氣閘、門鎖等。

      （3）ClassC（最大化接收時隙的雙向傳輸終端）：ClassC的終端一直打開著接收窗口，只在發(fā)送時短暫關(guān)閉。Class  C的終端會比ClassA和ClassB更加耗電，但同時從服務(wù)器下發(fā)給終端的時延也是最短的。一般ClassC用于長帶電的場景，比如電表、路燈等。

       學習Class  A/B/C的時候經(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攜帶PHY載荷。PHY載荷以1B的MAC頭（MHDR）開始，緊接著是MAC載荷（MACPayload），最后是4B的MAC校驗碼（MIC）。

圖6-2     LoRaWANMAC層幀結(jié)構(gòu)