无线接入技术
目錄
一、無線網絡接入技術
二、WiFi技術
三、藍牙技術
四、ZigBee技術
五、NB-IOT技術
六、LoRa/LoRaWAN技術
七、 Link WAN平臺
一、無線網絡接入技術
1.概念：通過無線介質將用戶終端與網絡節點連接起來，以實現用戶與網絡間的信息傳遞。
2.類型：WiFi，ZigBee，LoRa
3.組成：無線網絡用戶、基站、無線連接、自組網
4.特點：
?信號強度衰減--無線信號能量隨著傳輸距離增長而減弱。
?非視線傳輸---若發送者與接收者之間的路徑部分被阻擋，則稱其為非視線傳輸。無線信號可能會被阻擋物吸收或迅速衰減。
?信號干擾---相同無線頻段的信號會相互干擾，例如2.4GHz。外部環境的電磁噪聲，例如微波爐、汽車、高壓電線。
?多徑傳播---無線信號由于阻擋物的反射和折射，到達接收端的時間可能略微不同。
?隱藏終端（Hidden Terminal）問題
????????????????C，B之間可通訊
????????????????A，C之間不可通訊
????????????????A，C可能同時向B傳輸且意識不到彼此之間的干擾
?
二、WiFi技術
1.概念：WiFi是一個國際無線局域網（WLAN）標準，全稱為Wireless Fidelity，又稱IEEE802.11b標準。WiFi最早是基于IEEE802.11協議，發表于1997年，定義了WLAN的MAC層和物理層標準。繼802.11協議之后，相繼有眾多版本被推出，最典型的是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、 ?IEEE802.11n、802.11ac 、802.11ax
| IEEE 802.11協議 | 發布時間 | 頻寬 （GHz） | 最大帶寬（Mbps） | 調制模式 |
| IEEE 802.11-1997 | 1997.6 | 2.4~2.485 | 2 | DSSS (直接序列擴頻) |
| IEEE 802.11a | 1999.9 | 5.1~5.8 | 54 | OFDM (正交頻分復用技術) |
| IEEE 802.11b | 1999.9 | 2.4~2.485 | 11 | DSSS |
| IEEE 802.11g | 2003.6 | 2.4~2.485 | 54 | DSSS或OFDM |
| IEEE 802.11n | 2009.10 | 2.4~2.485或5.1~5.8 | 100 | OFDM |
| IEEE 802.11ac | 2014.1 | 5.1~5.8 | 866.7 | OFDM |
2.系統組成
1)? 網絡拓撲結構
基礎網---基于AP（無線接入點）組建的基礎無線網絡
自組網---僅由兩個及以上STA組成，網絡中不存在AP
?2）協議架構
?3.WiFi信道
?2.4GHz頻段由于使用ISM頻段，干擾較多。
?目前很多WiFi設備開始使用5.8GHz附近（5.725~5.850GHz）的頻帶，可用帶寬為125MHz。
?該頻段共劃分為5個信道，每個信道寬度為20MHz，每個信道與相鄰信道都不發生重疊，因而干擾較小。
?缺點：5.8GHz頻率較高，在空間傳輸時衰減較為嚴重。如果距離稍遠，性能會嚴重降低。
常用的一種2.4GHz信道劃分如下：
802.11介質訪問控制協議：
介質訪問控制協議的目的：避免多個用戶同時訪問信道
CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：用戶在發送數據之前先監聽信道，信道占用則不發送數據。
CA（Collision Avoidence）：沖突避免，要求建立數據鏈路層確認/重傳機制以避免沖突。
CD（Collision Detected）：沖突檢測。
802.11采用帶沖突避免的載波監聽多路訪問協議（CSMA/CA），而以太網采用帶沖突檢測的多載波監聽多路訪問協議（CSMA/CD）。
CSMA/CA：信道訪問機制
傳輸端：
?空閑信道
????????若等待DIFS（分布式幀間間隙）后信道仍空閑，開始傳輸數據。
?繁忙信道
????????ü隨機退避
????????ü若偵測到信道空閑，減少退避數值
????????ü當退避時間結束后開始發送
????????ü若沒有收到ACK，增大退避間隔
接收端：
?接收到數據
????????ü等待SIFS后發送ACK
RTS和CTS機制：預留通道
?為了避免沖突和“隱藏終端”，發送端可以請求預留信道而不是隨機訪問，通過RTS（Request to Send請求發送幀）和CTS（Clear to Send清除發送幀）實現。
?發送端
?????????使用CSMA/CA向接入點發送RTS
?接入點
?????????廣播CTS
?接收到CTS的用戶
?????????RTS發送者發送數據
?????????其它用戶延后其發送
802.11數據幀結構
?三個地址域（地址1-3）在無線基本服務組和上層網絡數據交換中起了至關重要的作用，用于802.11數據幀和以太網數據幀格式中地址域的轉換。
WiFi網絡安全機制：
?與有線網絡不同，理論上無線電波范圍內的任何一個站點都可以監聽并登錄無線網絡，所有發送或接收的數據、都有可能被截取。
?為了使授權站點可以訪問網絡而非法用戶無法截取網絡通信，無線網絡安全就顯得至關重要。
?安全性主要包括兩大部分
????????訪問控制（保證只有授權用戶保證才能訪問敏感數據）
????????加密（只有正確的接收方才能理解數據）
?用戶接入過程
????????1. 發現可用網絡
????????????????????????通過無線掃描的方式，可以發現可用網絡無線掃描有主動掃描和被動掃描兩種方式
????????????????????????主動掃描：速度快
????????????????????????被動掃描：耗時長，但STA節電
????????2. 選擇網絡
????????????????????????當STA找到與其具有相同SSID的AP，在SSID匹配的AP中，選擇一個網絡，然后進入認證階段。一般選擇信號最強的AP或最近使用過的。
????????3. 認證
????????4. 關聯
?認證和加密
?????????認證是STA向AP證明其身份的過程
?????????只有通過身份認證的站點才能進行無線接入訪問
?????????認證可以通過MAC地址進行，也可以通過用戶名/口令進行
?????????認證有開放系統認證和共享密鑰認證兩種
?????????STA和AP均可通過解除認證來終結認證關系
??????????????????開放系統認證（Open-system authentication）：
?????????????????????????允許任何用戶接入到無線網絡中來
?????????????????????????等同于不需要認證，沒有任何安全防護能力
?????????????????????????所有請求認證的STA都會通過認證
? ? ? ? ? ? ? ? ?共享密鑰認證（shared-key authentication）：
????????????????????????a) STA向AP發送認證請求
????????????????????????b) AP隨機產生一個challenge包（即一個字符串）發送給STA
????????????????????????c) STA將接收到的字符串拷貝到新的消息中，用密鑰加密后再發送給AP
????????????????????????d) AP接收到該消息后，用密鑰將該消息解密，然后對解密后的字符串和最初給STA的字符串進行比較。相同則通過認證，不相同則認證失敗。
WiFi的網絡安全機制有認證和加密機制兩種
?目前典型的認證和加密機制包括：
?????????Open System：完全不認證也不加密，任何人都可以連到無線基地臺
使用網絡。
?????????WPA：?(WiFi Protected Access) ：WiFi保護訪問
?????????????????????????WiFi商業聯盟在IEEE802.11i草案基礎上制定的一項無線局域網安全技術,目的在于替代傳統的WEP安全技術，分為家用的WPA-PSK與企業用的WPA-Enterprise版本
?????????????????????????WPA-PSK使用臨時密鑰完整性協議(Temporal Key?Integrity Protocol，TKIP)加密技術，很大程度上解決了WEP加密所隱藏的安全問題。
?????????WPA2：?WPA2是WPA的加強版
?????????????????????????采用高級加密協議(Advanced Encryption?Standard，AES)
?????????????????????????比WPA更難被破解，更安全
?????????WPS：(Wired Equivalent Privacy)：有線等效加密
?????????????????????????最基本的加密技術
?????????????????????????使用RC4算法保證數據的保密性
?????????????????????????有64位密鑰和128位密鑰兩種加密方式
?????????????????????????存在固有的缺陷：網絡上每個客戶或者計算機都使用了相同的保密字，網絡偷聽者能刺探到你的密鑰，偷走數據并在網絡上造成混亂
?????????MAC地址過濾
?????????WEP有線等效加密
?????????SNMP協議
?關聯
????????如果用戶想通過AP接入無線網絡，必須同特定的AP關聯。
????????????????a)當用戶通過網絡名稱選擇指定網絡并通過AP認證后，就可以向AP發送關聯請求幀。
????????????????b)AP將用戶信息添加到數據庫，向用戶回復關聯響應，此過程也常被稱為注冊。
????????????????c)關聯建立后，便可以傳輸數據。
用戶每次只可以關聯到一個AP上，關聯總是由用戶發起。
?關聯：STA和一個AP建立關聯后，后續的數據傳輸只能在兩者之間進行。
?再關聯：STA在從一個老的AP移動到新的AP時通過再關聯和新的AP建立關聯，再關聯前必須經歷認證過程。
?去關聯：STA和AP均可以通過去關聯和AP解除關聯關系。
?
當STA掃描到信號更強的信的AP時，需先和原來的AP去關聯，在才能和新的AP建立關聯。
三、藍牙技術
1.概述：
1） ?技術規范
每個規范版本按通信距離可再分為Class1和Class2：
?????????Class1：傳輸功率高、傳輸距離遠，但成本高、耗電量大，不適合作為個人通信產品，多用于部分商業特殊應用場合，通信距離大約在80m~100m之間。
?????????Class2：目前最流行的制式，通信距離大約在8~30m之間，視產品的設計而定，多用于手機、藍牙耳機、藍牙適配器等個人通信產品，耗電量和體積較小，方便攜帶。
?
?2）基本概念：
?主/從設備：藍牙通常采用點對點的配對連接方式，主動提出通信要求的設備是主設備（主機），被動進行通信的設備為從設備（從機）。
?藍牙設備狀態：藍牙設備有待機和連接兩種主要狀態，處于連接狀態的藍牙設備可有激活、保持、呼吸和休眠4種狀態。
?對等網絡Ad-hoc：藍牙設備在規定的范圍和數量限制下，可以自動建立相互之間的聯系。由于網絡中的每臺設備在物理上都是完全相同的，因此又稱為對等網。
?跳頻擴頻技術（FHSS）： 只有匹配接收機知道發射機的跳頻方式，可以有效排除噪音和其他干擾信號，正確地接收數據。
?時隙：藍牙采用跳頻擴頻技術，跳頻頻率為1600跳/秒，即每個跳頻點上停留的時間為625 us，這625us就是藍牙的一個時隙。
?藍牙時鐘：藍牙時鐘是藍牙設備內部的系統時鐘
3）藍牙的目標
?在所有移動設備之間以及任何小范圍內的各種信息傳輸設備、各種電器設備之間建立起無線連接。
?????????統一各類電話
?????????無線電纜工作環境
?????????流動辦公室
?????????外設與主機無線連接
?????????電子商務
2.藍牙協議體系
藍牙協議采用分層結構，遵循開放系統互聯（OSI，Open System Interconnection）
參考模型：
?
3.藍牙優勢
主要有低成本，低功耗，實現小尺寸，點對點連接，語音與數據混合傳輸以及高抗干擾能力等。
具體以下幾個方面：
開放性優勢：支持企業多、協議公開無償使用
成本優勢：無需基站
便攜式優勢：體積小，功耗較小
頻帶優勢：使用了跳頻擴頻技術
安全性優勢：抗干擾能力強、保密性好
4.藍牙狀態
藍牙設備主要運行在待機和連接兩種狀態。
?從待機到連接狀態，要經歷7個子狀態：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主響應、從響應、查詢響應。
?藍牙設備默認的工作狀態：待機
?一旦設備被喚醒，便處于連接狀態，將在預先設定的32個跳頻頻率上接聽信息。
?連接：
| 狀態 | 描述 |
| 激活 （Active） | ???????? 該模式下，主單元和從單元通過偵聽、發送或者接收數據包而主動參與信道操作。主單元和從單元相互保持同步。 |
| 呼吸 （Sniff） | ??????? 該模式下，主單元只能有規律地在特定的時隙發送數據，從單元只在指定的時隙上“嗅探”消息，可以在空時隙睡眠而節約功率。呼吸間隔可以根據應用需求做適當調整。 |
| 保持 （Hold） | ??????? 該模式下，設備只有一個內部計數器在工作，可為尋呼、掃描等操作提供可用信道。保持模式一般用于連接幾個微微網或能耗低的設備。在進入該模式前，主節點和從節點應就從節點處于保持模式的持續時間達成一致。當時間耗盡時，從節點將被喚醒并與信道同步，等待主節點的指示。 |
| 休眠 （Park） | ??????? 當從單元無需使用微微網信道卻又打算和信道保持同步時，可以進入休眠模式。在該模式下，設備幾乎沒有任何活動，不支持數據傳送，偶爾收聽主設備的消息并恢復同步、檢查廣播消息。設備被賦予一個休眠成員地址（Parking Member Address：PM_ADDR）并失去其活動成員地址（Active Member Address：AM_ADDR）。 |
微微網：
?藍牙的網絡結構有兩種拓撲形式：微微網和散射網（分布式網絡）
?微微網是藍牙基本的組網方式，散射網由多個微微網組成
?在同一個微微網中：
?????????一個藍牙設備可以同時與最多7個其他藍牙設備相連。
?????????各單元之間共享一個信道。
?????????有且只有一個主單元，其余為從單元。
?????????主單元控制微微網從建立到數據傳送到最后結束通信的整個過程。
?藍牙狀態轉換：
| 子狀態 | 描述 |
| 尋呼（Page） | ????????該子狀態被主單元用來激活和連接從單元，主單元通過在不同的跳頻信道內傳送從單元的設備識別碼（DAC）來發出尋呼消息。 |
| 尋呼掃描（Page?Scan） | ????????在該子狀態下，從單元在一個窗口掃描存活期內以單一跳頻偵聽自己的設備接入碼（DAC）。 |
| 從響應（Slave?Responce） | ????????從單元在該子狀態下響應主單元的尋呼消息。如果處于尋呼掃描子狀態下的從單元和主單元尋呼消息相關即進入該狀態。 |
| 主響應（Master?Responce） | ????????主單元在該狀態下發送FHS數據包給從單元。如果主單元收到從單元的響應后即進到該子狀態。當從單元收到主單元發送的FHS數據包后，將進入連接狀態。 |
| 查詢（Inquiry） | 該子狀態被主單元用于收集藍牙設備地址，發現相鄰藍牙設備的身份。 |
| 查詢掃描 （Inquiry?Scan） | ????????在該子狀態下，藍牙設備偵聽來自其他設備的查詢。此時掃描設備可以偵聽一般查詢接入碼（GIAC，General?Inquiry?Access?Code）或者專用查詢接入碼（DIAC，Dedicated?Inquiry?Access?Code）。 |
| 查詢響（Inquiry?Responce） | ????????對查詢而言，只有從單元才可以響應而主單元則不能。從單元用FHS數據包響應，該數據包包含了從單元的設備接入碼、內部時鐘和某些其他從單元信息。 |
?5.藍牙編址
設備地址：4種基本類型
?????????BD_ADDR：48位的藍牙設備地址。
?????????????????唯一地標志了每個藍牙設備
?????????????????總長度48位
?????????????????按從最小有效位（LSB）到最大有效位（MSB）主要分為3
????????????????部分：24位低地址部分LAP、8位高地址部分UAP和16位非有效地址部分NAP
?????????AM_ADDR：3位激活狀態成員地址。
?????????PM_ADDR：8位休眠狀態成員地址。
?????????AR_ADDR：訪問請求地址，休眠狀態的從單元通過它向主單元發送訪問消息。
從節點地址：具有不唯一性，根據狀態不同可分配3種不同的地址
?????????AM_ADDR：處于激活狀態下的從節點地址
?????????PM_ADDR：處于休眠狀態的成員地址。
?????????AR_ADDR：從節點的訪問請求地址。
?6.藍牙數據分組
藍牙技術同時支持數據和語音信息的傳送，在信息交換方式上采用了電路交換和分組交換的混合方式。
在藍牙的信道中，數據是以分組的形式進行傳輸的，將信息進行分組打包，時間劃分為時隙，每個時隙內只發送一個數據包。
分組格式：
標準的數據分組格式如下：
?????????????????識別碼：用于數據同步、DC偏移補償和身份識別。
?????????????????分組頭：包含了鏈路控制（LC）信息。
?????????????????有效載荷：攜帶上層的語音和數據字段。
?識別碼：藍牙設備在不同工作模式下使用不同的識別碼，識別碼有三種不同類型：
?????????????????信道識別碼CAC（Channel Access Code）：用于標識一個微微網。
?????????????????設備識別碼DAC（Device Access Code）：用于指定的信令過程，比如尋呼和尋呼應答。
?????????????????查詢識別碼IAC（Inquiry Access Code）：分為通用查詢識別碼（GIAC）和專用查詢識別碼（DIAC）兩種。
????????????????????????????????通用查詢識別碼（GIAC）：為所有設備通用，用于檢測指定范圍內的其他藍牙設備
????????????????????????????????和專用查詢識別碼（DIAC）：被某種類型的藍牙單元使用，具有同種類型的藍牙單元使用相同的DIAC，用于發現在指定范圍中符合條件的專用藍牙設備。
有效載荷：
?????????針對不同的數據鏈路，藍牙分組的有效載荷可以分為語音段載荷和數據段載荷
?????????ACL數據分組只有數據段載荷
?????????SCO數據分組只有語音段載荷
?????????DV分組同時含有語音段載荷和數據段載荷
?分組類型：
?????????????????微微網中的分組類型和其鏈接方式（SCO/ACL）有關
?????????????????不同鏈路的不同分組類型由分組頭中的TYPE位唯一區分
?????????????????可分為5種公共分組、4種SCO分組和7種ACL分組3大類
? ? ? ????????????????????????SCO分組用于同步SCO鏈接
? ? ? ????????????????????????ACL分組用于異步ACL鏈接方式
| 分組名稱 | 描述 | |
| 公共分組 | ID | 由設備識別碼(DAC)或查詢識別碼(IAC)組成，長度為68位，是一種可靠的分組，常用于呼叫、查詢及應答過程中。 |
| NULL | 是一種不攜帶有效載荷的分組，由信道識別碼(CAC)和分組頭組成，總長度為128位。NULL分組用于返回鏈接信息給發送端，其自身不需要確認。 | |
| POLL | 與NULL類似，但需要一個接收端發來的確認。主單元可用它來檢查從單元是否啟動。 | |
| FHS | 表明藍牙設備地址和發送方時鐘的特殊控制分組，常用于尋呼、主單元響應、查詢響應及主從切換等。采用2/3 FEC糾錯編碼。 | |
| DM1 | 一種通用分組，可以為兩種物理鏈路傳輸控制消息，也可攜帶用戶數據。 | |
| SCO分組 | HV1 | 含有10個信息字節，使用1/3 FEC糾錯碼，無有效載荷頭和CRC碼，常用于語音傳輸。 |
| HV2 | 含有20個信息字節，使用2/3 FEC糾錯碼，無有效載荷頭和CRC碼，常用于語音傳輸。 | |
| HV3 | 含有30個信息字節，無FEC糾錯碼，無有效載荷頭和CRC碼，常用于語音傳輸。 | |
| DV | 數據-語音組合包，有效載荷段分語音段和數據段兩部分，可進行數據和話音的混合傳輸。語音字段沒有FEC保護，從不重傳；數據字段采用2/3 FEC，可以重傳。 | |
| ACL 分組 | DM1 | ????? 一種只能攜帶數據信息的分組，含有18個信息字節和16位CRC，采用2/3 FEC編碼。 |
| DH1 | ???? 類似于DM1分組，含有28個信息字節和16位CRC，無FEC編碼。 | |
| DM3 | ???? 一種具有擴展有效載荷的DM1分組，含有123個信息字節和16位CRC，采用2/3 FEC編碼。 | |
| DH3 | ???? 類似DM3分組，含有185個信息字節的和16位CRC，無FEC編碼； | |
| DM5 | ????? 一種具有擴展有效載荷的DM1分組，含有多達226個信息字節，采用2/3 FEC編碼； | |
| DH5 | ???? 類似于DM5分組，含有多達341個字節的信息和16位CRC，但無FEC編碼； | |
| AUX1 | ???? 類似于DH1分組，含有30個信息字節，沒有CRC。 |
?7.藍牙4.0
藍牙4.0是藍牙技術聯盟于2010年推出的標準，包含高速藍牙、經典藍牙和低功耗藍牙（Bluetooth Low?Energy，BLE）三種模式，分別應對以數據交換與傳輸、信息溝通與設備連接、低帶寬設備連接為主的不同應用需求。
低功耗藍牙BLE設備狀態：
?低功耗藍牙規范中，有兩類報文：廣播報文和數據報文。
?設備利用廣播報文發現、連接其它設備。一旦連接建立之后，則開始使用數據報文。
BLE報文結構
1）前導
前導是一個8比特的交替序列。不是01010101就是10101010，取決于接入地址的第一個比特。
2）接入地址
兩種類型：廣播接入地址和數據接入地址。
廣播接入地址：固定為0x8E89BED6，在廣播、掃描、發起連接時使用。
數據接入地址：隨機值，不同的連接有不同的值。在連接建立之后的兩個設備
間使用。
?????? 報頭的內容取決于該報文是廣播報文還是數據報文。廣播報文的報頭如下圖所示：
?
?藍牙4.0的信道：
?傳統藍牙通過79個指定的藍牙頻道進行數據包傳輸每個頻寬1MHZ。
?藍牙4.0只有40個信道，編號0-39，BLE4.0每個信道帶寬為2MHZ，在相同的總帶寬下， 藍牙4.0的信道數減少一半。
?低功耗藍牙規定了3個廣播信道和37個數據信道。
?低功耗藍牙特點：
?1.最低功耗-----以最低的功耗進行設計
?2.高效益------有藍牙低功耗技術的雙模技術和傳統藍牙功能。
?3. 穩定性，安全性和可靠性------使用適應跳頻（AFH）技術，從而確保低功耗藍牙可以在 “嘈
雜”的RF環境中保持穩定的傳輸。
?4.無線共存-----藍牙技術，無線局域網，IEEE802.15.4/無線個人局域網和許多專有無線電都使用2.4GHz醫療（ISM）頻段
?5.連接范圍------可實現長達300米的連接范圍。
?6.多種工作模式------低功耗藍牙通?；谶B接到多個從屬設備的主設備，并且一個設備可以同時進行掃描和廣播。
傳統藍牙和低功耗藍牙的技術對比：
| 技術規范 | 傳統藍牙 | 低功耗藍牙 |
| 無線電頻率 | 2.4GHz | 2.4GHz |
| 理論通信距離 | 100m | ＞100m |
| 空中數據率 | 1～3Mbps | 1Mbps |
| 支持活躍從設備數 | 7 | 未定義（理論最大值為232） |
| 延遲 | 100ms | 6ms |
| 安全性 | 64/128-bit | 128-bit AES |
| 語音能力 | 有 | 無 |
| 耗電量 | 1W （參考值） | 0.01～0.5W （依賴使用情況） |
| 峰值電流消耗 | ＜30mA | ＜15mA |
四、ZigBee技術
藍牙可以實現短距離無線通信，但是其協議較復雜、功耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業控制和家庭網絡 。
ZigBee又稱為IEEE 802.15.4標準，目標是實現類似于蜂群的低功耗、低復雜度、低速率、自組織的短距無線通信網絡，為個人或者家庭范圍內不同設備之間的低速互連提供統一標準。
1.特點：
?低功耗:?
?????????ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低。
?????????ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。
?低成本：
?????????ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元。
?????????ZigBee協議是免專利費的。
?時延短:?
?????????典型的搜索設備時延30ms,
?????????休眠激活的時延是15ms,?
?????????活動設備信道接入的時延為15ms。
?????????適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。
?網絡容量大:?
?????????一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備。
?????????一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡。
?可靠：
?????????支持沖突避免的載波多路偵聽技術（carrier sense multiple?access with collision avoidance, CSMA-CA）。
?????????MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。
?安全:?
?????????基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查。
?????????支持鑒權和認證。
?????????采用了AES-128的加密算法。
?????????各個應用可以靈活確定其安全屬性。
2.ZigBee協議棧
Zigbee網絡分為4層，從下向上分別為物理層、MAC層、網絡層和應用層。其中物理層和MAC層由IEEE802.15.4標準定義，合稱IEEE802.15.4通信層；網絡層和應用層由Zigbee聯盟定義。
服務原語是代表響應服務的符號和參數的一種格式化、規范化的表示，它與服務的具體實現方式無關，原語都是發 ??送給服務實體相鄰層的，層與層之間的通信原語可以?分為四種。
?物理層（PHY）：
?服務有軟硬件結合實現，定義物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務(PLDE)和物理層管理服務(PLME)。
?主要功能：
????????????????1．無線收發機的激活與關閉；
????????????????2．當前信道的能量檢測(EnergyDetect，ED)；
????????????????3．接受數據包的鏈路質量標識(LQI)；
????????????????4．為載波偵聽多路訪問/沖突防止(CSMS/CA)提供空閑信道評估(CCA)；
????????????????5．工作信道選擇；
????????????????6．數據發送和接收。
?頻段：3個頻段，均為國際電信聯盟電信標準化組定義的用于科研和醫療的開放頻段，包括
?????????????????868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；
?????????????????902-928MHz，北美采用，10個信道，支持擴展到30個信道；
?????????????????2.4-2.4835GHz世界范圍內通用，16個信道。
?傳輸技術：最早為直接擴頻，后來可采用調頻、調相等多種技術
MAC層：
?MAC層也包括管理實體(MLME)和數據實體(MLDE)
?MAC層與物理層之間通過管理服務接入點PLME-SAP和數據服務接入點PD-SAP進行通信
?MAC數據實體服務點(MLDE-SAP)和MAC層管理實體服務接入點(MLME-SAP)向業務相關子層提供MAC層數據和管理服務
?MAC層能支持多種LLC(邏輯鏈路層)標準，通過業務相關會聚子層(SSCS)協議承載802.2類型的LLC標準。
MAC層負責無線信道的使用方式，它們是構建Zigbee協議底層的基礎。
其功能如下：
網絡層（NWK）：
?網絡層是每個Zigbee節點都包含的，Zigbee網絡層主要功能：
????????ü組建網絡，為新加入網絡訪分配地址
????????ü路由發現、路由維護
????????ü確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口
?網絡層提供了網絡數據服務實體(NLDE)和管理服務實體(NLME)兩個必須的功能服務實體
?網絡層功能：路由，新節點和路徑的發現，決定一個節點屬于某一個子網絡等。
?ZigBee網絡層采用距離矢量路由協議（AODV）
????????AODV協議路由建立過程：
應用層（APL）：
?ZigBee應用層由三個部分組成：應用子層(APS)、設備對象（ZDO)和制造商定義的應用對象(App Obj)
?????????1. APS應用子層
????????????????? ? APS通過網絡層和安全服務提供層與端點相接，并為數據傳送、安全和綁定提供服務，可以適配不同但兼容的節點
????????????????? ? APS提供在NWK層和APL層之間的一個接口，通過一組ZDO到App Obj的通用服務集。
????????????????? ? ?這服務由兩個實體實現：APS數據實體（APSDE）和APS管理實體（APSME）
?????????2. 應用構架
?????????????????ZigBee中的應用框架(APL Framework)為ZigBee節點中的應用對象提供活動的環境
?????????????????最多可以定義240個相對獨立的應用程序對象(ZDO)，對象的端點編號從l到240
?????????????????端點號0固定用于設備對象ZDO數據接口，應用程序可以通過這個端點與ZigBee協議棧的其它層通信
?????????????????端點255固定用于所有應用對象廣播數據的數據接口功能
?????????????????端點241-254保留為了擴展用戶，用戶不能使用
3.ZigBee的網絡拓撲結構（三種形式）：
?兩種物理設備：
? ? ? 全功能設備(FFD，Full Function Device)
? ? ? 精簡功能設備(RFD，Reduced Function Device)
?三種節點：
? ? ? ?協調點(Coordinator)
? ? ? ?路由節點(Router)
? ? ? ?終端節點(End Device)
全功能設備(FFD)：
?????????可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置(RFD)連結，FFD具備 控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。
?????????附帶由標準指定的全部802.15.4 ?功能和所有特征
?????????更多的存儲器、計算能力使其在空閑時起網絡路由器作用，也能用作終端設備
精簡功能設備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD 或從FFD 接收信息。
?????????附帶有限的功能來控制成本和復雜性
?????????在網絡中通常用作終端設備
?????????ZigBee 相對簡單的實現自然節省了費用，RFD由于省掉內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助于降低成本
網絡協調器(ZC)：
?? ??包含所有的網絡消息，是三種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息
ZigBee路由器(ZR)：
?? ??起監視或控制作用，但它也用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器
ZigBee終端設備(ZED)：
?? ??只有監視或控制功能，不能做路由或中繼之用
ZigBee網絡拓撲結構--------星狀：
星形拓撲包含一個協調器節點和一系列的終端設備節點。每一個終端設備節點只能和協調器節點進行通訊。如果需要在兩個終端設備節點之間進行通訊必須通過協調器節點進行信息的轉發。
星形網絡拓撲不需要使用ZigBee 的網絡層協議，因為本身IEEE 802.15.4的協議層就已經實現了星形拓撲形式。適用于家庭自動化、個人計算機外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用
ZigBee網絡拓撲結構--------樹狀：
樹形拓撲包括一個協調器以及一系列的路由和終端設備節點。 Coordinator連接一系列的Router 和End Device, 他的子節點的Router也可以連接一系列的Router 和End Device. 這樣可以重復多個層級。
樹形拓撲中的通訊規則：
?? ??每一個節點都只能和他的父節點和子節點之間通訊。?
?? ??如果需要從一個節點向另一個節點發送數據，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節點然后再向下傳遞到目標節點。?
ZigBee網絡拓撲結構--------網狀：
Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸的點對點的網絡結構，其路由可自動建立和維護。
Mesh網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過“ 多級跳” 的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能。
?
4.ZigBee的自組網
?組建一個完整的Zigbee網狀網絡包括兩個步驟：網絡初始化和節點加入網絡
?節點加入網絡又包括兩個步驟
? ? ? ?通過與協調器連接入網
? ? ? ?通過已有父節點入網
?網絡初始化
?????????Zigbee網絡的建立是由網絡協調器發起的，任何一個Zigbee節點要組建一個網絡必須要滿足以下兩點要求：
????????????????????????1．節點是FFD節點，具備Zigbee協調器的能力
????????????????????????2．節點還沒有與其它網絡連接，當節點已經與其它網絡連接時，此節點只能作為該網絡的子節點，因為一個Zigbee網絡中有且只有一個網絡協調器。
?節點加入網絡
?????????節點通過協調器加入網絡
?????????當Zigbee協調器確定之后節點首先需要和協調器建立連接加入網絡，FFD節點向協調器提出連接請求，協調器接收到節點請求，根據情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的節點做出響應，節點與協調器建立連接后，才能實現數據的收發。
?????????靠近協調器的FFD節點和協調器關聯成功后，處于這個網絡范圍內的其它節點就以這些FFD節點作為父節點加入網絡了，
?????????具體加入網絡有兩種方式：
? ? ? ??????????一種是通過關聯(association)方式，就是待加入的節點發起加入網絡
? ? ? ??????????另一種是直接(direct)方式，就是待加入的節點具體加入到那個節點下，作為該節點的子節點。
5.ZigeBee技術應用
?????????小型化、低成本設備（如溫度調節裝置、照明控制器、環境檢測傳感器等）的無線聯網要求
?????????能廣泛地應用于工業、農業和日常生活中
?????????目前已建立的應用規范有：
????????????????üZigBee Smart Energy(智能能源)
????????????????üZigBee Home Automation(住宅自動化)
????????????????üZigBee Health Care(醫療保健)
????????????????üZigBee building automation(樓宇自動化)
????????????????üZigBee Telecommunication Services(電信服務)
????????????????üZigBee Retail Services(零售服務)
????????????????üZigBee Remote Control(遙控)
ZigBee案例：
------智能抄表
?????????每樓層的水電煤三表通過RS485總線連接數據采集器，再連接到ZIGBEE遠端節點
?????????每幢單元樓設置一個ZIGBEE遠端節點，負責數據收發或作路由器
?????????ZIGBEE遠端節點上傳到ZIGBEE中心節點
?????????采用MESH網狀網絡結構，保證數據傳輸的可靠性
?????????每幢單元樓設置一個ZIGBEE遠端節點
?????????一個小區設置一個ZIGBEE中心節點
?????????ZIGBEE中心節點數據通過GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心
-------家庭自動化：
?6.MAC層設計：如何降低能量消耗？
典型無線傳感網節點各個模塊能量消耗
| 設備 | 狀態 | 電流 |
| CPU | 工作(active) | 1.8mA |
| 空閑(idle) | 54.5mA | |
| 內置flash | 編程(program) | 3mA |
| 擦除(erase) | 3mA | |
| 無線收發模塊 | 發送數據（TX,0dBm） | 17.4mA |
| 接收數據和偵聽(RX) | 19.7mA | |
| 空閑（idle） | 21mA |
??無線收發模塊占據大部分的能量消耗。
?無線收發器件（radio transceiver）工作時通常處于三種狀態，發送，偵聽和空閑狀態。
?????????空閑偵聽（idle listening）：是指節點處于偵聽狀態，但是并未偵聽到任何數據，從而浪費掉了能量。
?????????空閑（idle）：空閑狀態是指節點物理地關閉一些硬件功能，從而達到較低的能耗。
?如何減少空閑偵聽是一個無線通信協議能夠適用于傳感網以及其他低功耗的網絡首先需要考慮的一個重要問題。
?發送和偵聽狀態為工作狀態，空閑狀態浪費能量。
?????????低功率偵聽協議（LPL，low power listening）
?????????????????采樣偵聽
?????????????????鏈路層調度
?????????采樣偵聽
?????????????????無線收發模塊在沒有數據的時候關閉
?????????????????定時采樣獲取信道的信息
五、NB-IOT技術
不同協議對比：
?具備所有優點（高帶寬、遠距離、低能耗）的理想協議難以實現。
為什么需要低功耗廣域網？
?與藍牙、WiFi、Zigbee等無線連接技術相比LPWAN技術距離更遠；
?與蜂窩技術（如GPRS、3G、4G等）相比連接功耗更低。
?長距離+省電特性，LPWAN解決了物聯網傳輸。
?LPWAN技術發展：
?對于這類遠距離、低功耗、低帶寬的協議，我們統一稱之為低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network,簡寫為LPWAN）技術。是一種遠距離低功耗的無線通信網絡。多數LPWAN技術以實現幾公里甚至幾十公里的網絡覆蓋。由于其網絡覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點其更適合于大規模的物聯網應用部署。
?該類協議有兩個主要代表，遠距離通信（Long Range?Communication，LoRa）和窄帶物聯網（Narrow?Band Internet of Things，NB-IoT）。
?特點：廣覆蓋、低速率、低功耗、低成本
?LPWAN有兩大家族，一個是工作在未授權頻譜的LORA、SIGFOX等，一個是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，如NB-IOT
NB-IoT端到端系統架構：
?將上圖EPC部分進行細化：
?
?NB-IOT頻段：
?NB-IoT沿用LTE定義的頻段號，Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。
?
? ? 中國聯通的NB-IoT部署在900MHz、1800MHz頻段，目前只有900MHz 可以試驗。
? ? 中國移動為了建設NB-IoT物聯網，將會獲得FDD牌照，并且允許重耕現有的900MHz、1800MHz頻段。
? ? 中國電信的NB-IoT部署在800MHz頻段，頻寬只有15MHz。?
物理層：
工作模式部署方式（Operation Modes）
? ? ? NB-IoT占用180KHz帶寬，這與在LTE幀結構中一個資
源塊的帶寬是一樣的。所以，以下三種部署方式成為可能：
獨立部署、保護帶部署、帶內部署
1）獨立部署（Stand alone operation）
不依賴LTE，與LTE可以完全解耦, 適合用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz
2）保護帶部署（Guard band operation）
不占LTE資源, 利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。
3）帶內部署（In-band operation）
占用LTE的1個PRB(物理資源塊）, 利用LTE載波中間的任何資源塊。
三種部署方式的比較
注：三種工作模式之間在資源使用上的主要區別在于：In-band需要額外留出LTE CRS（時頻資源）
?在默認狀態下，存在三種工作狀態：
?connected(連接態)：
????????模塊注冊入網后處于該狀態，可以發送和接收數據，無數據交互超過一段時間后會進入Idle模式，時間可配置。
?Idle(空閑態)
????????可收發數據，且接收下行數據會進入Connected狀態，無數據交互超過一段時會進入PSM模式，時間可配置。
?PSM(節能模式)：
? 此模式下終端關閉收發信號機，不監聽無線側的尋呼，因此雖然依舊注冊在網絡，但信令不可達，無法收到下行數據，功率很小。
????????持續時間由核心網配置，有上行數據需要傳輸或TAU周期結束時會進入Connected態。【PS：TAU周期指的是從Idle開始到PSM模式結束】
?
NB-IoT三種工作狀態一般情況的轉換過程可以總結如下：
① 終端發送數據完畢處于Connected態，啟動“不活動計時器”，默認20秒，可配置范圍為1s~3600s;
② “不活動計時器”超時，終端進入Idle態，啟動激活定時器(Active-Timer)，超時時間配置范圍為2秒~186分鐘;
③ Active-Timer超時，終端進入PSM狀態，TAU周期結束時進入Connected態，TAU周期配置范圍為54分鐘~310小時。
?NB-IoT在共享單車中的優勢：
ü大連接：NB-IoT基站的每個小區可支持5萬個用戶，是現有移動網絡50~100倍的用戶容量；
ü低功耗：即使設備一直在線，也可以支持幾年的供電；把電池壽命從幾個月延長到幾年；
ü廣覆蓋：NB-IoT的信號可以覆蓋到地下車庫、地下室等普通無線網絡信號難以到達的地方。
???? 主要應用于上行方向的信號。通過把NB-IoT上行的信號發射功率通過更窄帶寬的載波進行發送，增強單位頻譜上發送的信號強度，從而提升信號的覆蓋能力和穿透能力。
?時域重復?????? 在上行和下行方向的通信都有使用。時域重復指同意控制信息或業務數據在空口信道上發送時，進行多次重復發送，在接收端對接收到的重復內容進行合并，從而提高覆蓋能力。
?一般而言，通信鏈路的下行覆蓋大于上行覆蓋，因為用戶終端的發射功率往往受限，而網絡側遠端射頻模塊發射功率理論上容易提升。在鏈路預算中，計算最大耦合損耗（MCL）時大部分只是計算上行鏈路。 ?NB-IoT根據MCL的數值將覆蓋增強等級分為三個等級： ?常規覆蓋：MCL<144dB，與現有的GPRS覆蓋一致。 ?擴展覆蓋：144dB<MCL<154dB，在原有基礎上提升了10dB。 ?極端覆蓋：MCL>154dB，在原基礎上提升了20dB.六、LoRa/LoRaWAN技術
LoRa安全可靠，具有雙向認證、端到端加密和完整性保護等特性。
1.LPWAN中的LoRa技術特色：
?低功耗（電池壽命長）-溫濕度傳感器約1-3年（AAA電池）
?長距離-3-5公里通訊距離
?小數據-21-222bytes每個封包
?大容量-單網關5000節點以上
?低成本：最簡網絡架構，基礎設施成本低；節點終端成本低，芯片成本<1dollar；開放軟件
2.LoRa技術優勢：
| 特點 | 優勢 |
| 靈敏度-148dBm 通訊距離>15km | 遠距離 |
| 最小基礎設施成本 使用網關/集中器擴展系統容量 | 易于建設和部署 |
| 電池壽命>5年 接收電流10mA，休眠電流<200nA | 延長電池壽命 |
| 免牌照的頻段 節點/終端成本低 | 低成本 |
3.常見應用
（1）無線抄表，比如：電表、水表、氣表、熱表等；
（2）緩慢變化物理量（溫度、水壓、PM2.5、地磁感應器）超低功耗傳感器；
（3）無線報警器（煙霧探測器、熱釋紅外）；
（4）遠程I/O控制器（燈光控制、空調控制）。
4.技術原理：
香濃第二定理：
C是信道容量，單位為比特每秒（bps）。B是要求的信道帶寬，單位是Hz。S/N是信噪比，單位是dB。
根據香農信道容量公式：
加大帶寬B或提高信噪比S/N，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求。當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。因此， LoRa擴頻技術具有很強的抗干擾能力，可以在非常低的SNR（信噪比）范圍內工作（低于噪聲水平-20dB）。
?5.為什么LoRa可以傳更遠的距離，而別的技術做不到？
常規的數字數據通信原理是使用與數據速率相適應的盡可能小的帶寬。LoRa用了擴頻技術，擴頻通信的原理是盡可能使用最大帶寬數，同樣的能量在一個大的帶寬上傳播。傳輸使用的帶寬大大增加，這也是一種資源的消耗。
擴頻技術就是以帶寬換功率、以帶寬換信噪比。
（1）擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum?Communication）
?將信息信號的帶寬擴展很多倍進行通信的技術。它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身的帶寬。
?增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。
（2）LoRa擴頻調制
用戶數據的原始信號與擴展編碼位流進行XOR（異或）運算，生成發送信號流，這種調制帶來的影響是傳輸信號的帶寬有顯著增加（擴展了頻譜）。
（如上圖右上角的頻譜圖所示，深藍色是原始信號，紫紅色是擴頻后的信號。擴頻后帶寬增加（橫坐標），幅度減小（縱坐標。）
當然擴頻技術也不是萬能的，它至少有2個弊端：
（1）擴展編碼調制生成更多片的數據流導致通信數據率下降;
（2）較復雜的調制和解調機制。
?LoRa擴頻技術改變了傳輸功耗和傳輸距離之間的平衡，徹底改變了嵌入式無線通信領域的局面。它給人們呈現了一個能實現遠距離、長電池壽命、大系統容量、低硬件成本的全新通信技術。
?從各種類型的噪聲和多徑失真中獲得免疫性;得到信噪比的增益。換句話說，使用擴頻通信抗干擾性更強，通信距離更遠。CDMA和WiFi都使用了擴頻技術。
（3）LoRa的調制和解調
在發端，信息碼經碼率較高的 PN 碼調制以后，頻譜被擴展了。
在收端，擴頻信號經同樣的PN 碼解調以后，信息碼被恢復；?
?（4）擴頻因子（SF）
?LoRa擴頻調制技術采用多個信息碼片來代表有效負載信息的每個位。擴頻信息的發送速度稱為符號速率（Rs），而碼片速率與標稱符號速率之間的比值即為擴頻因子，其表示每個信息位發送的符號的數量。
?LoRa的擴頻因子可以從7、8到12。傳輸距離與SF成正比，與傳輸速度則成反比。一般速度為5.5kbit/s~300bit/s。
?（5）LoRa技術綜述
?LoRa技術是一種窄帶擴頻通信技術，以犧牲通信速率的方式取得了極好的無線傳播性能，通信距離遠超Zigbee和藍牙。
（6）LoRaWAN
LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構。
LoRa：小無線連接，屬于PHY層，多用于點對點通訊
LoRaWAN：通訊協議，屬于MAC層，協議核心可部署在云端，可支持百萬級的設備接入
?LoRaWAN： WAN（Wide Area network）：
廣域網LoRaWAN是LoRa的廣域網，其物理層用的是LoRa。
網絡架構：
?LoRaWAN的網絡架構如圖所示：主要有終端（End Node）、網關（Gateway）、網絡服務器（Network Server）和應用服務器（Application Server）四部分組成。
?LoRaWAN網絡通常采用星形拓撲結構，由拓撲中的網關來轉發終端與后臺網絡服務器間的消息。網關通過標準IP連接來接入網絡服務器，而終端則通過單跳的LoRa來和一個或多個網關通訊。雖然主要傳輸方式是終端上行傳輸給網絡服務器，但所有的傳輸通常都是雙向的。
?終端（End Node）：又稱為節點：包括了傳感器、數采儀、儀器儀表等。目的是采集數據，然后利用LoRa模組把數據傳至LoRa 網關。
?網關（Gateway）:負責轉發終端數據到網絡服務器。一般網關具有8個頻道，可連接數千個終端。
?網絡服務器（Network Server）：負責管理所有的網關與終端，包括終端的認證、傳輸、網關的狀況、補丁等。還有把相關的數據傳送到相應的應用服務器上。
?應用服務器（Application Server）：應用服務器位于整個網絡的最尾端，也是最終用戶日常接觸的。所有不同行業的應用軟件多是定義在這里。
?每個設備可以在任意可用的信道、任意時間、使用任意數據速率發送數據，
只要遵守如下規定：
????????ü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具有更強的抗干擾能力。
????????ü終端要遵守相應頻段和本地區的無線電規定中的最大發射占空比要求。
????????ü終端要遵守相應頻段和本地區的無線電規定中的最大發射時長要求。
LoRaWAN有效載荷加密和傳輸:
?在LoRaWAN網絡中數據的載荷是經過加密的，這個加密是兩個層次的加密。
?當終端采集了信息后，需要經過應用層AppSkey信息加密和網絡層NwkSkey網絡加密才傳上網絡。
?LoRaWAN終端設備數據傳輸
（1） LoRaWAN協議棧
（2） LoRaWAN終端設備分類
ClassA模式：
上報行為可預先周期設定或自行觸發。
終端先上報payload,然后再進入Rx模式，可接收來自網關的ACK/NACK反饋或者其他配置信息。
終端側支持2個Slot的等待反饋，Slot 2結束之后理論上支持立即再上報Payload。
Rx Slot持續時間為5 symbols(SF7為5.1ms;SF8為10.2ms......SF12為164ms)
ClassB模式：
終端每128s從網關接受一次Beacon包，保持和網關的時間同步。
128s周期內終端按照Ping Slot的方式接收，Ping Slot持續時間30ms，周期可配（參見下圖）。
終端在需要的時候就可以上行發送，發送時序按照Class A的模式進行。
?ClassC模式：
終端下行一直在接收，Rx Slot2一直打開。
終端只有在上行上報的時候才會關閉Rx Slot，發送完成1s后進入Rx Slot，后續繼續進入slot 2.
Class A B C總結
從Class A 到Class B再到Class C模式，設備功耗依次增大，同時，端到端通信的時延依次降低 。
ABC三種模式都是裝電池的，beacon需要強校驗的時間，需要GPS信號主動下行，每臺基站之間的時間一致，都是靠GPS信號，城市園區或學校里面，可以把網關設到樓頂
?LoRaWAN & D2D（第四種通信方式）
LoRa D2D全稱是LoRa Device to Device 通信協議，是由ASR(翱捷科技)發布的，適用于LoRa室內應用
數據幀格式
LoRa有上行消息和下行消息
上行消息是由終端發出，經過一個或多個網關轉發給網絡服務器。
上行消息使用 LoRa 射頻幀的嚴格模式，消息中含有 PHDR 和 PHDR_CRC 。載荷有CRC校驗來保證完整性。
1. preamble（前導）、PHDR、PHDR_CRC和 CRC 都是硬件生成，無需軟件參與，需要軟件參與的是PHYPayload部分
2.CRC校驗只出現在上行鏈路消息中，其中PHDR、PHDR_CRC和 CRC都是射頻芯片用于校驗數據的完整性和一致性用的，并非用戶生成的數據。
注：其中上行最后還有CRC校驗，而下行沒有CRC校驗
MAC數據：由上圖可以看到，MAC數據是是作為PHYPayload存在的
?PHY載荷
?MAC載荷
由圖可以看到，MAC數據是是作為PHYPayload存在的
1) ?其中MAC 層的包有三個部分組成：
?? ?MHDR(MAC層幀頭)
?? ?MACPayload(MAC層負載)
?? ?MIC(4字節的校驗)
2) ?MACPayload又由三個部分組成:
?? ?FHDR (MAC層負載頭)
?? ?FPORT（MAC 層數據的通道號）
?? ?FRMPayload（MAC層負載，加密）
3) FHDR又由由四個部分組成:
?? ?DevAddr(終端的ID 4字節)
?? ?FCtrl（幀的控制字 1個字節）
?? ?FCnt （幀的序號 2個字節）
?? ?FOpts（幀配置，字節數不定，大部分情況0個字節）
LoRaWAN終端設備入網
LoRaWAN協議為終端定義了2種入網方式：
Over-The-Air-Activation(OTAA)空中激活方式
Activation By Personalization(ABP)個性化激活方式
OTAA(Over-The-Air Activation)
OTAA,是LoRaWAN的一種透過大氣電波（LoRa網絡）入網方式。當終端在開了機后，需要先入網才能和服務器進行通信。其操作就是終端發join-request message，請求入網，然后服務器同意入網，并且返回Join-accept message，終端再對信息進行解析，獲取通信參數，之后就可以和服務器通信了。
?
入網流程需要終端準備好如
下三個參數：
?? ??? ?DevEUI:DevEUI是一個全球唯一ID，標識唯一的終端設備。
?? ??? ?AppEUI:AppEUI是一個全球唯一ID，標識終端的應用提供者。
?? ??? ?AppKey：AppKey是由應用程序擁有者分配給終端，當終端通過OTAA方式加入網絡，AppKey用來產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，會話密鑰分別用來加密和校驗網絡層和應用層數據。
當一個終端要加入LoRaWAN的時候它需要進行初始化和激活。激活方式OTAA?
激活后，終端會存儲如下信息：
?? ??? ?設備地址（DevAddr）:由標識當前網絡設備的32位ID組成：
| bit# | [31...25] | [24...0] |
| DevAddr bits | NwkID | NwkAddr |
?? ??? ?應用ID（AppEUI）:AppEUI是一個全球唯一ID，標識終端的應用提供者。AppEUI在激活流程開始前就存儲在終端中。
?? ??? ?網絡會話密鑰（NwkSKey）:NwkSKey被終端和網絡服務器用來計算和校驗所有消息的MIC(消息一致碼)，以保證數據完整性。也用來對單獨MAC的數據消息載荷進行加解密。
?? ??? ?應用會話密鑰（AppSKey）:AppSKey被終端和網絡服務器用來對應用層消息進行解密。當應用層消息載荷有MIC時，也可以用來計算和校驗該應用層MIC。
ABP（Activation by Personalization）
這種方法比較簡單粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 這三個LoRaWAN最終通訊的參數，不再需要join流程。在這種情況下，這個設備是可以直接發應用數據的。
APB(獨立激活方式)
在某些情況下，終端可以獨立激活。獨立激活是讓終端
繞過join request-join accept的加網流程，直接加入到指定網絡中。DevAddr和兩個會話密鑰NwkSKey、AppSKey直接存儲在終端中，而不是DevEUI, AppEUI,AppKey。終端在一開始就配置好了入網必要的信息。
LoRaWAN入網模式ABP/OTAA
阿里云物聯網絡管理平臺? ——LinkWAN
Alibaba Cloud Link WAN Core即阿里云 物聯網絡管理平臺，簡稱Link WAN平臺，是阿里云面向物聯網領域推出的網絡管理平臺，旨在幫助用戶搭建無線空口數據通道，實現物聯網終端數據通過無線技術快速上報云端。阿里云Link WAN物聯網絡管理平臺,提供大容量、廣覆蓋、高可靠的物聯通訊接入服務
Link WAN平臺的低功耗廣域網協議目前主要采用是ICA聯盟的Link WAN標準，Link WAN標準兼容LoRa聯盟的LoRaWAN
物聯網絡管理平臺（Link WAN）提供用戶四大能力：網關管理 、節點管理 、網絡維護、流量計算
阿里云物聯網產品概覽
阿里云在做的IOT產品包括云、管（紅字的部分是LoRa）、邊(邊緣計算)、端（軟硬件終端或設備，偏向于硬件的生態）全生態布局。由于看好在非授權頻譜的廣域網前景，LinkWAN物聯網絡管理平臺支持LoRa協議，同時還可提供LoRa節點設備、LoRa網關等豐富的LoRa產品。為推進LoRa在中國的拓展，阿里巴巴已在杭州和寧波建設LoRa網絡，并已具備商用條件。
“現在,每個家庭都有WiFi,將來,每個企業都將有LoRa。”這是阿里云對于LoRa物聯網未來的判斷。
?LoRa網關的作用
1.LoRa網關在整個通信過程中起透傳作用
2.網關通過收發器可以和終端通信，是以射頻的形式通信的，如上圖，網關會接收到符合配置文件中頻點和數據率的終端數據，也會以一定的頻點數據率和發射功率發送射頻數據包給終端。所有的符合條件的終端消息都會被網關接收，這樣就存在網關接收到不同網絡中的終端數據的情況
3.網關有樹莓派的操作系統，可以通過IP協議和NS通信。
?阿里云Link WAN平臺核心亮點
海量連接 - 億級接入，百萬并發
按需組網 - 三步接入，用戶自組網
憑證分發 - 組網用戶可二次售賣憑證
平臺API - 對接用戶運用平臺
?Link WAN平臺的網絡架構
LoRaWAN典型系統主要包含了5大網元，分別是：
終端設備（End Device）
網關（Gateway）
LoRaWAN網絡服務器（Network Server）
LoRaWAN網優服務器（Network Control）
應用服務器（Application Server）
從網元簡單對照LoRa聯盟定義LoRaWAN體系架構來看，Link WAN主要對應LoRaWAN標準網絡架構中的NS（Network Server），另外還包含了NC（Network Control）的功能。
七、 Link WAN平臺
Link WAN標準
ICA聯盟（低功耗廣域網標準組）定義了Link WAN標準，Link WAN技術規范基于LoRaWAN標準規范，并對中國470MHz~510MHz頻段重新定義了新的頻譜規劃，制定了節點接入規范（推薦的入網掃描方式、應用層限制等）、網關接入規范等。
LoRaWAN終端設備接入Link WAN網絡，需要遵循《Link WAN LoRa節點接入規范》。
LoRaWAN網關接入Link WAN平臺，需要遵循《Link WAN LoRa基站接入規范》。
目前在中國市場，阿里云主導的Link WAN生態已經聚合近千家各類合作伙伴，部署數萬臺LoRaWAN網關，在居家安防、老人照護、城市應用、園區傳感器與企業智能化等實現物聯網設備上云
?Link WAN平臺產品
依托阿里云海量接入等平臺技術，Link WAN平臺具備大網\專網的能力，從Link WAN平臺提供的功能來看，Link WAN平臺把用戶操作從網絡運營角度劃分為兩大類：
網絡運營商
? ? ? ? 負責“網絡管理”，即布設網關、構建網絡
設備提供商
? ? ? ?負責“節點管理”，物聯網終端產品提供商，直接使用已構建的好的網絡，接入終端產品
? ? ? ?因此超級用戶可以獨立運維一個網絡，自建自用；也可以多個行業用戶共同運維一個網絡，共享共建，各司其職，揚長避短。具體可查看Link WAN產品手冊《搭建與管理網絡》
?Link WAN平臺協議數據流轉
具體從終端設備到阿里云Link WAN平臺，再到阿里云物聯網平臺整個流程的協議數據流轉來看，主要包括如下環節:
（1）LoRaWAN終端設備 <->LoRaWAN網關Gateway
采用LoRaWAN協議
（2）LoRaWAN網關<->LinkWAN服務器
采用TCP/UDP/IP協議等
（3）LinkWAN平臺<->阿里云物聯網平臺或者用戶Application Server
采用HTTP(s)\MQ等
Link WAN平臺的認證實驗室可進行南向產品的前期調試與測試
（4）阿里云物聯網平臺<->WEB前端應用（IoT Studio）
采用HTTP(s)\HTML\MQTT等
終端設備到阿里云Link WAN平臺，再到阿里云物聯網平臺
阿里云物聯網平臺(Link Platform)與物聯網網絡管理平臺(Link WAN)區別?
物聯網絡管理平臺（Link WAN）側重連接管理，目前主要支持的低功耗廣域網絡連接是LoRaWAN。
阿里云物聯網平臺 （Link Platform），是阿里云針對物聯網領域開發人員推出的一款設備管理平臺
Link Platform 位于Link WAN的上層，即Link WAN的數據可進一步流轉到Link Platform。
阿里云LinkWAN的主要功能
Link WAN是一套組網的網管系統
?? ?組網-支持LoRaWAN、蜂窩網與LTE-U(3.0).
?? ?用網-傳感器設備上云
?? ?分享-網絡共享，支持泛在
?? ?認證-Link WAN認證服務
Link WAN生態池
50+家廠商，100+硬件（網關+模組+終端應用）
硬件清單
URL: https://linkmarket.aliyun.com/wan
?Link WAN 生態
總結
- 上一篇： ICMP数据包-实战分析
- 下一篇： 发电厂电气部分第三版pdf_发电厂电气部