前言：

從本篇文章開始：

從通信節(jié)點(diǎn)的角度度看，將從Lra終端對點(diǎn)對通信轉(zhuǎn)到LoRa終端與LoRa網(wǎng)關(guān)的通信、LoRa終端與LoRa云服務(wù)器的通信；

從協(xié)議棧的角度看，將從物理層上升到LoRa的MAC層， 即LoRaWAN；

從軟件項(xiàng)目的角度看，將由pingpong程序轉(zhuǎn)向Class A-Class C程序。

本文主要探討，LoRa WAN終端與網(wǎng)關(guān)通信所需要知道的一些宏觀技術(shù)點(diǎn)。

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1. 軟件工程文件的轉(zhuǎn)型

默認(rèn)的PingPong軟件工程不再使用，必須轉(zhuǎn)到Class A和 Class C的軟件工程項(xiàng)目。

主要原因是模擬的PingPong應(yīng)用程序發(fā)送的物理層的裸幀，沒有MAC層的頭，不符合LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的設(shè)置規(guī)范，會被LoRa網(wǎng)管直接丟棄。

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2. LoRa與LoRaWAN

LoRa：低功耗無線通信技術(shù)

是一種低功耗遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)， 它是由法國一家公司Cycleo研發(fā)一種創(chuàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)-LoRa,后面被美國一家公司Semtech(升特)收購.后續(xù)由Semtech公司基于這個LoRa技術(shù),開發(fā)一種套LoRa通信芯片解決方案. LoRa后續(xù)通過LoRa聯(lián)盟來開始覆蓋推廣普及。因此狹義的LoRa主要是指LoRa射頻層與LoRa物理層。

LoRaWAN：LoRa廣域網(wǎng)

LoRaWAN是基于LoRa遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的一套廣域網(wǎng)協(xié)議，包括MAC層通訊協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

如果按協(xié)議分層來說，LoRaWAN重點(diǎn)在MAC層，LoRa重點(diǎn)在物理層。

當(dāng)然，廣義上的LoRa也包括LoRaWAN。

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3. LoRaWAN與LoRa MAC層

應(yīng)該說，LoRaWAN（LoRa廣域網(wǎng)）的概念比LoRa MAC層更廣。LoRaWAN不僅僅包括LoRa MAC層協(xié)議，還包括LoRa應(yīng)用層和LoRa的整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

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4. LoRAN（LoRa廣域網(wǎng)）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體分為四個部分: 終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、LoRaWAN服務(wù)器和用戶服務(wù)器。

• End Node: 終端節(jié)點(diǎn)一般是各類傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，開關(guān)控制等 。
• Gateway: LoRa網(wǎng)關(guān)，對收集到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝轉(zhuǎn)發(fā) 。
• NetworkServer: 主要負(fù)責(zé)上下行數(shù)據(jù)包的完整性校驗(yàn)。
• ApplicationServer: 主要負(fù)責(zé)OTAA設(shè)備的入網(wǎng)激活，應(yīng)用數(shù)據(jù)的加解密 。
• CustomerServer: 從AS中接收來自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，通過AS提供的API接口向節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

后續(xù)的幾篇文章，依然把重點(diǎn)放在終端節(jié)點(diǎn)上，但終端節(jié)點(diǎn)的軟件協(xié)議需支持LoRa MAC層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議，而不僅僅是物理層協(xié)議。這樣的LoRa終端，稱為LoRaWAN終端。

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5. LoRaWAN終端設(shè)備分類

根據(jù)協(xié)議規(guī)定有, LoWAN的終端分為Class A/B/C 三類終端設(shè)備，這三類設(shè)備基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用場景。

CLASSA/B/C的應(yīng)用和區(qū)別可見下表：

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6. LoRa物理層的幀結(jié)構(gòu)

遵循此層的消息格式，可以實(shí)現(xiàn)LoRa終端點(diǎn)對點(diǎn)的通信。

這個結(jié)構(gòu)需要深入探究，因?yàn)檫@涉及到LoRa終端之間是否能夠通信、LoRa終端是否能夠與LoRa進(jìn)行通信的關(guān)鍵。

物理層的幀結(jié)構(gòu)是有LoRa的射頻芯片完成的，軟件治只能設(shè)置模式。

（1）Preamble：用于保持接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)流同步。

Preamble的每個符號是0和1的交替，即0101

LoRa SX1261/2 芯片默認(rèn)的符號個數(shù)是12，即0101 0101 0101，LoRaWAN中默認(rèn)的符號符號個數(shù)是8，即0101 0101。

前導(dǎo)長度是一個可以通過編程來設(shè)置的變量，所以前導(dǎo)碼的長度可以擴(kuò)展。接收機(jī)的前導(dǎo)碼長度應(yīng)與發(fā)射機(jī)一致。如果前導(dǎo)碼長度為未知或可能會發(fā)生變化，應(yīng)將接收機(jī)的前導(dǎo)碼長度設(shè)置為最大值。？？？？接收的前導(dǎo)碼小于還是大于發(fā)射機(jī)？

注意：這里的長度的單位是bit，而不是byte。即多少位。

（2）物理層頭的類型

LoRa物理層幀的頭包括兩種模式，顯性模式和隱形模式。這是由程序設(shè)定的。

隱性模式：沒有物理幀的頭部信息，即Preamble之后，直接是MAC層的幀。因此這種模式，物理層Payload的長度必須是確定的、固定的，且需要通信的雙方事先約定好，如果實(shí)際數(shù)據(jù)幀的長度不足預(yù)定的長度，需要添加填充域。

顯性模式：包含物理層的幀頭部分。LoRaWAN使用的是顯性模式，

（3）顯性模式下物理層的P_Header：

包含的信息

• Payload的字節(jié)數(shù)：

軟件通過如下的寄存器告訴射頻芯片，需要發(fā)送的物理層的payload的長度：

數(shù)據(jù)凈荷的最大長度為255字節(jié)。

在隱性模式下，需要通信雙方約定數(shù)據(jù)凈荷的長度。

發(fā)送端，一旦已發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長度等于設(shè)定的長度，就停止發(fā)送，添加CRC.

接受端，一旦接收到的數(shù)據(jù)幀的長度等于設(shè)定的長度，就停止接收，檢查CRC.

因此，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長度與接收端的預(yù)先設(shè)定不一致，就會導(dǎo)致出錯。

在顯性模式下，不需要通信雙方約定數(shù)據(jù)凈荷的長度。

發(fā)送端，paylaod的實(shí)際數(shù)據(jù)長度，會添加到P_Header中，并通過此域把數(shù)據(jù)凈荷的長度信息傳遞給接收端。

接收端，從P_Header中獲取數(shù)據(jù)凈荷的長度，并根據(jù)此長度域進(jìn)行數(shù)據(jù)凈荷的接收。

增加了通信雙方的適應(yīng)性。

• 數(shù)據(jù)凈荷的前向糾錯碼的編碼率CR(Coding Rate)

FEC編碼的冗余部分允許接收方檢測可能出現(xiàn)在信息任何地方的有限個差錯，并且通常可以糾正這些差錯而不用重傳。

FEC使接收方有能力糾正錯誤而不需要反向請求數(shù)據(jù)重傳，不過這是以一個固定的更高轉(zhuǎn)發(fā)的帶寬為代價的。

因此FEC被應(yīng)用在重傳開銷巨大或者不可能重傳的情況下，比如單向通信鏈接的時候以及以多路廣播的形式傳送數(shù)據(jù)給多個接收方時。FEC信息通常被添加到大量存儲設(shè)備中，以保障受損數(shù)據(jù)的恢復(fù)。FEC也被廣泛應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)中。

添加的冗余比特越多，就糾錯的能力越強(qiáng)，但需要的帶寬就越大，因此冗余編碼率會影響信息傳輸所需要的帶寬。

冗余編碼率是通過軟件設(shè)定的：

4/5表示：有效數(shù)據(jù)是4比特，編碼后是5比特。編碼率為0.8，或者說溢碼率是1.25.

注意：

糾錯編碼是LoRa modem的功能，不是物理幀頭的設(shè)置。

在隱性模式下，沒有物理層的幀頭信息，只能通過通信雙方人為的約定，如果通信雙方設(shè)置不一樣，這會導(dǎo)致譯碼錯誤。

在顯性模式下，有物理層的幀頭信息承載發(fā)送端端的糾錯編碼的編碼率。接收端就可以根據(jù)此域?qū)?shù)據(jù)凈荷進(jìn)行糾錯性解碼。不需要通信雙方提前人為約定了。

增加了通信雙方的適應(yīng)性。

• 是否打開Payload CRC。

對Payload的CRC校驗(yàn)，2個字節(jié)。這個CRC是由射頻芯片計(jì)算和添加，不是由軟件來完成的。

但是否需要添加CRC是由軟件設(shè)置的，即Payload CRC的使能是由軟件控制的。

需要添加CRC是由軟件設(shè)置的，即Payload CRC的使能是由軟件控制的。

在隱性模式下，沒有物理層的幀頭信息，就需要通信雙方約定，數(shù)據(jù)幀最后的2個字節(jié)是否是CRC。

在顯性模式下，可以通過物理層的幀頭，傳遞此信息，不需要人為的預(yù)先約定。

增加了通信雙方的適應(yīng)性。

（4）P_Header CRC

對Header域進(jìn)行單獨(dú)的CRC校驗(yàn)，確保物理層幀頭部的正確性，當(dāng)然，不包括Preamble。

在隱性模式下，不需要該域，因?yàn)殡[性模式下，沒有物理層的幀頭信息，因此就沒有物理層幀頭的CRC.

在顯性模式下，是由LoRa的射頻芯片自動添加的，軟件不可設(shè)置。

（5）Payload：

物理層的真正發(fā)送的數(shù)據(jù)，在LoRaWAN協(xié)議中，該payload就是LoRaWAN的MAC層幀。

（6）Payload CRC：

對Payload的CRC校驗(yàn)，2個字節(jié)。這個CRC是由射頻芯片計(jì)算和添加，不是由軟件來完成的。

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7. LoRaWAN MAC層的幀結(jié)構(gòu)

遵循此層的消息格式，可以實(shí)現(xiàn)LoRa終端與網(wǎng)關(guān)之間的通信（網(wǎng)關(guān)路由合法的LoRaWAN的消息凈荷）

MAC層的幀結(jié)構(gòu)是由LoRaWAN Class A-C的終端軟件程序完成的。整個MAC的幀作為物理層幀的payload存在。

MAC有MAC層的幀頭MHDR+MAC payload + MIC組成。

（1）MHDR：MAC層的幀頭（7..0）

• MType：LoRa消息的類型（7..5）

LoRa消息的類型分類：

a) Join request和Join Accept：是終端請求加入到LoRa網(wǎng)絡(luò)中的消息。

b) Unconfirmed Data up & down：這種是單向，不需確認(rèn)的消息， 沒有確認(rèn)與超時重發(fā)機(jī)制。

c) confirmed Data up & down：這種消息是需要確認(rèn)回復(fù)的，如果沒有回復(fù)，就會啟動超時重發(fā)

注意：

收到confirmed類型的消息時，接收者要回復(fù)一條設(shè)置了確認(rèn)位的消息（ACK 設(shè)為1）。

如果發(fā)送者是終端，網(wǎng)絡(luò)就把確認(rèn)消息發(fā)送到該終端打開的接收窗口。

如果發(fā)送者是網(wǎng)關(guān)，確認(rèn)消息的發(fā)送由終端就自行判斷。

d) RFU, Proprietary：保留或自定義

• RFU（Reserved for future use）：保留域（4..2）
• Major：協(xié)議版本（1..0）

（2）MAC payload：MAC層凈荷

MAC凈荷，就是LoRa WAN各種類型消息的實(shí)體。

（3）MIC：一致性校驗(yàn)碼（安全性加密功能）

LoRaWAN中的MIC是CMAC的四個最低有效字節(jié)，這一點(diǎn)在LoRaWAN協(xié)議中有說明:

The MIC is calculated as follows [RFC4493]:

msg = MHDR | FHDR | FPort | FRMPayload
cmac = aes128_cmac(NwkSKey, B 0 | msg)

MIC = cmac[0..3]

?CMAC則是AES中的一個算法，開發(fā)人員直接調(diào)用AES庫函數(shù)即可，而AES在openssl中有實(shí)現(xiàn)。

7. LoRaWAN協(xié)議層的消息結(jié)構(gòu)

遵循此層的消息格式，可以實(shí)現(xiàn)LoRa終端與LoRa服務(wù)器之間的通信。

所謂LoRaWAN協(xié)議層的消息,在上圖中，就是指“數(shù)據(jù)幀”

LoRaWAN協(xié)議層的消息組成：

（1）FHDR

• DevAddr：4字節(jié)的終端設(shè)備的地址

表明該消息的終端標(biāo)識（雙向，LoRa不需要設(shè)備地址）

• FCTR：1個字節(jié)的消息控制

• FCnt：

• FOpts：消息操作類型

（2）FPort：上層應(yīng)用程協(xié)議類型，類似與TCP/IP協(xié)議中的端口號。

0：表示FRMPayload中只有MAC命令。

1…223（0x01…0xDF）范圍內(nèi)的FPort由應(yīng)用指定；

FPort = 224 專門為LoRaWAN Mac層測試協(xié)議服務(wù)。

（3）FRM Payload：應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)。

8. LoRaWAN消息交互

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參考：

LoRa WAN的官方協(xié)議

LoRa WAN協(xié)議中文翻譯：https://legacy.gitbook.com/book/twowinter/lorawan-specification_zh_cn/details

LoRa及LoRaWAN簡介： LoRa及LoRaWAN簡介_o倚樓聽風(fēng)雨o的博客-CSDN博客_lorawan

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的物联网LoRa系列-25：LoRa终端--LoRaWAN协议简介与LoRa WAN终端软件选择的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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