LoRa协议
注意：本頁(yè)提供的信息來(lái)自LoRa?Alliance于2015年1月發(fā)布的LoRaWAN Specification V1.0。LoRa聯(lián)盟負(fù)責(zé)隨時(shí)更改規(guī)格，恕不另行通知。RF Wireless World不對(duì)任何與此相關(guān)的問(wèn)題負(fù)責(zé)。請(qǐng)參閱LoRa Alliance（https://www.lora-alliance.org）發(fā)布的最新規(guī)范，以了解根據(jù)LoRa標(biāo)準(zhǔn)對(duì)正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品所做的任何更改。
簡(jiǎn)介
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LoRa技術(shù)被用作廣域網(wǎng)無(wú)線技術(shù)。在美國(guó)（902至928 MHz），歐盟（863至870 MHz），中國(guó)（779至787 MHz）以及其他將在基于LoRa無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中使用的區(qū)域中定義了不同的頻段。它是由Samtech倡議開(kāi)發(fā)的低功耗，長(zhǎng)距離和低數(shù)據(jù)速率技術(shù)。
LoRa網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和終端設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫切切汀＝K端設(shè)備也稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)在LoRa網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中稱(chēng)為基站或集中器。
終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)使用單跳指定的ISM頻段進(jìn)行無(wú)線連接。網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用IP回程連接進(jìn)行連接。
圖1描繪了LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。客戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)位于服務(wù)器中。終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的通信以不同的信道和不同的數(shù)據(jù)速率傳輸。LoRa支持從0.3 Kbps到50 Kbps的自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率。
LoRa類(lèi)型
從終端設(shè)備到網(wǎng)關(guān)的傳輸稱(chēng)為“上行鏈路”，從網(wǎng)關(guān)到終端設(shè)備的傳輸稱(chēng)為“下行鏈路”。
LoRa網(wǎng)絡(luò)由終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)組成。基于MAC層，LoRa網(wǎng)絡(luò)中有三類(lèi)終端設(shè)備。這些類(lèi)被定義為A類(lèi)，B類(lèi)和C類(lèi)。
所有基于LoRa類(lèi)的終端設(shè)備本質(zhì)上都是雙向的，用于通信。以下部分提到了這些LoRa類(lèi)類(lèi)型的基本功能。
LoRa A類(lèi)終端設(shè)備
在A類(lèi)中，LoRa幀具有一個(gè)上行鏈路時(shí)隙，后面是兩個(gè)下行鏈路時(shí)隙。該幀符合TDD拓?fù)洹?/p>
以下是LoRa A類(lèi)終端設(shè)備的特性：
?通常將幀分為上行鏈路傳輸和下行鏈路傳輸。上行鏈路由1個(gè)時(shí)隙和2個(gè)下行鏈路時(shí)隙（或窗口）組成。
?終端設(shè)備根據(jù)需要由終端設(shè)備自行安排。它是隨機(jī)決定的，類(lèi)似于ALOHA協(xié)議。
?它是功耗最低的LoRa終端設(shè)備。
LoRa B類(lèi)終端設(shè)備
以下是LoRa B類(lèi)終端設(shè)備的功能：
?除了A類(lèi)中指定的兩個(gè)時(shí)隙之外，此類(lèi)終端設(shè)備在下行鏈路期間使用額外的接收窗口。?
?B類(lèi)設(shè)備將在指定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲得額外的接收窗口。?
?持續(xù)時(shí)間由網(wǎng)關(guān)使用信標(biāo)幀指定。?
?因此，這種方式LoRa系統(tǒng)在終端設(shè)備可以收聽(tīng)時(shí)向服務(wù)器指示。
LoRa C類(lèi)終端設(shè)備
以下是LoRa C類(lèi)終端設(shè)備的功能：
?除傳輸模式外，此類(lèi)終端設(shè)備可以一直監(jiān)聽(tīng)。因此，它非常適合需要更多下行鏈路傳輸?shù)膽?yīng)用。
?C類(lèi)LoRa終端設(shè)備將比A類(lèi)和B類(lèi)對(duì)應(yīng)設(shè)備使用更多功率。?
?在服務(wù)器和終端設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的所有LoRa類(lèi)終端設(shè)備中的延遲最低。
下表總結(jié)了LoRa中使用的A類(lèi)，B類(lèi)和C類(lèi)之間的區(qū)別。
| 電池供電 | 低延遲 | 沒(méi)有延遲 |
| 雙向通信 | 具有預(yù)定接收時(shí)隙的雙向 | 雙向通信 |
| 單播消息 | 單播和多播消息 | 單播和多播消息 |
| 小有效載荷，長(zhǎng)間隔 | 小有效載荷，長(zhǎng)間隔，來(lái)自網(wǎng)關(guān)的周期性信標(biāo) | 小有效載荷 |
| 終端設(shè)備啟動(dòng)通信（上行鏈路） | 額外接收窗口（ping插槽） | 服務(wù)器可以隨時(shí)啟動(dòng)傳輸 |
| 服務(wù)器在預(yù)定的響應(yīng)窗口期間與終端設(shè)備（下行鏈路）通信 | 服務(wù)器可以固定的間隔啟動(dòng)傳輸 | 終端設(shè)備不斷接收 |
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LoRa頻段
LoRa無(wú)線系統(tǒng)在世界不同地區(qū)使用不同的頻段，如美國(guó)，歐盟，中國(guó)。下表列出了頻帶以及LoRa信道頻率。請(qǐng)注意，Gateway和End設(shè)備可以使用相同的頻率進(jìn)行傳輸，但是在不同的時(shí)隙。這個(gè)概念稱(chēng)為T(mén)DD。
| 歐洲聯(lián)盟 | 863至870 MHz | 868.10 Mhz（由網(wǎng)關(guān)用于監(jiān)聽(tīng)） 868.30 MHz（由網(wǎng)關(guān)用于監(jiān)聽(tīng)） 868.50 MHz（由網(wǎng)關(guān)用于監(jiān)聽(tīng)） 864.10 MHz（由終端設(shè)備用于傳輸加入請(qǐng)求） 864.30 MHz（由終端設(shè)備用于傳輸加入請(qǐng)求） ） 864.50 MHz（由終端設(shè)備用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 868.10 MHz（由終端設(shè)備用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 868.30 MHz（由終端設(shè)備用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 868.50 MHz（由終端設(shè)備用于發(fā)送加入請(qǐng)求） |
| 我們 | 902至928 MHz | 間隔為200KHz的902.3 MHz至914.9 MHz（上行64通道） 903 MHz至914.2 MHz間隔1.6 MHz（上行8通道）? 923.3 MHz至927.5 MHz間隔600KHz（下行8通道） |
| 中國(guó) | 779至787 MHz | 779.5 MHz（默認(rèn)信道） 779.7 MHz（默認(rèn)信道）? 779.9 MHz（默認(rèn)信道）? 779.5 MHz（由ED用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 779.7 MHz（由ED用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 779.9 MHz（由ED用于發(fā)送加入請(qǐng)求） ） 780.5 MHz（由ED用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 780.7 MHz（由ED用于發(fā)送加入請(qǐng)求） 780.9 MHz（由ED用于發(fā)送加入請(qǐng)求） |
ETSI為L(zhǎng)oRa應(yīng)用定義了433至434 MHz頻段。它使用433.175 MHz，433.375 MHz和433.575 MHz頻道。
B類(lèi)終端設(shè)備在EU頻段使用869.525 MHz頻道。
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LoRa協(xié)議棧
圖2描繪了由應(yīng)用層，MAC層，PHY層和RF層組成的LoRa協(xié)議棧。
?來(lái)自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)和在終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間建立連接所需的MAC命令作為MAC有效載荷傳輸。
?MAC層使用MAC有效載荷構(gòu)造MAC幀。
?PHY層使用MAC幀作為PHY有效載荷，并在插入前導(dǎo)碼，PHY頭，PHY頭CRC和整幀CRC之后構(gòu)建PHY幀。
?RF層根據(jù)法規(guī)要求調(diào)制所需ISM RF載波上的PHY幀，并傳輸?shù)娇罩小?/p>
LoRa幀由上行鏈路消息和下行鏈路消息組成。LoRa系統(tǒng)支持三種類(lèi)型。基于這些類(lèi)，LoRa框架結(jié)構(gòu)各不相同。使用一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)將上行鏈路消息從終端設(shè)備發(fā)送到服務(wù)器。
下行鏈路消息從服務(wù)器傳輸?shù)絻H一個(gè)LoRa終端設(shè)備。這是使用與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接的單個(gè)網(wǎng)關(guān)完成的。
LoRa物理層
以下是LoRa物理層（PHY）的功能：
?物理層構(gòu)造幀，以便通過(guò)RF鏈路從MAC層傳輸有效載荷。
?它為整個(gè)幀插入PHDR，PHDR_CRC，前同步碼和CRC。CRC字段僅在上行鏈路消息中可用。
?作為前導(dǎo)碼，基于LORA，GFSK或FSK的調(diào)制技術(shù)使用特定的恒定同步字。該前導(dǎo)碼將有助于接收器處的同步，如接收器所知。?
?PHY層根據(jù)全國(guó)范圍的要求使用特定的RF頻段。
LoRa MAC層
以下MAC消息在LoRa中用于在終端設(shè)備和服務(wù)器之間建立通信。?
?加入請(qǐng)求（從終端設(shè)備到服務(wù)器）?
?加入接受（從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器到終端設(shè)備）?
?信標(biāo)幀（從網(wǎng)關(guān)到終端設(shè)備），用于調(diào)度終端設(shè)備接收的時(shí)隙。
?確認(rèn)的數(shù)據(jù)向上/向下（此消息由LoRa接收器
確認(rèn)） ?未確認(rèn)的數(shù)據(jù)向上/向下（此消息不需要任何確認(rèn)）。?
這里Up表示上行鏈路傳輸，Down表示下行鏈路傳輸。
請(qǐng)參閱>>內(nèi)的LoRa MAC層。
下表提到了LoRa MAC消息字段，如上圖-2所示。
| MHDR | MAC標(biāo)頭，單個(gè)八位字節(jié)長(zhǎng) |
| MAC有效載荷 | 來(lái)自上層的數(shù)據(jù) |
| MIC | 消息完整性代碼，長(zhǎng)度為4個(gè)八位字節(jié) |
| FHDR | 幀頭 |
| FPort | 可選的端口字段 |
| FRMPayload | 可選的Frame Payload字段 |
| 設(shè)備地址 | 設(shè)備地址 |
| FCTRL | 幀控制八位字節(jié) |
| FCNT | 幀計(jì)數(shù)器，2個(gè)八位字節(jié)長(zhǎng) |
| FOpts | 用于傳輸MAC命令的幀選項(xiàng)，長(zhǎng)15個(gè)八位字節(jié) |
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LoRaWAN MAC層執(zhí)行以下功能。
?建立MAC層對(duì)等體之間的連接（即LoRa網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備之間）。
?MAC層處理來(lái)自應(yīng)用層的MAC命令和數(shù)據(jù)的傳輸和接收。基于MAC消息類(lèi)型識(shí)別所有LoRaWAN MAC消息。這顯示在表-1中。
?MAC層在MAC有效載荷的開(kāi)頭和結(jié)尾添加MHDR（MAC頭）和MIC（消息完整性代碼）。MAC頭大小為1個(gè)八位位組，MIC大小為4個(gè)八位位組。如上所述，MAC有效載荷攜帶MAC命令或數(shù)據(jù)。
?PHY層使用MAC層數(shù)據(jù)，其在開(kāi)始時(shí)結(jié)合前導(dǎo)碼，PHY頭和PHY頭CRC以及結(jié)束時(shí)的整個(gè)幀CRC，同時(shí)在發(fā)送端構(gòu)造PHY有效載荷。反向過(guò)程即前導(dǎo)碼，PHY頭和CRC的剝離在接收端完成。有關(guān)PHY層和MAC層的功能，
請(qǐng)參考PHY與MAC。
| 000 | 加入請(qǐng)求 |
| 001 | 加入接受 |
| 010 | 未經(jīng)證實(shí)的數(shù)據(jù) |
| 011 | 未經(jīng)證實(shí)的數(shù)據(jù)下載 |
| 100 | 確認(rèn)數(shù)據(jù) |
| 101 | 確認(rèn)數(shù)據(jù)下來(lái) |
| 110 | RFU |
| 111 | 所有權(quán) |
表-1 LoRaWAN MAC消息類(lèi)型?
加入請(qǐng)求和加入接受：這些消息用于在LoRa終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間建立連接。?
確認(rèn)數(shù)據(jù)消息：此消息類(lèi)型需要由其接收方確認(rèn)。
未確認(rèn)的數(shù)據(jù)消息：此消息類(lèi)型不需要任何確認(rèn)。
專(zhuān)有：此消息類(lèi)型用于合并非標(biāo)準(zhǔn)消息格式功能。
RFU：表示保留供將來(lái)使用。
圖2提到了LoRaWAN PHY有效載荷，而圖3提到了LoRaWAN MAC有效載荷結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱有關(guān)這些字段的LoRaWAN規(guī)范。
MAC命令用于服務(wù)器（即網(wǎng)關(guān)）和終端設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)管理。這些命令對(duì)LoRa服務(wù)器和終端設(shè)備中運(yùn)行的應(yīng)用程序不可見(jiàn)。單個(gè)數(shù)據(jù)幀由一個(gè)或多個(gè)MAC命令組成（捎帶或作為單獨(dú)的幀發(fā)送）。MAC命令基于大小為1個(gè)八位位組的CID字段進(jìn)行隔離。CID代表Command IDentifier。這些mac命令由終端設(shè)備或網(wǎng)關(guān)或兩者使用。
例如，
0x02 CID的值用于'LinkCheckReq'命令（由終端設(shè)備傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)）
0x02的值CID也用于'LinkCheckAns'（通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)浇K端設(shè)備）
值0x03 CID用于網(wǎng)關(guān)傳輸'LinkADRReq'命令。
終端設(shè)備也使用0x03 CID的值來(lái)發(fā)送“LinkADRAns”命令。
LoRa和其他無(wú)線技術(shù)的差別
LoRa代表長(zhǎng)距離電臺(tái)。它是主要針對(duì)M2M和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線技術(shù)。該技術(shù)將使公共或多租戶網(wǎng)絡(luò)能夠連接在同一網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用程序。這種LoRa技術(shù)將在LoRa傳感器和自動(dòng)化產(chǎn)品/應(yīng)用的幫助下實(shí)現(xiàn)智能城市的發(fā)展。
LoRa聯(lián)盟成立，旨在為M2M / IoT標(biāo)準(zhǔn)化LPWAN（低功率廣域網(wǎng)）。該聯(lián)盟的潛在成員包括Actility，Cisco，Bouygues Telecom，Proximus，SingTel，Semtech，Swisscom，IBM，SingTel，KPN等.LoRa聯(lián)盟將推動(dòng)LoRa協(xié)議即LORA WAN的全球成功。
LoRa無(wú)線技術(shù)是M2M和物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)
下表總結(jié)了LoRa無(wú)線技術(shù)的主要特性，如范圍，標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)制方案，容量，物理層等。
| 范圍 | 密集城區(qū)2-5公里，郊區(qū)15公里 |
| 頻帶 | ISM頻段868 MHz和915 MHz |
| 標(biāo)準(zhǔn) | IEEE 802.15.4g |
| 調(diào)制 | 使用擴(kuò)頻調(diào)制類(lèi)型，其使用寬帶線性FM脈沖。在一定時(shí)段內(nèi)的頻率增加或頻率減小用于編碼要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。它比FSK提高了30dB。 |
| 容量 | 一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)。 |
| 電池 | 電池壽命更長(zhǎng) |
| LoRa物理層 | 負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的頻率，功率，調(diào)制，信令 |
圖描繪了LoRa網(wǎng)絡(luò)。它由兩個(gè)主要實(shí)體組成，例如傳感器（或節(jié)點(diǎn)）和LoRa網(wǎng)關(guān)（或LoRa基站）。?
LoRa產(chǎn)品和LoRa設(shè)備測(cè)試
Semtech公司是LoRa無(wú)線技術(shù)產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者。LoRa推出了SX127x系列RF收發(fā)器，用于支持新興M2M / IoT市場(chǎng)的LoRa技術(shù)。這些收發(fā)器工作在860-1000 MHz和137-960 MHz范圍內(nèi)。他們還在860-1000 MHz頻率范圍內(nèi)引入了集中器。
Semtech還為868 MHz頻段提供LoRa器件評(píng)估和測(cè)試設(shè)備。LoRa基站也是由他們開(kāi)發(fā)的。此外，SemTech公司開(kāi)發(fā)了LoRa開(kāi)發(fā)套件，可用于LoRa開(kāi)發(fā)/制造公司。
Lora，INSTEON，Z-wave，Zigbee，X10，HomePlug和其他M2M物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)的區(qū)別
人們可以很容易地得出Lora和其他無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間的差異，如zigbee，z-wave，insteon，X10，Homeplug，EnOcean，藍(lán)牙等。請(qǐng)參閱上表和物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)，其中提到了這些無(wú)線技術(shù)與覆蓋范圍之間的表格比較范圍，操作頻率，數(shù)據(jù)速率，安全性，應(yīng)用程序等。另請(qǐng)參閱以下鏈接之間的差異。
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LoRa收發(fā)器
LoRA是一種流行的無(wú)線技術(shù)，用作物聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）的廣域網(wǎng)。
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圖1描述了LoRA收發(fā)器芯片中的典型組件。它由UART，處理器，GPIO，LoRA協(xié)議棧，LoRA無(wú)線電層，接口總線（例如I2C，SPI）等組成。微控制器單元使用UART與LoRA收發(fā)器連接，用于監(jiān)視和控制應(yīng)用。GPIO用于連接任何用戶定義的硬件組件，如LED，開(kāi)關(guān)等.LoRA RF層與不同頻段的天線（如433和868 MHz）連接。LoRA收發(fā)器需要晶體來(lái)運(yùn)行處理器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
Microchip LoRa收發(fā)器RN2483
Microchip提供基于LoRa技術(shù)的收發(fā)器，用于低功耗和遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)通信。Microchip LoRa收發(fā)器部件號(hào)RN2483支持LoRAWAN A類(lèi)協(xié)議規(guī)范。它能夠使用FSK以300 Kbps的比特率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且根據(jù)LoRA標(biāo)準(zhǔn)使用調(diào)制以5468 bps的比特率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。下表提到了LoRA收發(fā)器的一些功能。
| 射頻（RF）頻段 | 433 MHz，868 MHz |
| 輸出功率 | +14 dBm（最大），可調(diào)節(jié) |
| 調(diào)制 | FSK，GFSK，Lora支持調(diào)制 |
| 接收靈敏度 | 支持到-148 dBm |
| 距離覆蓋 | > 15公里（郊區(qū)），> 5公里（市區(qū)） |
| 應(yīng)用 | 物聯(lián)網(wǎng)，M2M等 |
| 電源電壓 | 2.1 V至3.6 V |
| 溫度范圍 | -40℃至+ 85℃ |
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總結(jié)
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