物联网LoRa系列-2：LoRa系统架构与协议栈详解
主要內(nèi)容
1. 什么是Lora？
2. LoRa的主要特點(diǎn)？
3. LoRa的系統(tǒng)架構(gòu)？
4. LoRa終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接方式？
5. LoRa終端節(jié)點(diǎn)的三種工作模式？
6. LoRa的協(xié)議棧？
1. 什么是LoRa
LoRa是semtech公司創(chuàng)建的低功耗、遠(yuǎn)距離、無(wú)線、廣域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。
LoRa的名字是遠(yuǎn)距離（Long Range）的簡(jiǎn)稱。
低功耗一般很難覆蓋遠(yuǎn)距離，遠(yuǎn)距離一般功耗高，要想馬兒不吃草還要跑得遠(yuǎn)，好像難以辦到。而LoRa的最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3-5倍。與之對(duì)應(yīng)的無(wú)線廣域網(wǎng)通信技術(shù)有：GPRS、NB IoT、Sigfox；與之對(duì)應(yīng)的無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)有：RFID、藍(lán)牙、ZigeBee、WiFi。
2. LoRa的主要特點(diǎn)
低速率（帶寬）：低頻譜帶寬，傳輸速率從幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長(zhǎng)，這很像一個(gè)人挑東西，挑的多走不太遠(yuǎn)，少了可以走遠(yuǎn)。
低功耗（功率）：信號(hào)的發(fā)送功率超低，電池壽命長(zhǎng)達(dá)10年，若采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)則需頻繁更換電池，這在很多惡劣環(huán)境下很難實(shí)現(xiàn)。
遠(yuǎn)距離（空間）：傳輸距離遠(yuǎn)，城鎮(zhèn)可達(dá)2-5 Km ， 郊區(qū)可達(dá)15 Km 。
大連接（數(shù)量）：LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)。
非頻發(fā)（時(shí)間）：適合不需要連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包的的場(chǎng)合，
高延時(shí)（時(shí)間）：數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)較大。
低費(fèi)用（金錢）：采用免費(fèi)的頻譜資源、單次較低數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸、較低的傳輸頻次，使得LoRa的運(yùn)營(yíng)成本較低。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)為高帶寬設(shè)計(jì)，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)要占用網(wǎng)絡(luò)和碼號(hào)資源，還會(huì)產(chǎn)生包月流量費(fèi)用。
安全性：采用AES128加密。
工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MH等。
調(diào)制方式：基于semtech公司私有專利的擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，這是實(shí)現(xiàn)低功耗遠(yuǎn)距離的關(guān)鍵。
標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g。
3. LoRa的系統(tǒng)架構(gòu)
如下是LoRa在通用的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的位置：
LoRa：是無(wú)線接入技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，LoRa處于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線終端感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層。因此LoRa本身并不是物聯(lián)網(wǎng)的全部，只是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。
LoRa終端：通過(guò)傳感器采集物體的信息，并通過(guò)LoRa無(wú)線空口技術(shù)，把數(shù)據(jù)傳輸給LoRa無(wú)線基站。
LoRa無(wú)線基站：提供對(duì)LoRa終端的無(wú)線接入和匯聚，LoRa無(wú)線基站通過(guò)以太局域網(wǎng)或2G/4G/5G的公共移動(dòng)通信網(wǎng)，連接到LoRaWAN廣域網(wǎng)服務(wù)器。
LoRaWAN服務(wù)器：可以管理多個(gè)LoRa無(wú)線基站，同時(shí)充當(dāng)LoRa終端連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)。
如下是LoRa聯(lián)盟推薦的的LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：
LoRa Node：LoRa終端節(jié)點(diǎn)
Concentrator：實(shí)現(xiàn)對(duì)LoRa終端節(jié)點(diǎn)提供接入和匯聚功能個(gè)的LoRa基站。
Network Server：LoRa的核心網(wǎng)，用于管理LoRa網(wǎng)絡(luò)中所有的LoRa節(jié)點(diǎn)。
Application Server：由不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的服務(wù)器組成，并通過(guò)Web或手機(jī)接入的方式向用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)。
與通用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的區(qū)別是，在此架構(gòu)中，沒(méi)有一個(gè)顯式的、支持各種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入的、通用的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)層。該云平臺(tái)可以從Application Server中分離出來(lái)，處于Network Server和Application Server之間。可以與Network Server一起部署。
4. LoRa終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接方式：
（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。
一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)通信，A點(diǎn)發(fā)起，B點(diǎn)接收，可以回復(fù)也可以不回復(fù)確認(rèn)，多組之間的頻點(diǎn)建議分開。如下午圖所示：
這種連接方式單純利用LoRa射頻低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ?#xff0c;目前主要針對(duì)特定應(yīng)用和試驗(yàn)性質(zhì)的項(xiàng)目。
優(yōu)點(diǎn)在于最簡(jiǎn)單，
缺點(diǎn)在于不存在組網(wǎng)。
（2）星狀網(wǎng)輪詢。
一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，N個(gè)“從節(jié)點(diǎn)”輪流與“中心節(jié)點(diǎn)”通信，從節(jié)點(diǎn)上傳，等待中心點(diǎn)收到后返回確認(rèn)，然后下一個(gè)節(jié)點(diǎn)再開始上傳，直到所有N個(gè)節(jié)點(diǎn)全部完成，一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束。如下圖所示。
該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上還屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但是加入了分時(shí)處理，N個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的頻點(diǎn)可以分開，也可重復(fù)使用。
優(yōu)勢(shì)在于單項(xiàng)目成本低，
不足之處是僅適合從節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。
（3）星狀網(wǎng)并發(fā)。
如圖下圖，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信：
這里：網(wǎng)關(guān)、LoRa Ap 、LoRa基站是同一個(gè)概念。
多個(gè)從節(jié)點(diǎn)可同時(shí)與中心點(diǎn)通信，從節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)外界環(huán)境和信道阻塞自動(dòng)采取跳頻和速率自適應(yīng)技術(shù)，邏輯上，網(wǎng)關(guān)/可以接收不同速率和不同頻點(diǎn)的信號(hào)組合，物理上網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接收8路、16路、32路甚至更多路數(shù)據(jù)，減少了大量節(jié)點(diǎn)上行時(shí)沖突的概率。
該系統(tǒng)具有極大的延拓性，可單獨(dú)建網(wǎng)，可交叉組網(wǎng)，這是LoRa目前最主要、最主流的組網(wǎng)形態(tài)！
5. LoRa終端節(jié)點(diǎn)的三種工作模式：用好LoRa終端的關(guān)鍵！
為了更好的適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)低功耗的需求，設(shè)計(jì)了三種LoRa終端的工作模式： Class A、Class B、Class C.
Class A的終端，長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，最省電。只能在喚醒后且發(fā)送數(shù)據(jù)后的2個(gè)接收時(shí)隙，接收服務(wù)器的指示和響應(yīng)，因此不能實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)器的控制。
Class B的終端，間隙性的休眠，間隙性的喚醒，喚醒后，并不一定發(fā)送數(shù)據(jù)，但打開在特定的時(shí)隙打開接收窗口，接收來(lái)自于服務(wù)器的指令指示。
Class C的終端，實(shí)時(shí)在線，在每個(gè)接收時(shí)隙周期里都能夠接收來(lái)自服務(wù)器的指示。因此這種模式的終端最耗電。
Class A：功耗最低的模式
Class A 上下行時(shí)隙圖：
終端的接收窗口RX1，一般是在終端的上行發(fā)送Transmit后1秒開始，
終端的接收窗口RX2, 一般是在終端的上行發(fā)送Transmit后2秒開始。
也就是，終端接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)窗口，是在終端有數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)，才順便看一下是否有服務(wù)器下發(fā)來(lái)的指令。其他時(shí)間，終端都處于休眠狀態(tài)，無(wú)法接收服務(wù)器的指令。
終端與基站的通信過(guò)程：
類A設(shè)備實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙向的通信，即每個(gè)端設(shè)備的上行傳輸后跟著兩個(gè)短小下行接收窗口。
端設(shè)備安排好的傳輸時(shí)隙是基于它自己的通信需要的，該需要是有一個(gè)基于隨機(jī)時(shí)間基的小變化的。
類A操作是應(yīng)用的最低功耗選擇，在端設(shè)備已經(jīng)發(fā)送一個(gè)上行傳輸后該應(yīng)用立刻只從服務(wù)器獲取下行通信。在任意其他時(shí)間的來(lái)自服務(wù)器的下行通信必須等待下次安排好的上行通信。類A涵蓋了絕大多數(shù)用例，是LoRa功率最高效的模式。
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Class B：應(yīng)用最廣泛的模式
Class B 上下行時(shí)隙圖：
lass B 的時(shí)隙則復(fù)雜一些，它有一個(gè)同步時(shí)隙beacon，還有一個(gè)固定周期的接收窗口ping時(shí)隙。
如這個(gè)示例中，beacon周期為128秒，ping周期為32秒。
看起來(lái)復(fù)雜，但實(shí)際上就跟NB-IoT的eDRX模式差不多，隔幾十秒打開接收窗口收一個(gè)數(shù)據(jù)。其他時(shí)候都在休眠。
這種工作模式，終端功耗低、服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)延時(shí)也不大。既不用接電，也能夠“還算及時(shí)”的控制設(shè)備。因此適合定位器、開關(guān)等場(chǎng)景。
終端與基站的通信過(guò)程：
LoRaWAN類B選項(xiàng)的終端，周期性的喚醒：
每128s喚醒后與基站同步一次，稱為beacon周期。
每32s打開接收窗口，在周期性的時(shí)隙期間，它允許設(shè)備在一個(gè)可預(yù)知的時(shí)隙上，打開一個(gè)簡(jiǎn)短額外的接收窗口（稱為“ping slot”），接收來(lái)自于網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的消息。
Class C：響應(yīng)最及時(shí)的模式
Class C 上下行時(shí)隙圖：
Class C 和 A 基本是相同的，
幾乎隨時(shí)都可以接收數(shù)據(jù)。只干活不睡覺(jué)，功耗自然就高了。考慮到10mA級(jí)別的接收電流，不是長(zhǎng)供電的設(shè)備最好別用這個(gè)模式。
終端與基站的通信過(guò)程：
該模式的LoRa終端，不休眠，除了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，處于發(fā)送狀態(tài)不能接收數(shù)據(jù)外，其他時(shí)間都處于接收狀態(tài)，在任何時(shí)隙都能夠接收來(lái)自于服務(wù)器的消息和命令指示。實(shí)時(shí)性最高，最耗電。
匯總比較：
6. LoRa的協(xié)議棧
（1）LoRa終端的協(xié)議棧：
RF層：最底層RF射頻層（Regional ISM, 區(qū)域性免費(fèi)頻段)，支持的頻段有歐洲的US868、EU433; 美國(guó)的US915, 亞洲的AS430；這里的數(shù)字表示頻率。 這層的協(xié)議通常是由semtech公司的RFIC芯片實(shí)現(xiàn)的。
L1層：LoRa Modulation（模式調(diào)試與編碼），實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的無(wú)線編碼調(diào)制。包括擴(kuò)頻編碼調(diào)制與移頻鍵控編碼調(diào)制FSK。 這層的協(xié)議通常是由semtech公司的RFIC芯片實(shí)現(xiàn)的。
L2層：LoRa MAC（MAC層）：實(shí)現(xiàn)LoRa終端的無(wú)線鏈路管理，包括上述描述的終端的三種工作模式的管理。同時(shí)還定義了MAC層的數(shù)據(jù)包封裝格式。
后續(xù)會(huì)詳細(xì)介紹RF層, L1層, L2層的協(xié)議細(xì)節(jié)。
（2）LoRa系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層不在此文中討論。
結(jié)束語(yǔ)：
參考1：Arch：https://blog.csdn.net/RAKwirelsss/article/details/90766193
參考2：Arch：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1625592140909595645&wfr=spider&for=pc
參考3：MAC：https://blog.csdn.net/ccc12cc/article/details/79252642???
參考4：調(diào)制：https://blog.csdn.net/howiexue/article/details/78017320
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的物联网LoRa系列-2：LoRa系统架构与协议栈详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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