LoRa及LoRaWAN簡介

目錄

1、什麼是LoRa和LoRaWAN

  1.1 LoRa和LoRaWAN的差別

  1.2 LoRa擴頻技術介紹

    1.2.1 什麼是擴頻技術

    1.2.2 擴頻技術的作用

    1.2.3 擴頻技術常用術語介紹

  1.3 LoRaWAN幀結構

  1.4 硬體方案介紹

    1.4.1 終端裝置方案

    1.4.2 網關方案

2、LoRaWAN網絡架構

3、LoRaWAN終端裝置分類

4、LoRaWAN終端裝置入網

  4.1 OTAA（Over-The-Air Activation）

  4.2 ABP（Activation by Personalization）

5、LoRaWAN終端裝置資料傳輸

  5.1 資料上下行介紹 

  5.2 資料傳輸的一些基本規定

6、ADR機制介紹

  6.1 什麼是ADR

  6.2 ADR有什麼用

  6.3 ADR如何工作

7、CAD機制介紹

  7.1 空中喚醒技術

  7.2 CAD工作原理

    7.2.1 CAD工作流程

    7.2.2 CAD周期計算

    7.2.3 前導碼時間計算

8、MAC指令介紹

9、區域參數

1、什麼是LoRa和LoRaWAN

  1.1 LoRa和LoRaWAN的差別

    LoRa是低功耗廣域網通信技術中的一種，是Semtech公司專有的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。 LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協定和系統架構。它是一種媒體通路控制（MAC）層協定。

    LoRa         = PHY Layer

    LoRaWAN = MAC Layer

  1.2 LoRa擴頻技術介紹

    1.2.1 什麼是擴頻技術

      通過注入一個更高頻信号将基帶信号擴充到更寬的頻帶，它的基本特點是其傳輸資訊所用信号的帶寬遠大于資訊本身的帶寬。

    1.2.2 擴頻技術的作用

      根據香農公式：C = B × log2(1 + S/N)。 式中，C是信道容量，機關為比特每秒(bps)，它是在理論上可接受的誤碼率(BER)下所允許的最大資料速率；B是要求的信道帶寬，機關是Hz；S/N是信号噪聲功率比。C表示通信信道所允許的資訊量，也表示了所希望得到的性能。      從上式可以看出，通過提高信号帶寬(B)可以維持或提高通信的性能(C)，甚至信号的功率可以低于噪底（表現為抗幹擾強、傳輸更遠）。

    1.2.3 擴頻技術常用術語介紹

      帶寬(BandWidth)

      每個信道的上限頻率和下限頻率之差。增加BW，可以提高有效資料速率以縮短傳輸時間，但是以犧牲部分接受靈敏度為代價。增加帶寬為什麼會犧牲信号靈敏度？

      SNR(信噪比)

      信号和噪聲的比值，計量機關是dB，其計算方法是10lg(PS/PN)。根據計算公式可知，SNR小于0時表示信号功率小于噪聲功率，SNR大于0時表示信号功率大于噪聲功率。

      RSSI（接收信号強度訓示）

      即接收靈敏度（機關為dBm）。在純淨環境下，RSSI值與距離是一個非線性曲線的關系，是以路測時在一定距離内RSSI值有參考價值，過距離後基本沒有參考價值。

      擴頻因子（SF）

      擴頻調制技術采用多個資訊碼片來代表有效負載資訊的每個位。擴頻資訊的發送速度稱為符号速率（Rs），而碼片速率與标稱符号速率之間的比值即為擴頻因子，其表示每個資訊位發送的符号數量。Rs = BW/2^SF。

      編碼率（CR）

      編碼率，是資料流中有用部分的比例。也就是說，如果編碼率是k/n，則對每k位有用資訊，編碼器總共産生n位的資料，其中n-k是多餘的。LoRa采用循環糾錯編碼進行前向錯誤檢測與糾錯。

      EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)

      有效全向輻射功率。在LoRa上，每個地區規定的最大EIRP值是不一樣的，EIRP = P（LoRa晶片發送功率） + G（天線增益） – Loss（損耗）。

  1.3 LoRaWAN幀結構

    LoRa有兩種包格式，顯性模式和隐形模式。顯性模式下有Header部分，隐形模式沒有。

    Preamble：用于保持接收機與輸入的資料流同步。預設是12個符号長度，LoRaWAN中使用8個符号長度。前導長度是一個可以通過程式設計來設定的變量，是以前導碼的長度可以擴充。接收機的前導碼長度應與發射機一緻。如果前導碼長度為未知或可能會發生變化，應将接收機的前導碼長度設定為最大值。可以通過設定前導碼值進行位址過濾，實作分組通信。

    Header：包含的資訊有，Payload的位元組數、編碼率、是否打開Payload CRC。LoRaWAN中使用顯性模式，隐形模式下這三個内容需要手動在通訊的兩端配置。

    Payload：真正發送的資料。

    Payload CRC：對Payload的CRC校驗，2個位元組。

    注意：收到confirmed類型的消息時，接收者要回複一條設定了确認位的消息（ACK 設為1）。如果發送者是終端，網絡就把确認消息發送到該終端打開的接收視窗。如果發送者是網關，确認消息的發送由終端就自行判斷。

    注意：

    幀挂起位（FPending）：隻在下行互動中使用，表示網關還有資料挂起等待下發，此時要求終端盡快發送上行消息進而再打開接收視窗接收資料。

    FPort：0表示FRMPayload中隻有MAC指令。1…223（0x01…0xDF）範圍内的FPort由應用指定； FPort = 224 專門為LoRaWAN Mac層測試協定服務。

  1.4 硬體方案介紹

    1.4.1 終端裝置方案

• 從圖中可以看出，sx1276功能和頻段覆寫是最完善的，可以針對歐洲标準、美國标準、中國标準、國際标準市場，目前中國一般使用的是sx1278。
• SX1276/77/78 配備了三個不同的射頻功率放大器。其中兩個分别與 RFO_LF 和 RFO_HF引腳連接配接，能夠實作高達+14dBm的功率放大功能。第三個功率放大器與 PA_BOOST 引腳連接配接，通過專門的比對網絡實作高達+20dBm的功率放大功能。
• RFO_LF 主要針對LF頻段（ 低頻段169M和433M、470M），RFO_HF主要針對高頻頻段（868M-915M），而PA_BOOST能覆寫所有頻段，一般現在設計使用PA_BOOST引腳，能保證+20dBM的發送功率。
• SPI通信可以達到10M，一般LoraWAN時要求使用10M保證SPI通信時間可以忽略。

    1.4.2 網關方案

      網關采用SX1301+SX1255/57的方案 

      SX125X是射頻前端晶片，它負責I/Q（In-phase / Quadrature，同相正交數字信号）和無線電模拟信号之間的轉換。1255支援的頻段為400~510M,1257為862~1020M。

      SX1301由2個MCU和ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit，專用內建電路）的組成。主要部件包括：

      射頻MCU：該MCU通過SPI總線連接配接2片SX125x，主要負責實時自動增益控制、射頻校準和收發切換。

      資料MCU：該MCU負責配置設定8個LoRa數據機給多個通道，它仲裁資料包的機制包括速率、通道、射頻和信号強度。

      IF0~IF7通道：它們的帶寬固定為125kHz，每個通道可以設定中心頻率，每個通道可以接收SF7~SF12共6種速率的LoRa信号。理論上可以同時處理6*8=48個終端的上行資料，但是它隻有8路LoRa解調器，是以一個通道（IF0～IF7）接收了6個正交資料包，解調器也隻負責處理其中一個。

      IF8通道：帶寬支援125 / 250 / 500kHz，用于基站之間的高速通信。

      IF9通道：收發(G)FSK信号，LoRaWAN在歐洲地區使用了該通道。

2、LoRaWAN網絡架構

    LoRaWAN的網絡實體分為四個部分: 終端節點、網關、LoRaWAN伺服器和使用者伺服器。

    End Node: 終端節點一般是各類傳感器，進行資料采集，開關控制等 。

    Gateway: LoRa網關，對收集到的節點資料進行封裝轉發 。

    NetworkServer: 主要負責上下行資料包的完整性校驗。

    ApplicationServer: 主要負責OTAA裝置的入網激活，應用資料的加解密 。

    CustomerServer: 從AS中接收來自節點的資料，進行業務邏輯處理，通過AS提供的API接口向節點發送資料。

3、LoRaWAN終端裝置分類

    根據協定規定有 Class A/B/C 三類終端裝置，這三類裝置基本覆寫了物聯網所有的應用場景。CLASSA/B/C的應用和差別可見下表

4、LoRaWAN終端裝置入網

  4.1 OTAA（Over-The-Air Activation）

• DevEUI(裝置唯一辨別符, Server與Node預先存儲)
• AppEUI(應用唯一辨別符, Server與Node預先存儲)  
• AppKey(Server和Node都要預先存好, 用于對join_accept message的加解密還有node用于生成AppSKey和NwkSKey)  
• DevNonce(可以由LoRa晶片的RSSI随機值得到)
• NetID的7個最低有效位稱作NwkID，即DevAddr（終端短址）的7個最高有效位。區域相鄰或重疊的網絡的NwkID不能相同。餘下的17個最高有效位由網絡營運商自由配置設定。

入網請求包格式

入網接收包格式

• DevAddr：裝置短位址，類似于IP位址。
• DLSettings：低4位表示RX2的速率，高4位表示RX1的速率偏移。
• RxDelay：設定從發送完成到打開RX1視窗的時間。
• CFList：伺服器将信道清單帶給終端。每個通道占用三個位元組，最多下發5個通道

  4.2 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，這個裝置是可以直接發應用資料的。

5、LoRaWAN終端裝置資料傳輸

  5.1 資料上下行介紹 

    這是Class A 上下行的時序圖，目前接收視窗RX1一般是在上行後1秒開始，接收視窗RX2是在上行後2秒開始。

    Class C 和 A 基本是相同的，隻是在 Class A 休眠的期間，它都打開了接收視窗RX2

    Class B 的時隙則複雜一些，它有一個同步時隙beacon，還有一個固定周期的接收視窗ping時隙。如這個示例中，beacon周期為128秒，ping周期為32秒

• 加網之後，應用資料就被加密處理了。
• LoRaWAN規定資料幀類型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 兩種，即需要應答和不需要應答類型。廠商可以根據應用需要選擇合适的類型。
• 另外，從介紹中可以看到，LoRaWAN設計之初的一大考慮就是要支援應用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應用外，在傳輸時也可以利用 FPort 應用端口來對資料分别處理。FPort 的取值範圍是(1~223)，由應用層來指定。

  5.2 資料傳輸的一些基本規定

1. 切換信道 終端節點每次發送資料包都要随機切換信道，切換信道可以有效降低同頻幹擾和無線信号衰減。
2. 發送占空比(DutyCycle) 不同國家和地區, 在ISM頻段, 每個無線裝置允許的最大發送占空比是有限制的, 這樣是為了保證公平和防止非法占用信道。 以歐洲為例, DutyCycle=1%,如果一個裝置發射時間為1s, 則接下來99s它都不能再發射無線信号(但是可以接收)。
3. 駐留時間(DwellTime) 該限制主要在北美地區, 在ISM頻段, 一個無線電裝置每0.4s必須切換信道, 這樣做是為了保證信道使用率和增強抗幹擾能力。例如, 一個裝置發射時間為1s, 它必須調頻3次才能完成發射任務。

6、ADR機制介紹

  6.1 什麼是ADR

    LoRa網絡允許終端裝置逐一使用所有可用的資料速率。LoRaWAN協定根據該特性對靜态終端的資料速率進行調整優化，這就是資料速率自适應(ADR)。

  6.2 ADR有什麼用

    ADR可用時，網絡會對速率進行優化，使其使用的資料速率盡可能快。這樣可以延長終端的電池壽命、充分利用網絡帶寬。

  6.3 ADR如何工作

    如果終端的資料速率經過網絡優化比最低速率大，那節點就要定期檢查保證伺服器仍然能夠收到上傳的資料。

    終端上行的幀計數器每遞增一次（重傳時計數器不遞增）的同時，裝置的 ADR_ACK_CNT 計數器也遞增。如果 ADR_ACK_LIMIT (ADR_ACK_CNT >= ADR_ACK_LIMIT)次上行之後沒有收到下行回複，就會設定 ADR 請求響應位（将 ADRACKReq 設為1）。此時要求網絡在接下來的 ADR_ACK_DELAY 次上行之内做出響應，在任何一次上行後收到下行資料，節點都會重置計數器 ADR_ACK_CNT。在此期間的下行資料不需設定ACK位，因為終端在等待接收期間收到任何應答都表示網關還能接收來自該裝置的上行資料。如果在接下來 ADR_ACK_DELAY 次之内（比如：總共發送次數 ADR_ACK_LIMIT + ADR_ACK_DELAY）沒有收到回複，就切換到更低的資料速率上，以獲得更遠的射頻傳輸距離，并重複上述過程。終端裝置每達到 ADR_ACK_DELAY 就會再次降低自己的資料速率。如果裝置正在使用預設的資料速率就不再設定 ADRACKReq ，這種情況下傳輸距離已經最大，任何操作都不會有改善。

7、CAD機制介紹

  7.1 空中喚醒技術

    在無線傳感網絡設計中，往往大部分的無線收發機節點都需要低功耗處理。為了降低功耗，隻有通過減少無用的工作時間。在大多數的物聯網應用中，無線通信時，射頻部分大多數時間都處在接收狀态，也是主要的能量消耗所在。而當在整個無線網絡中資料量較少，但是節點又要随時準備接收資料。理想狀态是，當有資料需要接收時，節點處于接收狀态，無資訊接收時，節點處于睡眠狀态，這就需要空中喚醒技術。

    空中喚醒從現象上看，好像是發射機把接收機從睡眠中喚醒，實則不然，其實是接收機周期性自動醒來，檢視空中有沒有呼叫信号，如果沒有，則繼續睡眠；如果有，則被喚醒進入接收狀态。是以，在空中沒有呼叫信号時，接收機平均功耗較低。

    但是如何發現呼叫信号，傳統的做法是通過設定RSSI門檻值來判斷，隻有信号強度足夠時才認為有效，喚醒節點，否則相反。随着擴頻調制技術的應用，人們在确定可能低于接收機底噪聲的信号是否已經使用信道時，面臨重重挑戰。這種情況下，使用RSSI無疑是行不通的。為了解決這個問題，可使用信道活動檢測器來檢測信号。

  7.2 CAD工作原理

    7.2.1 CAD工作流程

      從機設定好頻率和擴頻因子，開啟CAD模式，當有比對（相同的頻率和擴頻因子）的信号到來時，就會産生CADDetect中斷，CADDone也會産生（無論是否有信号到來，都會産生CADDone中斷）。如果檢測到CADDetect中斷說明有信号要接收，從機切換成接收模式接收資料，否則清除中斷标志，等待下次檢測。

    7.2.2 CAD周期計算

      發送方的前導碼時間要大于CAD整個周期，這樣才能保證接收方正常接收資料。CAD接收時間：Trec=(2^SF+32)/BW，整個CAD周期：Tcad=1.85*Trec。

    7.2.3 前導碼時間計算

      Tpreamble=(Npreamble+4.25)*Tsym

      Tsym=1/Rs

      Rs=BW/(2^SF)

      當BW=125kHz,SF=7,Tpreamble=12.544ms

8、MAC指令介紹

    網絡管理時會在網絡伺服器和終端MAC層之間傳輸一系列MAC指令。MAC層指令對應用、應用伺服器以及終端裝置上的應用永不可見。

    一幀資料中可以包含任何MAC指令序列，MAC指令既可以放在FOpts中和正常資料一起發送；也可以放在FRMPayload中單獨發送，此時FPort = 0，但不能同時在兩個字段攜帶MAC指令。放在FOpts中的MAC指令不加密，并且不能超過15個位元組。放在FRMPayload中的MAC指令必須加密，同時不能超過FRMPayload的最大長度。

    一條MAC指令由一個位元組的指令ID（CID）和特定的指令序列組成，指令序列可以是空。常見指令如下表所示

9、區域參數

    注意：第一個接收視窗(RX1)使用的頻率、資料速率與上行傳輸時使用的頻率、資料速率存在映射關系。第二個視窗根據每個地區定義有一個預設值，可以通過MAC指令修改。