什么是LoRaWAN

目录

1 技术框图

2 LoRaWAN网络

2.1 终端设备

2.2 LoRaWAN网关

2.3 网络服务器

2.4 应用服务器

3 终端设备分类

3.1 A类设备

3.2 B类设备

1）Beacon & PingSlot

2）如何切换至B类

3）工作时序

3.3 C类设备

4 网络拓扑结构

1 技术框图

        如图所示，LoRa是物理（PHY）层，即用于创建远程通信链路的无线调制。LoRaWAN是一种开放式网络协议，可提供由LoRa联盟标准化和维护的安全双向通信，移动性和本地化服务。

2 LoRaWAN网络

下图是端到端的典型LoRaWAN网络实现，主要包括4个部分：

• 终端设备
• LoRaWAN网关
• 网络服务器
• 应用服务器

2.1 终端设备

• 支持LoRaWAN的终端设备是使用LoRa调制通过RF连接到LoRaWAN网络的传感器或设备。
• 在大多数应用中，终端设备是一种自主的、通常由电池供电的传感器，例如水阀，电表等等。

2.2 LoRaWAN网关

• LoRaWAN网关从终端设备接收LoRa调制射频数据，并将这些数据消息转发到LoRaWAN网络服务器
• 终端设备和网关之间没有一一对应关系，相反，同一终端设备可以由该区域的多个网关提供服务，终端设备上行链路数据包将被所有能收到的网关接收，这样的安排降低丢包率。
• LoRaWAN网关可以通过Wi-Fi，网线等方式连接到网络服务器。
• LoRaWAN网关完全在物理层上运行，本质上只是负责转发LoRa RF消息。接收到LoRa信号后，会进行物理层上校准，如果无误，则会附带一些数据（时间戳，RSSI，SNR等）一起通过上行链路发给网络服务器。对于下行链路，即受到网络服务器的传输请求，则直接转发。
• 由于多个网关可以从单个终端设备接收相同的LoRa RF消息，由网路服务器执行重复数据消除并删除所有副本。根据相同消息的 RSSI 级别，网络服务器通常在传输下行链路消息时选择接收具有最佳 RSSI 的网关，因为该网关是最接近相关终端设备的网关。

2.3 网络服务器

• LoRaWAN网络服务器（LNS）管理整个网络，动态控制网络参数以使系统适应不断变化的条件，并建立安全的128位AES连接，用于端到端数据的传输（从LoRaWAN终端设备到最终用户云中的应用程序）以及控制从LoRaWAN终端设备流向LNS（和返回）的流量。
• 网络服务器确保网络上每个传感器的真实性以及每条消息的完整性。同时，网络服务器无法查看或访问应用程序数据。

2.4 应用服务器

• 应用服务器负责安全地处理、管理和解释终端设备的应用数据。它们还会生成到所连接终端设备的所有应用层下行链路有效负载。

3 终端设备分类

       LoRaWAN 网络中的终端设备分为三类：A 类、B 类和 C 类。终端设备始终可以随意发送上行链路，而设备的类别决定了它何时可以接收到下行链路。类别也决定了设备的能源效率。设备的能源效率越高，电池寿命就越长。

3.1 A类设备

• 此类设备大部分时间处于Sleep下，当终端设备需要上报（比如检测某个数据超过阈值）时，它会自动唤醒并主动发起上行链路。

• 发完数据后再次进入Sleep，在Receive_Delay1（该时间可配置）后再次唤醒，启动监听窗口Rx1
• 如果在Rx1窗口内未接收到数据，会再次进入Sleep。在Receive_Delay2(该时间可配置)后唤醒，并最后一次启动监听窗口Rx2
• 终端设备不会发送另一条上行链路直至：它在 Rx1 期间收到下行链路消息或者最后一次传输后的第二个接收窗口已完成

3.2 B类设备

        作为A类的增强功能，LoRaWAN B类模式为终端设备提供了固定的时间窗口，以接收来自网络的下行链路，使B类终端设备既适用于监控传感器，也适用于执行器。所有基于LoRa的终端设备均以A类模式启动；但是，B类设备是在使用过程中会被应用层切换到B类模式。

1）Beacon & PingSlot

        熟悉B类设备的工作方式，首先要了解Beacon和PingSlot的意义

• Beacon做为信标，是由网关周期的广播信标，用于终端设备同步时间。这个周期一般设置为128s
• PingSlot是在128s周期内，做为终端设备划分的2^N个接收窗口。N取值为0~7可配置

2）如何切换至B类

2.1）A类设备首次同步时间

• 设备以A模式启动，如果需要切换至B类设备，会先首次同步时间
• 节点上行DeviceTimeReq，配备GPS的网关接收到数据时，会同时打上GPS时间戳及SX1301时间戳
• 服务器接收到数据后，将GPS时间戳编码进DeviceTimeAns，通过RX1或RX2下发给节点
• 节点接收到DeviceTimeAns后，结合上次发射结束的时间换算出当前的GPS时间，完成同步

2.2）同步Beacon

• LoRaWAN协议定义支持ClassB的网关每128秒广播一次Beacon，供节点同步时间
• 节点首次同步时间后，可以快速换算出下一个Beacon的发射时间，既加快时间同步过程，也避免持续接收影响功耗
• 节点接收到第一个Beacon后，完成第二次时间同步，后续会每128秒打开一次接收窗口，持续从网关同步时间，确保时间不会漂移

2.3）上报PingSlotPeriod & 切换B类设备

• B类设备的接收窗口，按PingSlotPeriod大小N划分为2^N个接收窗口，称为PingSlot
• 128秒的周期由2^N个PingSlot和Beacon接收窗口组成
• N取值范围是0~7，即节点可根据配置，在128秒的周期内开放1~128个B类接收窗口
• 节点在这一步做确认上行，上报的PingSlotInfoReq必须得到服务器的PingSlotInfoAns，确保双方完成同步
• 获取PingSlotInfoAns成功后，节点立刻上报一帧ClassB标志位置为1的数据帧，提示服务器节点已经进入ClassB模式

3）工作时序

• B类设备包含所有A类设备的特性
• B类设备除定时接收Beacon外，还会定期打开PingSlot接收服务器的主动下行
• 每个节点会根据自身的devAddr生成的初始PingSlot窗口时间，即接收Beacon结束后打开的第一个PingSlot，实现时分复用
• 按区域参数定义，部分频率计划固定B类主动下行频率和速率，部分预设信道的频率计划会根据PingSlot自动调频选择下行频率，实现频分复用

3.3 C类设备

• C类设备是基于长供电的场景
• 和A类设备相似，差别是A类设备睡眠时，C类设备打开接收窗口RC

4 网络拓扑结构

        LoRaWAN 网络和其他网络之间的主要区别在于，终端设备与网络本身配对，而非专用于单个网关。相反，终端设备会向范围内的所有网关广播信号。每个接收网关会将数据包传递到网络服务器，然后网络服务器对消息进行重复数据删除，最后将单一版本的消息发送到应用服务器。

此拓扑结构有几大优势：

• 无需复杂的网络规划。可以随时随地添加网关。
• 精准的消息传递更加可靠，因为在每个上行链路期间会有多个网关接收到同样的数据包。这被称为上行链路空间分集。
• 无需为每个网关规划不同的频率，也无需在网关数量变化时重新分配频率。所有网关都在不断侦听所有的网络频率。
• 由于任何网关都能接收到来自任何设备的消息，因此移动设备可以在低功耗下运行。这意味着（与蜂窝网络等相反），LoRaWAN 网络不会注意或关注设备是否在移动；它只负责从距离设备当前位置最近的网关接收上行链路。