关于lorawan

上一次弄涉及到lorawan的设备还是2年前咯，时间过得真快，由于最近要重新找工作，简历上写了这东西，但是又基本忘光光了，于是来复习一下。

1 什么是LoRaWan

• Lora仅是一种无线通信的调制方式，lorawan是无线通信协议和系统架构
• 低功耗
• 长距离
• 低数据速率
• 星形拓扑，单个节点数据可由多个网关接收，单个网关可接收多个节点数据，网关透明传输不做数据处理，仅将数据抛给网络服务器。
• 官网

1.1 什么是lora

lora和FSK一样都是一种无线调制方式，但原理是完全不同的，lora通过发射信号的频率变化率来承载数据，而FSK则是通过不同频点来实现。前者使得实际传输信息所需要的带宽远大于信息本身的带宽，提高了抗干扰能力，使其传输距离变得更长。
可以通过四个参数去lora进行优化：带宽(BW)、扩频因子(SF)、编码率(CR)、低数据速率优化(LDRO)

• spreading factor :扩频调制后的信号与扩频调制前的信号带宽之比。数据传输时，将每一位用多位来表示，能够降低误码率，但是传输数据速率也降低了。
• 编码率:数据流中有用部分的比例。如果编码率是k/n，则对每k位有用信息，编码器总共产生n位的数据，其中n-k是多余的，LoRa采用循环纠错编码进行前向错误检测与纠错，使用该方式会产生传输开销
• 带宽: 限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，增加BW，可以提高有效数据速率以缩短传输时间，但是会降低接收灵敏度
• 参数之间的关系: 符号速率Rs=BW/(2^SF)，数据速率DR= SF*( BW/2^SF)*CR

2 LoRaWan 通信数据帧

2.1 Radio PHY layer

前导码	物理头	头校验	物理层负载	CRC
Preamble	PHDR	PHDR_CRC	PHYPayload	CRC

该层除了负载部分，其余均是硬件生成，注意的是最后的CRC只有在上行链路的时候才存在，下行是没有的

2.2 MAC层

2.2.1 帧格式

MAC层帧头	MAC层负载	4字节校验
MHDR	MACPayload	MIC
MHDR	Join-Request	MIC
MHDR	Join-Response	MIC

2.2.2 MAC层帧头(MHDR)

MHDR只有一个字节大小

MHDR	MType	RFU	Major
Bit位	7~5	4~2	1~0

• MType

表示消息类型，入网、入网应答、无需应答的数据上行、无需应答的数据下行、需要应答的数据上行、需要应答的数据下行

MType	描述
000	join Request
001	join Accept
010	Unconfirmed Data Up
011	Unconfirmed Data Down
100	Confirmed Data Up
101	Confirmed Data Down
110	RFU(保留)
111	私有

• Major

数据消息的版本

Major	描述
00	LoraWan R1
其他	RFU

2.2.3 MAC层负载

帧格式:

负载头	端口	帧负载
FHDR	FPort	FRMPayload

• FHDR

MAC负载帧头组成由终端短地址(DevAddr)、帧控制字节FCtrl、帧计数器(FCnt)、MAC命令配置字段(FOpts)，其中FOpts最多15个字节

FHDR:	DevAddr	FCtrl	FCnt	FOpts
byte字节	4	1	2	0~15

• 帧控制字节FCtrl

下行时：

FCtrl	ADR	RFU	ACK	FPending	FOptsLen
Bit位	7	6	5	4	3~0
上行时:
FCtrl	ADR	ADRACKReq	ACK	RFU	FOptsLen
—	—	—	—	—	—
Bit位	7	6	5	4	3~0

速率自适应控制(ADR, ADRACKReq)：
如果置位为true，则服务器会对该节点进行速率和功率的修改。
消息确认位(ACK)：
当收到confirmed类型的消息时，进行应答
帧挂起位(FPending)：
只在下行交互中使用，表示网关还有数据挂起等待下发。此时要求终端尽快发送上行消息来再打开接收窗口。
帧配置长度：
帧配置长度（FOptsLen）字段位于帧的 FCtrl 部分，表示FOpts的实际长度

• 计数器 (FCnt)
  上行链路计数器（FCntUp），由终端产生并维护，记录发往服务器的帧数量；下行链路计数器（FCntDown），由服务器产生并维护，记录服务器发往终端的帧数量。

• MAC命令配置(FOpts)
  一帧数据中可以包含任何MAC命令，MAC命令既可以放在FOpts中，也可以放在FRMPayload中，但不能同时在两个字段携带MAC命令。MAC命令放在FRMPayload时，FPort = 0。
  放在FOpts的命令不加密（原因：加密Payload，对整个数据签名），也不能超过15个字节（2^4 - 1）。
  放在FRMPayload的MAC命令长度不能超过FRMPayload的最大值。
  不想被别人截获的命令要放到FRMPayload，并单独发送该数据帧
  一条mac命令由一个命令ID（CID，一个字节），和特定的命令序列组成，命令序列可以是空。

命令ID	命令	终端发送	网关发送	简介
0x02	LinkCheckReq	x		用于终端验证网络连接
0x02	LinkCheckAns		x	回应验证请求， 同时包含终端接收质量相关的估算的信号功率
0x03	LinkADRReq		x	请求终端改变数据率、传输功率、接收率或者信道
0x03	LinkADRAns	x		LinkRateReq的应答
0x04	DutyCycleReq		x	设置设备的最大总发射占空比
0x04	DutyCycleAns	x		DutyCycleReq的应答
0x05	RXParamSetupReq		x	设置接收时隙相关参数
0x05	RXParamSetupAns	x		RXSetupReq的应答
0x06	DevStatusReq		x	请求终端状态
0x06	DevStatusAns	x		返回终端装填，即电量和解调情况
0x07	NewChannelReq		x	创建或修改无线电信道
0x07	NewChannelAns	x		NewChannelReq的应答
0x08	RXTimingSetupReq		x	设置接收时隙的时间
0x08	RXTimingSetupAns	x		RXTimingSetupReq的应答
0x80~0xff	Proprietary	x	x	保留命令
详细MAC命令单独开文说明。

• 端口FPort
  帧负载数据（FRMPayload）不为空的时候端口号也不能是空。此时FPort=0表示FRMPayload中只有MAC命令

• 帧负载FRMPayload
  如果帧数据中包含payload，要先对FRMPayload进行加密，再计算消息的一致性校验码（MIC）。
  加密方案使用基于IEEE 802.15.4/2006 Annex B [IEEE802154] 的AES加密，秘钥长度128位。
  使用哪种加密秘钥K取决于消息的FPort：

FPort	K	备注
0	NwkSKey	网络密匙
1~255	AppSkey	应用密匙

2.2.4 消息一致性脚环MIC

对整个消息的所有字段进行计算（AES签名算法CMAC）得到消息一致性校验码（MIC）。

2.2.5 Join-request

size	8	8	2
Join Request	AppEUI	DevEUI	DevNonce

2.2.6 Join-accept

size	3	3	4	1	1	(16)Optional
Accpet	AppNonce	NetID	DevAddr	DLSettings	RXDelay	CFList

3 lorawan的下行模式

3.1 class A

接收时隙图

其中Transmait表示一帧上行包的发送时间
RX1表示下行窗口1
R2表示下行窗口2
RECEIVE_DELAY1表示定时器1的定时时长
RECEIVE_DELAY2表示定时器1的定时时长

3.1.1 下行流程说明

当上行数据发送完毕之后将会打开两个定时器，其一被设定为定时RECEIVE_DELAY1，当定时器超时后打开下行数据接收窗口RX1，RX1的接收频率和上行频率相关，对应关系被表述在了地区规范的文档中，下列将简述一下。默认第一窗口的速率是和最后一次上行的速率相同。

在470~510Mhz的通讯频率中，上行被分为了0~95共96个通道，从470.3Mhz间隔200KHz增加到489.3Khz。下行被分为了0到47共48个信道，从500.3Mhz间隔200KHz增加到509.7KHz。上行的通道0和下行的通道0对于，例如上行频率是470.3则下行频率是500.3，

定时器2被设定延时RECEIVE_DELAY2，它是和定时器1同时打开的。在地区规范中被定义为RECEIVE_DELAY1+1s。它的频率与速率都是固定的，可以通过MAC命令修改，默认遵循地区规范(505.3KHz - DR0)

RX1和RX2打开的窗口时间在规范中被要求至少能接受到前导码。该时长在每次打开窗口时都会根据带宽速率计算一次。大概也就百多毫秒。当RX1接受到正确数据后，RX2将不会被打开。

3.2 class C

时隙图

CLASS_C是遵循CLASS_A的基础上衍生出的具备持续下行接收的模式。在CLASS_C下，窗口2将被一直打开。

3.3 class B

该模式实际上就是A和C的折中，定时接收网关的时间同步，然后周期打开下行窗口来接收数据。

3.3 官方代码的实现方式

当数据发送完毕后OnRadioTxDone函数被调用，方便理解，下列用伪代码表述

/*首先判断如果是C模组，则当即打开RX2窗口*/
if(mode != class_c)
{
      radio.sleep();
}
else
{
     RxWindowTimer2.stop()；
     Rx2Window.open();
}
/*配置定时器*/
RxWindowTimer1.start(RECEIVE_DELAY1);
if(mode != class_c)
{
     RxWindowTimer2.start(RECEIVE_DELAY2);
}

由上面可知，当处于CALSS_C模式的时候，传输完成便立马打开了RX2，接收超时时间是0，也就是持续处于接收状态，然后设定了定时器延时RECEIVE_DELAY1。当该定时器超时后跳转到OnRxWindow1TimerEvent函数

static void OnRxWindow1TimerEvent( void )
{
    RxWindowTimer1.stop()；
   if(mode == class_c)
  {
         Radio.Standby( );
  }
 Rx1Window.open();
}

这里先判断如果是C模式则要将射频从RX2切换为待机模式，然后再打开RX1。该处的RX1是有超时时间的，也就是前文提到的接收前导码的时间，频率和上行频率相关。其实单单看RX1窗口，和CLASS_A是完全一样的，CLASS_C只是将RX1以外的所有空闲时隙都变成了RX2。
代码到这里分为两条路，其一当在RX1接收到数据后，进入OnRadioRxDone，当处理完接收后，通用是通过判断模式来开启RX2。其二是当RX1未接收到数据则进入OnRadioRxTimeout，在该函数中直接判断模式等于C则开启RX2，否则射频进入休眠。
到了这里回头看看时隙图就完全对的上了。这里补充一下关于两种模式的入网其实是完全一样的。都是在RX1窗口接收到入网应答。

链接

LoraMac API文档