LoRa协议
注意：本頁提供的信息來自LoRa?Alliance于2015年1月發布的LoRaWAN Specification V1.0。LoRa聯盟負責隨時更改規格，恕不另行通知。RF Wireless World不對任何與此相關的問題負責。請參閱LoRa Alliance（https://www.lora-alliance.org）發布的最新規范，以了解根據LoRa標準對正在開發的產品所做的任何更改。
簡介
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LoRa技術被用作廣域網無線技術。在美國（902至928 MHz），歐盟（863至870 MHz），中國（779至787 MHz）以及其他將在基于LoRa無線技術的網絡中使用的區域中定義了不同的頻段。它是由Samtech倡議開發的低功耗，長距離和低數據速率技術。
LoRa網絡由網關，網絡服務器和終端設備組成。網絡拓撲是星型。終端設備也稱為節點，網關在LoRa網絡系統中稱為基站或集中器。
終端設備和網關使用單跳指定的ISM頻段進行無線連接。網關和網絡服務器使用IP回程連接進行連接。
圖1描繪了LoRa網絡架構。客戶信息數據庫位于服務器中。終端設備和網關之間的通信以不同的信道和不同的數據速率傳輸。LoRa支持從0.3 Kbps到50 Kbps的自適應數據速率。
LoRa類型
從終端設備到網關的傳輸稱為“上行鏈路”，從網關到終端設備的傳輸稱為“下行鏈路”。
LoRa網絡由終端設備和網關組成。基于MAC層，LoRa網絡中有三類終端設備。這些類被定義為A類，B類和C類。
所有基于LoRa類的終端設備本質上都是雙向的，用于通信。以下部分提到了這些LoRa類類型的基本功能。
LoRa A類終端設備
在A類中，LoRa幀具有一個上行鏈路時隙，后面是兩個下行鏈路時隙。該幀符合TDD拓撲。
以下是LoRa A類終端設備的特性：
?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個時隙和2個下行鏈路時隙（或窗口）組成。
?終端設備根據需要由終端設備自行安排。它是隨機決定的，類似于ALOHA協議。
?它是功耗最低的LoRa終端設備。
LoRa B類終端設備
以下是LoRa B類終端設備的功能：
?除了A類中指定的兩個時隙之外，此類終端設備在下行鏈路期間使用額外的接收窗口。?
?B類設備將在指定的持續時間內獲得額外的接收窗口。?
?持續時間由網關使用信標幀指定。?
?因此，這種方式LoRa系統在終端設備可以收聽時向服務器指示。
LoRa C類終端設備
以下是LoRa C類終端設備的功能：
?除傳輸模式外，此類終端設備可以一直監聽。因此，它非常適合需要更多下行鏈路傳輸的應用。
?C類LoRa終端設備將比A類和B類對應設備使用更多功率。?
?在服務器和終端設備之間進行數據通信的所有LoRa類終端設備中的延遲最低。
下表總結了LoRa中使用的A類，B類和C類之間的區別。
| 電池供電 | 低延遲 | 沒有延遲 |
| 雙向通信 | 具有預定接收時隙的雙向 | 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，長間隔 | 小有效載荷，長間隔，來自網關的周期性信標 | 小有效載荷 |
| 終端設備啟動通信（上行鏈路） | 額外接收窗口（ping插槽） | 服務器可以隨時啟動傳輸 |
| 服務器在預定的響應窗口期間與終端設備（下行鏈路）通信 | 服務器可以固定的間隔啟動傳輸 | 終端設備不斷接收 |
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LoRa頻段
LoRa無線系統在世界不同地區使用不同的頻段，如美國，歐盟，中國。下表列出了頻帶以及LoRa信道頻率。請注意，Gateway和End設備可以使用相同的頻率進行傳輸，但是在不同的時隙。這個概念稱為TDD。
| 歐洲聯盟 | 863至870 MHz | 868.10 Mhz（由網關用于監聽） 868.30 MHz（由網關用于監聽） 868.50 MHz（由網關用于監聽） 864.10 MHz（由終端設備用于傳輸加入請求） 864.30 MHz（由終端設備用于傳輸加入請求） ） 864.50 MHz（由終端設備用于發送加入請求） 868.10 MHz（由終端設備用于發送加入請求） 868.30 MHz（由終端設備用于發送加入請求） 868.50 MHz（由終端設備用于發送加入請求） |
| 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 | 779至787 MHz | 779.5 MHz（默認信道） 779.7 MHz（默認信道）? 779.9 MHz（默認信道）? 779.5 MHz（由ED用于發送加入請求） 779.7 MHz（由ED用于發送加入請求） 779.9 MHz（由ED用于發送加入請求） ） 780.5 MHz（由ED用于發送加入請求） 780.7 MHz（由ED用于發送加入請求） 780.9 MHz（由ED用于發送加入請求） |
ETSI為LoRa應用定義了433至434 MHz頻段。它使用433.175 MHz，433.375 MHz和433.575 MHz頻道。
B類終端設備在EU頻段使用869.525 MHz頻道。
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LoRa協議棧
圖2描繪了由應用層，MAC層，PHY層和RF層組成的LoRa協議棧。
?來自應用層的數據和在終端設備和網關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有效載荷構造MAC幀。
?PHY層使用MAC幀作為PHY有效載荷，并在插入前導碼，PHY頭，PHY頭CRC和整幀CRC之后構建PHY幀。
?RF層根據法規要求調制所需ISM RF載波上的PHY幀，并傳輸到空中。
LoRa幀由上行鏈路消息和下行鏈路消息組成。LoRa系統支持三種類型。基于這些類，LoRa框架結構各不相同。使用一個或多個網關將上行鏈路消息從終端設備發送到服務器。
下行鏈路消息從服務器傳輸到僅一個LoRa終端設備。這是使用與網絡服務器連接的單個網關完成的。
LoRa物理層
以下是LoRa物理層（PHY）的功能：
?物理層構造幀，以便通過RF鏈路從MAC層傳輸有效載荷。
?它為整個幀插入PHDR，PHDR_CRC，前同步碼和CRC。CRC字段僅在上行鏈路消息中可用。
?作為前導碼，基于LORA，GFSK或FSK的調制技術使用特定的恒定同步字。該前導碼將有助于接收器處的同步，如接收器所知。?
?PHY層根據全國范圍的要求使用特定的RF頻段。
LoRa MAC層
以下MAC消息在LoRa中用于在終端設備和服務器之間建立通信。?
?加入請求（從終端設備到服務器）?
?加入接受（從網絡服務器到終端設備）?
?信標幀（從網關到終端設備），用于調度終端設備接收的時隙。
?確認的數據向上/向下（此消息由LoRa接收器
確認） ?未確認的數據向上/向下（此消息不需要任何確認）。?
這里Up表示上行鏈路傳輸，Down表示下行鏈路傳輸。
請參閱>>內的LoRa MAC層。
下表提到了LoRa MAC消息字段，如上圖-2所示。
| MHDR | MAC標頭，單個八位字節長 |
| MAC有效載荷 | 來自上層的數據 |
| MIC | 消息完整性代碼，長度為4個八位字節 |
| FHDR | 幀頭 |
| FPort | 可選的端口字段 |
| FRMPayload | 可選的Frame Payload字段 |
| 設備地址 | 設備地址 |
| FCTRL | 幀控制八位字節 |
| FCNT | 幀計數器，2個八位字節長 |
| FOpts | 用于傳輸MAC命令的幀選項，長15個八位字節 |
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LoRaWAN MAC層執行以下功能。
?建立MAC層對等體之間的連接（即LoRa網關和終端設備之間）。
?MAC層處理來自應用層的MAC命令和數據的傳輸和接收。基于MAC消息類型識別所有LoRaWAN MAC消息。這顯示在表-1中。
?MAC層在MAC有效載荷的開頭和結尾添加MHDR（MAC頭）和MIC（消息完整性代碼）。MAC頭大小為1個八位位組，MIC大小為4個八位位組。如上所述，MAC有效載荷攜帶MAC命令或數據。
?PHY層使用MAC層數據，其在開始時結合前導碼，PHY頭和PHY頭CRC以及結束時的整個幀CRC，同時在發送端構造PHY有效載荷。反向過程即前導碼，PHY頭和CRC的剝離在接收端完成。有關PHY層和MAC層的功能，
請參考PHY與MAC。
| 000 | 加入請求 |
| 001 | 加入接受 |
| 010 | 未經證實的數據 |
| 011 | 未經證實的數據下載 |
| 100 | 確認數據 |
| 101 | 確認數據下來 |
| 110 | RFU |
| 111 | 所有權 |
表-1 LoRaWAN MAC消息類型?
加入請求和加入接受：這些消息用于在LoRa終端設備和網關之間建立連接。?
確認數據消息：此消息類型需要由其接收方確認。
未確認的數據消息：此消息類型不需要任何確認。
專有：此消息類型用于合并非標準消息格式功能。
RFU：表示保留供將來使用。
圖2提到了LoRaWAN PHY有效載荷，而圖3提到了LoRaWAN MAC有效載荷結構的內容。有關更多信息，請參閱有關這些字段的LoRaWAN規范。
MAC命令用于服務器（即網關）和終端設備之間的網絡管理。這些命令對LoRa服務器和終端設備中運行的應用程序不可見。單個數據幀由一個或多個MAC命令組成（捎帶或作為單獨的幀發送）。MAC命令基于大小為1個八位位組的CID字段進行隔離。CID代表Command IDentifier。這些mac命令由終端設備或網關或兩者使用。
例如，
0x02 CID的值用于'LinkCheckReq'命令（由終端設備傳輸到網關）
0x02的值CID也用于'LinkCheckAns'（通過網關傳輸到終端設備）
值0x03 CID用于網關傳輸'LinkADRReq'命令。
終端設備也使用0x03 CID的值來發送“LinkADRAns”命令。
LoRa和其他無線技術的差別
LoRa代表長距離電臺。它是主要針對M2M和物聯網網絡的無線技術。該技術將使公共或多租戶網絡能夠連接在同一網絡中運行的多個應用程序。這種LoRa技術將在LoRa傳感器和自動化產品/應用的幫助下實現智能城市的發展。
LoRa聯盟成立，旨在為M2M / IoT標準化LPWAN（低功率廣域網）。該聯盟的潛在成員包括Actility，Cisco，Bouygues Telecom，Proximus，SingTel，Semtech，Swisscom，IBM，SingTel，KPN等.LoRa聯盟將推動LoRa協議即LORA WAN的全球成功。
LoRa無線技術是M2M和物聯網的基礎
下表總結了LoRa無線技術的主要特性，如范圍，標準，調制方案，容量，物理層等。
| 范圍 | 密集城區2-5公里，郊區15公里 |
| 頻帶 | ISM頻段868 MHz和915 MHz |
| 標準 | IEEE 802.15.4g |
| 調制 | 使用擴頻調制類型，其使用寬帶線性FM脈沖。在一定時段內的頻率增加或頻率減小用于編碼要發送的數據信息。它比FSK提高了30dB。 |
| 容量 | 一個LoRa網關負責數千個節點。 |
| 電池 | 電池壽命更長 |
| LoRa物理層 | 負責節點和網關之間的頻率，功率，調制，信令 |
圖描繪了LoRa網絡。它由兩個主要實體組成，例如傳感器（或節點）和LoRa網關（或LoRa基站）。?
LoRa產品和LoRa設備測試
Semtech公司是LoRa無線技術產品的領導者。LoRa推出了SX127x系列RF收發器，用于支持新興M2M / IoT市場的LoRa技術。這些收發器工作在860-1000 MHz和137-960 MHz范圍內。他們還在860-1000 MHz頻率范圍內引入了集中器。
Semtech還為868 MHz頻段提供LoRa器件評估和測試設備。LoRa基站也是由他們開發的。此外，SemTech公司開發了LoRa開發套件，可用于LoRa開發/制造公司。
Lora，INSTEON，Z-wave，Zigbee，X10，HomePlug和其他M2M物聯網無線技術的區別
人們可以很容易地得出Lora和其他無線物聯網技術之間的差異，如zigbee，z-wave，insteon，X10，Homeplug，EnOcean，藍牙等。請參閱上表和物聯網無線技術，其中提到了這些無線技術與覆蓋范圍之間的表格比較范圍，操作頻率，數據速率，安全性，應用程序等。另請參閱以下鏈接之間的差異。
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LoRa收發器
LoRA是一種流行的無線技術，用作物聯網（物聯網）的廣域網。
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圖1描述了LoRA收發器芯片中的典型組件。它由UART，處理器，GPIO，LoRA協議棧，LoRA無線電層，接口總線（例如I2C，SPI）等組成。微控制器單元使用UART與LoRA收發器連接，用于監視和控制應用。GPIO用于連接任何用戶定義的硬件組件，如LED，開關等.LoRA RF層與不同頻段的天線（如433和868 MHz）連接。LoRA收發器需要晶體來運行處理器和實時時鐘。
Microchip LoRa收發器RN2483
Microchip提供基于LoRa技術的收發器，用于低功耗和遠程無線數據通信。Microchip LoRa收發器部件號RN2483支持LoRAWAN A類協議規范。它能夠使用FSK以300 Kbps的比特率進行數據通信，并且根據LoRA標準使用調制以5468 bps的比特率進行數據通信。下表提到了LoRA收發器的一些功能。
| 射頻（RF）頻段 | 433 MHz，868 MHz |
| 輸出功率 | +14 dBm（最大），可調節 |
| 調制 | FSK，GFSK，Lora支持調制 |
| 接收靈敏度 | 支持到-148 dBm |
| 距離覆蓋 | > 15公里（郊區），> 5公里（市區） |
| 應用 | 物聯網，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
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