深入了解LoRaWAN®A类设备

简介

基于LoRaWAN®的网络由终端设备、网关、网络服务器和应用服务器组成。终端设备向网关发送数据(上行链路)，网关将其传递给网络服务器，网络服务器又根据需要将其传递给应用程序服务器。

图1:上行传输

此外，网络服务器可以通过网关向终端设备发送消息(用于网络管理或代表应用程序服务器)。下行）.

图2:下行传输

LoRaWAN网络中的终端设备分为三类:a类、B类和c类。虽然终端设备总是可以随意发送上行链路，但设备的类决定了它何时可以接收下行链路。该类还决定设备的能源效率。设备的能效越高，电池寿命就越长。

所有终端设备必须支持A类(“阿罗哈”)通信。A类终端设备大部分时间处于睡眠模式。因为LoRaWAN不是一个“槽式”协议，所以当传感器读数发生变化或计时器触发时，终端设备可以随时与网络服务器通信。基本上，它们可以在任何时刻醒来并与服务器对话。当设备发送一条上行链路后，它会在上行链路一秒到两秒后“监听”来自网络的消息(接收窗口)然后再回去睡觉。A级是最有效的能源和最长的电池寿命。

相比之下，B类终端设备不仅要等待其中一个传感器注意到环境中的变化或启动计时器，还会唤醒并打开接收窗口，根据可配置的、网络定义的时间表侦听下行链路。网络传输的周期性信标信号允许这些终端设备与网络服务器同步它们的内部时钟。

最后，C类(“连续”)终端设备永远不会休眠。它们不断地监听来自网络的下行消息，除非传输数据以响应传感器事件。这些设备能耗更大，通常需要恒定的电源，而不是依赖于电池。

为了说明每种终端设备类的不同功耗级别，请参见图3。

图3:按设备类别划分的能耗

在本文中，我们将深入研究A类终端设备。

了解A类终端设备

LoRaWAN协议依赖于aloha类型的网络。在这种类型的网络中，终端设备可以任意传输。

A类的关键特征是通信仅由终端设备发起。

从网络服务器发来的下行消息会一直排队，直到下一次从终端设备收到上行消息并打开接收窗口(Rx)。这种设计特别适用于需要下行链路通信以响应上行链路的应用程序，或者可以在延迟要求相当宽松的情况下提前安排下行链路。

接收窗口

在上行链路之后，a类终端设备打开一个短接收窗口(Rx1)，如果在此期间没有接收到下行链路，则打开第二个接收窗口(Rx2)。Rx1从上行链路传输结束后固定一段时间开始。通常，这个延迟是一秒，但是这个持续时间是可配置的。Rx2通常在上行链路传输结束后2秒开始，尽管这个持续时间也是可配置的。下面的图表说明了不同的接收窗口状态的可能性。

图4:没有收到任何东西

图5:在Rx1窗口中收到的数据包

图6:在Rx2窗口中接收的数据包

Rx1 (RECEIVE_DELAY1中的网络参数LoRaWAN区域参数LoRa Alliance®提供的文件。缺省延迟时间可以是特定地区的，可以由网络运营商通过MAC命令修改RxTimingSetupReq．通常设置为1秒

结束设备在Rx1关闭后等待一秒钟再打开Rx2。这意味着RECEIVE_DELAY2 = RECEIVE_DELAY1 + 1秒。

注意:设备将不会尝试发送另一个上行消息，直到:

在Rx1或Rx1期间收到下行消息
在最后一次传输之后的第二个接收窗口已经完成

传输频率和数据速率

Rx1使用的频率是上行链路频率的函数。它使用的数据速率是上行传输数据速率的函数。默认的上行频率与Rx1下行频率和数据速率的关系在LoRaWAN区域参数文档。网络运营商可以通过相关的LoRaWAN MAC命令远程重新配置缺省参数。

Rx2使用的频率和数据速率可以通过MAC命令配置。默认值是特定于区域的。

MAC的命令

相对于Rx1，上行传输(Tx)数据速率和下行数据速率之间的偏移可以使用Rx1DRoffset场的RxParamSetupReqMAC命令

当需要配置Rx2的数据速率时，可以使用MAC命令RxParamSetupReq．

的DiChannelReqMAC命令允许网络将不同的下行频率与Rx1窗口关联。此命令适用于所有支持NewChannelReqMAC命令。例如,DiChannelReq适用于欧盟和中国，但不适用于美国或澳大利亚，如LoRaWAN区域参数文件所述。

A类能量分布图

每个接收窗口的持续时间必须至少与终端设备的无线电收发器有效检测下行序言所需的时间相同。如果设备在此期间检测到下行前导，无线电接收器将保持打开，直到下行数据解调。

如果在Rx1期间检测到一条下行链路并解调，并且(经过地址和消息完整性检查(MIC))确定它是为接收它的终端设备准备的，设备将不会打开Rx2以节省能量。但是，如果终端设备在Rx1期间没有收到下行消息，它将按计划继续打开Rx2。

当终端设备没有任何东西可接收时，它仍然会打开接收窗口，但时间只够确定是否有序言。在SF7的数据速率下，这至少是5.1毫秒(ms)。在SF12的数据速率下，最大可达164 ms。另一方面，如果是当下行链路到达设备时，在SF7，它需要不到100毫秒的时间来解调消息。在SF12，这可能需要超过两秒的时间。

图7:SX126x收音机的上行、下行和唤醒时间

当没有检测到下行消息时，Rx1和Rx2的能量消耗与上行传输所需的能量相比可以忽略不计

LoRaWAN网络拓扑

图8说明了LoRaWAN网络拓扑结构。LoRaWAN方法与其他方法的关键区别在于，终端设备与网络本身配对，而不是只绑定到一个网关。相反，终端设备将其信号广播到范围内的所有网关。每个接收网关都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删除，并将单个版本的消息发送到应用服务器。

图8:LoRaWAN网络拓扑

这种拓扑结构有几个优点:

无需复杂的网络规划。可以随时随地添加网关。
准确的消息传递更可靠，因为多个网关在每个上行链路接收相同的数据包。这被称为上行空间多样性。
不需要为每个网关规划不同的频率，也不需要在网关数量变化时重新分配频率。所有网关都在不断地监听网络的所有频率。
移动设备可以低功耗运行，这是因为任何网关都可以接收来自任何设备的消息。这意味着(与蜂窝网络相比)LoRaWAN网络不会注意或关心设备的移动;它只是从离设备当前位置最近的网关接收上行链路。

未确认和已确认的消息

从终端设备发送到网络和应用程序服务器(反之亦然)的消息可能未经确认或确认。

当设备发送未确认消息时，不需要服务器的确认。例如，大多数情况下，烟雾探测器会定期通过附近的网关向网络服务器发送未经确认的上行链路，以确认它是否在工作。网关接收数据并将其传递给网络服务器，网络服务器又将数据传递给应用服务器。

终端设备在发送确认消息时，要求网络服务器确认该消息已被接收。让我们再看看烟雾探测器。当烟雾探测器探测到什么东西时，它会继续发送警报，需要确认，直到警报被确认。确认通知烟雾探测器有人正在响应警报。由于来自网络的下行链路是一种稀缺资源，因此应该谨慎使用。确认信息只能用于非常重要的传感器数据。

图9显示了一个烟雾探测器，它通过两个网关接收加密的、未经确认的消息(请参见从图底部的设备通过最左边的三个框指向顶部的Application Server的箭头)。网关将加密的元数据添加到消息中，然后转发给网络服务器。网络服务器解密元数据后，将数据包发送给应用服务器，应用服务器再解密数据。

橙色表示烟雾探测器发出警报。这些都是确认消息，然而，在前两个实例中，没有收到确认，所以设备继续广播警报。最后，在下面的示例中，在第三次传输警报之后，应用程序服务器通过网络服务器和最合适的网关向设备发送一个确认信息。

图9:未确认消息和已确认消息

应用程序服务器下行

在下一个示例中，烟雾探测器应用服务器有数据要传输给一个特定的、处于睡眠状态的烟雾探测器(终端设备)。但是，由于烟雾探测器是a类设备，因此应用程序服务器必须等到烟雾探测器唤醒后才能发送数据。对于烟雾探测器，这是与应用服务器共享状态信息(如电池状态)的周期性消息(例如每8小时发送一次)，而不是真正的烟雾探测事件。终端设备接收此消息可以是确认的，也可以是未确认的。看一下图10。在这里，应用程序服务器有数据要发送给烟雾探测器，但设备处于休眠状态。服务器必须等待设备上行链路才能发送数据。一旦接收到上行链路，应用服务器将立即传输下行链路。在这种未确认消息的情况下，一旦收到下行链路，设备就会回到睡眠状态。

图10:应用服务器下行链路

总结

简而言之，所有终端设备必须支持A级操作，这是最节能的通信模式，支持最长的电池寿命。A类终端设备处于深度睡眠模式，直到它们感知到环境的变化或其他事件被触发。当发生这种情况时，受影响的设备将被唤醒，并通过一个或多个网关将其数据发送到网络服务器(最终是应用程序服务器)。在上行传输之后，终端设备将打开两个连续的接收窗口，在此期间，它们侦听来自服务器的潜在下行传输。