LoRaWAN®B类设备的深入研究

简介

在LoRaWAN®网络中，终端设备以三种模式之一运行:LoRaWAN a类、B类和c类深入了解LoRaWAN A类设备，网络只能发送消息(下行)在两个短接收窗口之一期间以A类模式发送到终端设备，这两个短接收窗口在设备发送消息(an上行)到网络。然而，这些上行链路没有预先调度，设备可能会在不可预测的时间发送。虽然这对节约电力是很好的，但这种节约电力是有代价的。例如，当客户应用程序或服务器想要向设备发送消息时，A类模式的终端设备不允许已知的反应时间。

这就是LoRaWAN Class B模式可以提供帮助的地方。A类、B类模式的增强为终端设备提供定期的、固定时间的从网络接收下行链路的机会。所有LoRaWAN终端设备以A类模式启动;然而，在制造过程中使用B类堆栈编程的设备可以被应用层切换到B类模式。

B班:信标班

B类模式的终端设备提供定期调度的接收窗口，除了那些每当a类样式的上行链路发送到服务器时打开的窗口。为此，网络通过网关定期广播一个时间同步信标，如图1所示。终端设备必须定期接收这些网络信标中的一个，以便使其内部时钟与网络对齐。

根据信标计时参考，终端设备可以打开接收窗口(萍槽定期)。网络基础设施可以使用这些ping槽中的任何一个来发起下行通信。

图1:网络信标机会

从应用服务器到类B设备的下行链路消息的传输如图2所示。以下是流程总结:

应用服务器(AS)将下行消息(DL)排队送入网络服务器(NS)。
网络服务器计算下一个ping插槽时间表
网络服务器根据从设备接收到的最后上行链路和当前网关的传输计划计算最佳网关
网络服务器将下行链路排队到所选的网关
当到达所选的ping槽位开始时间时，网关发送下行链路
同时，设备打开它的接收器并接收下行链路

当没有下行链路要发送时(大约99%的情况下)，网络不会传输任何东西。然而，设备仍然在ping槽的开始打开它的接收器。当它没有检测到序言时，它会尽快回到睡眠状态以保存电力。

图2:信标流

与a类设备相比，同步信标和ping插槽的接收增加了额外的功耗开销;因此，设备可以在a类模式(功耗最低的模式)和B类模式之间切换。

在两种模式之间切换的决定取决于用例，并留给设备的应用层。

如果需要从网络侧控制交换机，客户应用程序必须使用其中一条A类上行链路来触发到应用层的下行链路。终端设备上的应用层必须识别并响应切换模式的请求—此过程不在LoRaWAN级别进行管理。

要使LoRaWAN网络支持B类终端设备，网关必须能够同步广播信标，为终端设备的内部时钟提供定时参考。然后，终端设备使用这个计时参考来安排何时打开ping槽以接收来自网络的潜在下行链路。

由于所有网关在同一信道上使用相同的无线电参数同步广播B类信标，在多个网关范围内的设备将收到多个信标的叠加，所有的信标都经历不同的衰减和相位失真。

为了使该终端设备能够在尽可能少的干扰下解调叠加信标，网关必须以小于一微秒的定时抖动同步传输信标。

通过这种方式，在设备天线上叠加的各种信标实际上看起来像一个受无线电多路径影响的单个信标包，因此它们可以被解调。

报警时间

同步信标由网络网关每128秒传输一次。

两个连续信标之间的间隔被平均划分为4096个ping槽。

图3:Ping槽

选择128秒信标周期是为了在最小化网关传输占空比(为来自应用服务器的有用下行链路节省网关传输时间预算)和最小化终端设备的功耗之间进行权衡，因为终端设备试图锁定和跟踪信标。(为了获得信标，设备必须保持其接收器至少一个信标周期。)

B类终端设备的功耗可以通过首先计算在空中的时间和接收窗口激活的时间来估计。

B类功率估算

此处以B类终端设备的功耗估算为例。

B类运行的电力开销是:

信标的广播时间，是特定区域的
ping插槽的周期性(应用程序驱动)
ping槽数据速率(设置每个ping槽的最小持续时间)
平均B类下行周期

对于这个数值例子，我们将假设以下假设:

信标传输使用SF9/125kHz =>信标空中时间~ 160mSec
Ping插槽周期:32sec(设备每16秒打开一个Ping插槽)。
默认ping槽位数据速率:SF9/125kHz
设备平均每小时接收一个30字节的B类下行链路。
Rx模式下的设备电流为10mA(典型的SX1272/76产品)

公式1:估计B类设备功耗

从这个例子中我们可以看到，对于32秒的ping槽周期(意味着设备以16秒的平均延迟可达)，功率贡献大致平均地分配在信标同步和ping槽的打开之间。

上表考虑了+/-30ppm RTC XTAL可能的不精度。30ppm超过128sec导致+/- 4mSec的最大计时误差。32mSec的ping插槽持续时间足够长，允许发送器(网络)和接收器(设备)之间有+/- 4mSec的不对中。有关此计算的更多信息，请参见应用注释AN1200.23．

灯塔是什么样子的?

所有信标都使用LoRa调制在一种称为隐式消息头模式;也就是说，没有LoRa®物理标头，也没有无线电附加的CRC。这是可能的，因为信标使用固定的编码率和固定的有效载荷长度。因此信标只包括一个前导和一个固定长度的有效载荷。

信标序文比默认值长。这允许终端设备实现低功率、空比循环信标搜索。这有助于在信标采集过程中最小化设备的功耗。

灯塔的有效载荷,BCNPayload，由三个部分组成:一个网络公共部分(即，此数据由所有网关以相同方式发送)，一个可选的特定于网关的部分(该部分对于每个网关可能不同)，以及一个自1980年1月6日00:00:00 UTC (GPS纪元的开始)以来的时间戳时间(以秒为单位)。信标网络公共部分的完整性由16位CRC保护。有关CRC如何计算的详细信息，请参见最新的信息LoRaWAN规范．

RFU场等于零。(RFU字段的长度是特定于区域的。)

注意:在实践中，许多网络只广播信标的网络公共部分，不包括特定于网关的字段。

网关特定的信标元素

信标有效负载的网关特定部分，当存在时，提供关于发送信标的网关的附加信息。因此，信标的这一部分对于每个网关可能是不同的。信标有效载荷的网关特定部分由在上计算的CRC-16保护GwSpecific+RFU字段。CRC-16的定义与网络公共部分的定义相同。

图4:信标负载

信息描述和信息字段

描述符的信息,InfoDesc，描述了应该如何解释信息字段。对于单个全向天线网关，采用InfoDesc值为0时广播GPS坐标。相反，对于一个具有扇形天线的站点，例如，第一天线广播信标与InfoDesc等于0，第二个天线InfoDesc字段等于1，等等。如果InfoDesc等于0,1或2，的内容信息字段对广播信标天线的GPS坐标进行编码。

表1:InfoDesc字段值

经纬度(纬度和液化天然气)的信息域编码网关的地理位置。

图5:信息字段格式

南北纬度使用带符号的24位字进行编码，其中-2²³对应南90°(南极)和2²³对应北纬90°(北极)。赤道等于0。

东西经度使用带符号的24位字编码，其中-2²³对应西经180°和2²³相当于东经180°。格林尼治子午线对应于0。

信标采集与跟踪

如前所述，终端设备必须接收一个定时信标，使其内部时间基与网络同步，然后才能从a类模式切换到B类模式。一旦成功运行在B类模式，终端设备必须保持与网络信标对齐。这有助于确保设备的内部时间基数不会与网络时间相比漂移。

运行在B类模式下的设备可能会由于多种原因(干扰、设备进出网络覆盖区域等)而暂时停止接收信标。

当设备暂时失去信标时，它依靠内部时钟继续打开B类同步ping插槽。LoRaWAN规范要求B类设备应该能够在B类模式下工作，而不接收信标长达两小时。

这个没有信标的临时类B操作被调用beaconless操作。在此保持期间，任何指向终端设备的信标接收将延长无信标操作的时间再延长两个小时。

如果B类终端设备暂时无法接收信标，它将逐渐扩大信标和ping插槽的接收窗口，以考虑到其内部时间基数的任何漂移。显然，更高精度的时基允许设备打开更窄的接收窗口，从而最小化其功耗。因此，对B类器件来说，实时时钟振荡器的精度是非常重要的。如果B类终端设备在120分钟的保持时间内没有接收到信标，则B类终端设备将返回a类模式运行。

Ping槽和Ping周期

根据信标定时参考，终端设备定期开启萍槽(接待窗口)。使用这些ping插槽中的一个到终端设备的网络发起的下行链路称为平．网络服务器根据终端设备发送的最后一条上行链路的信号质量指标选择传输此ping的网关。bet188软件下载因此，移动B类设备必须定期发送上行链路，以便网络服务器能够更新下行链路路由路径数据库。

为了避免系统冲突和偷听消息的问题，每个设备的ping槽索引是随机的，并在每个信标周期更改。

ping插槽的周期可能短至1秒，也可能长至128秒，如图6所示。

图6:Ping槽周期

设备定期打开ping插槽。然而，网络并不总是有下行链路来传输。因此，大多数ping插槽不被网络使用。在这种情况下，一旦无线电收发器确定没有前导出现，端设备上的接收窗口就关闭。如果一个序言是检测到，无线电收发器将保持打开，直到下行链路帧被解调。然后MAC层将处理该帧，检查地址字段是否与终端设备地址匹配，以及消息完整性检查(MIC)是否有效。只有这样，消息才会被转发到端设备的应用层。

单播和多播ping

下行链接可以是任何一种单播或多播．单播消息发送到单个端设备，组播消息同时发送到多个端设备。一个组播消息要成功，必须满足以下条件:

组播组中的所有设备必须共享相同的组播地址和相关的加密密钥
所有设备必须在同一时间，在同一通道上，使用相同的数据速率打开

注意:要远程设置多播组，请参阅远程多播设置规范(v1.0.0)

B类:上行帧和MAC命令

B类模式的上行帧结构与A类通信中使用的帧结构相同，但帧控制(FCtrl)在帧报头中的八字节。

图7:上行帧结构

对于A类通信上行链路，第4位的FCtrlOctet设置为0。对于B类上行链路，该位设置为1。在上行消息中将类B位设置为1将向网络服务器发出信号，表明设备已切换到类B模式，并准备好接收预定的下行链路ping。

由于基于lora的设备总是以a类模式启动，因此除了B类操作专用的命令外，所有为a类终端设备指定的MAC命令都必须在B类终端设备中执行。有关更多信息，请参见LoRaWAN规范,v1.0.3．

结论

根据设计，所有基于lora的终端设备都支持A类通信。A类设备可以随时向网络服务器发送上行链路，只在发送上行链路后立即监听下行链路。相比之下，B类设备允许网络服务器发送下行链路到设备的可预测时间。这种可预见性的代价是，B类设备不如A类设备节能;因此，B类设备的电池寿命比A类设备短。