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        本章針對LoRa應用的一些標準和規范展開介紹，其中LoRaWAN協議標準是重點部分。由于LoRaWAN協議在一些高速響應或節點間通信應用中仍然存在一些問題，因而出現了一些協議的更新和創新，其中包括中繼Relay協議，阿里巴巴推廣的LoRaD2D協議等。這些協議都是基于LoRaWAN協議的創新，都是在兼容原有LoRaWAN協議的前提下的協議創新。Yosmart公司開發的YoLink協議是一個吸收了LoRaWAN、Dash7等多種協議優點的智能家居協議，既具有

LoRaWAN的網絡優勢，又具有智能家居的快速響應的優勢。

       LoRaWAN網絡通常采用星狀拓撲結構，其中網關（Gateway）轉發終端設備（Enddevices）和后臺網絡服務器之間的消息。網關通過標準IP連接來接入網絡服務器，而終端則通過單跳的LoRa或FSK和一 個或多個網關通信。雖然主要傳輸方式是終端上行傳輸給網絡服務器，但所有的傳輸通常都是雙向的。網關也被稱作集中器或基站；終端設備又稱為節點（Nodes）或傳感器（Sensor）。

       終端和網關間的通信被分散到不同的信道頻點和數據速率上。數據速率的選擇需要權衡通信距離和消息時長兩個因素，使用不同數據速率的設備互不影響。LoRaWAN的數據速率范圍可以為0.3～50kb/s。為了最大限度地延長終端的電池壽命和擴大網絡容量，LoRaWAN網絡使用自適應數據速率（ADR）機制來獨立管理每個終端的速率和RF輸出。

       每個設備可以在任意可用的信道，任意時間，使用任意數據速率發送數據，只要符合如下規定。

     （1）跳頻規定：終端的每次傳輸都使用偽隨機方式來改變信道。頻率的多變使得系統具有更強的抗干擾能力。

     （2）占空比規定：終端要遵守相應頻段和本地區的無線電規定中的最大發射占空比要求。例如，歐洲規范中要求所有的終端設備最大發射占空比為1%；又如某終端發送某數據時的發射時長為1s，則該終端需要等候99s才能進行下一次的發射。

     （3）發射時長規定：終端要遵守相應頻段和本地區的無線電規定中的最大發射時長要求，如中國規范要求單次發射的時長不能超過1s。

     （4）發射功率規定：終端要遵守相應頻段和本地區的無線電規定中的最大發射功率要求，如中國規范要求E.R.P<50mW。

      如圖6-1所示，LoRaWAN協議分為基礎類別ClassA和可選功能類別ClassB、ClassC。

圖6-1LoRaWAN協議OSI架構

      （1）ClassA（雙向傳輸終端）：ClassA的終端在每次上行后都會緊跟兩個短暫的下行接收窗口，以此實現雙向傳輸。終端基于自身通信需求來安排傳輸時隙，在隨機時間的基礎上具有較小的變化（屬于隨機多址ALOHA協議）。這種Class  A操作為應用提供了最低功耗的終端系統，只要求應用在終端上行傳輸后的很短時間內進行服務器的下行傳輸。服務器在其他任何時間進行的下行傳輸都需要等待終端的下一次上行。通常用于低功耗的物聯網設備，如水表、氣表、煙感、門磁等多種傳感器。

      （2）ClassB（劃定接收時隙的雙向傳輸終端）：ClassB的終端會有更多的接收時隙。除了ClassA的隨機接收窗口，ClassB設備還會在指定時間打開另外的接收窗口。為了讓終端可以在指定時間打開接收窗口，終端需要從網關接收時間同步的信標（Beacon）。這使得服務器可以知道終端何時處于監聽狀態。一般應用于下行控制且有低功耗需求的場景，如水閘、氣閘、門鎖等。

      （3）ClassC（最大化接收時隙的雙向傳輸終端）：ClassC的終端一直打開著接收窗口，只在發送時短暫關閉。Class  C的終端會比ClassA和ClassB更加耗電，但同時從服務器下發給終端的時延也是最短的。一般ClassC用于長帶電的場景，比如電表、路燈等。

       學習Class  A/B/C的時候經常忘記其特征，這里的A代表英文單詞“All”，意思就是所有的LoRaWAN終端都必須滿足Class  A的規定；B代表英文單詞“Beacon”；C代表英文單詞“Continuous”。

       圖6-2所示為MAC層幀結構。LoRa所有上下行鏈路消息都會攜帶PHY載荷。PHY載荷以1B的MAC頭（MHDR）開始，緊接著是MAC載荷（MACPayload），最后是4B的MAC校驗碼（MIC）。

圖6-2     LoRaWANMAC層幀結構