LoRaWAN協(xié)議格式與中文手冊下載

      LoRaWAN中將消息分成上行和下行兩種類型。上行消息指的是終端節(jié)點通過一個或多個網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器的消息。消息格式如下：

   上行消息物理層上采用的是lora radio的顯示格式，其中Preamble、PHDR、PHDR_CRC和CRC部分都是由lora radio硬件填充，PHYPayload是用戶數(shù)據(jù)段。消息的完整性有CRC保證。

   下行消息是指服務(wù)器通過唯一一個網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給終端的消息，消息格式如下：

  下行消息物理層上采用的是lora radio的顯示格式，其中Preamble、PHDR、PHDR_CRC由lora radio硬件填充，PHYPayload是用戶數(shù)據(jù)段。為了使消息盡量短小提高帶寬利用率，下行消息物理層中沒有使用CRC。

終端在每次上行報文最后一個字節(jié)傳輸完成之后都會打開兩個短暫的接收窗口。如下圖所示，在上行消息傳輸完成之后，等待了RECEIVE_DELAY1時間后打開第一個接收窗口RX1，在等待RECEIVE_DELAY2之后打開第二個接收窗口RX2。第一個接收窗口RX1中使用的是和剛才傳輸?shù)纳闲袌笪南嗤�的頻點和速率，第二個窗口RX2采用的是之前設(shè)置好的頻點和速率，窗口的頻點和速率可以通關(guān)mac命令來設(shè)置。

接收窗口時間長度至少滿足讓終端lora radio能夠檢測到下行消息的有效前導碼。如果服務(wù)器端有下行報文要發(fā)送給終端，服務(wù)器會在終端兩個窗口開始時發(fā)送。如果終端在兩個接收窗口期間檢測到前導碼，接收狀態(tài)會一直保持到收完整個下行消息為止。同時，如果終端在第一個窗口內(nèi)收到給自己的報文，同時MIC（消息完成碼）驗證正確，那么終端將不會打開第二個接收窗口。

注意：所有的終端設(shè)備在上一次發(fā)送上行消息后在兩個窗口內(nèi)沒有收到服務(wù)器下行消息之前或者第二個接收窗口失效之前，不能發(fā)起下一次上行消息。

本章節(jié)主要介紹LoRaWAN中的幀格式。如下圖所示LoRaWAN中的消息分成3層，從外到內(nèi)一次是物理層、MAC層、和數(shù)據(jù)層。

LoRaWAN中所有上下行消息都有PHYPayload，包括了一個字節(jié)的MHDR（mac幀頭）、MACPayload(mac消息)以及4字節(jié)的MIC（校驗）信息。

13.1.1 MHDR

Mac幀頭長度為1字節(jié)，低兩位表示LoRaWAN的版本號，中間3位保留做后續(xù)使用，最高3位是消息類型。

LoRaWAN中一共有一下8種MAC消息類型。

    其中Join Request和Join Accept消息在端點空中激活時使用。

Unconfirmed Data Up、Unconfirmed Data Down、Confirmed Data Up、Confirmed Data Down這四種類型用作數(shù)據(jù)消息傳輸使用，其中Confirmed 類型消息需要對端回復ACK。數(shù)據(jù)消息中可以同時包括mac命令和應(yīng)用數(shù)據(jù)。Proprietary消息為用戶自定義類型消息，此類消息不能被標準協(xié)議棧解析。

3.1.2 MAC Payload

   數(shù)據(jù)消息的MAC Payload段又叫做“data frame”，包括了FHDR幀頭、端口號FPort和幀的數(shù)據(jù)段。

3.1.2.1 FHDR

   幀頭由4字節(jié)的終端設(shè)備短地址Devaddr，1字節(jié)的幀控制域字段FCtrl，2字節(jié)長度的幀計數(shù)器以及最多15個字節(jié)長度的幀選項字段(用作傳輸MAC命令)組成。

    下行數(shù)據(jù)幀頭中FCtrl域內(nèi)容如下：

    上行數(shù)據(jù)幀頭中FCtrl域內(nèi)容如下：

ADR：LoRaWAN中網(wǎng)關(guān)上lora radio可以監(jiān)聽多種速率，這使得終端設(shè)備的組網(wǎng)靈活性大大加強，終端設(shè)備可以自適應(yīng)調(diào)整自身速率ADR來連接網(wǎng)關(guān)，當終端設(shè)備啟用ADR后會自動選擇最高的傳輸速率來和網(wǎng)關(guān)通信。

移動的終端設(shè)備最好使用一種固定的速率和網(wǎng)關(guān)通信，因為在移動的環(huán)境下終端設(shè)備的無線電磁環(huán)境不穩(wěn)定，這會使得ADR很難管理。

當幀頭中ADR位置1的時候，服務(wù)器會根據(jù)當前收到的節(jié)點信號質(zhì)量通過下行消息中的MAC命令來控制終端的速率。ADR功能可以通過終端或者服務(wù)器來配置，為了增加終端的電池供電時間和擴大網(wǎng)絡(luò)的容量，ADR最好使能。

如果服務(wù)器給終端設(shè)備優(yōu)化的傳輸速率高于了終端默認的傳輸速率，那么終端就必須定期確認服務(wù)器還能收到上行報文。每次上行報文傳輸后，終端都會增加ADR_ACK_CNT計數(shù)器，當該計數(shù)器達到ADR_ACK_LIMIT而沒有收到服務(wù)器的下行消息時，終端就會在幀頭將ADRACKReq置1來先服務(wù)器請求。服務(wù)器收到該請求后就會在ADR_ACK_DELAY時間內(nèi)發(fā)送一個下行消息給終端設(shè)備，同時終端設(shè)備收到該下行消息后就會將ADR_ACK_CNT計數(shù)器清零。在該下行消息中ACK位不必置1，因為終端設(shè)備在上行消息后的接收窗口內(nèi)能收到下行消息同時也表網(wǎng)關(guān)依然能收到終端設(shè)備的消息。另外一種情況就是如果終端發(fā)送了帶ADRACKReq的上行消息后再ADR_ACK_DELAY時間內(nèi)仍然沒有收到網(wǎng)關(guān)的下行消息就說明網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備間的連接已經(jīng)斷開了，這種情況下終端設(shè)備就要嘗試用一種更低的速率（傳輸速率和傳輸距離成反比）來嘗試與網(wǎng)關(guān)建立連接。如果上行報文次數(shù)達到了ADR_ACK_LIMIT后還是沒能連接成功，那么繼續(xù)使用更低的速率。

ACK：當收到一個confirmed消息時，接收端應(yīng)該在幀頭中間ACK置1。如果消息是有終端發(fā)出來的，那么服務(wù)器就要在終端設(shè)備的兩個接收窗口期間發(fā)生ACK消息給終端設(shè)備。如果消息是由服務(wù)器發(fā)送的，終端設(shè)備可以自行選擇什么時候回復ACK消息給服務(wù)器。ACK消息只是給上一條接收消息，而且不會重發(fā)。

消息重傳過程：當一個confirmed消息發(fā)出后在一定時間內(nèi)沒有收到ACK確認，那么就要對消息重傳，重傳次數(shù)可以本地設(shè)置或者通過服務(wù)器來配置。如果終端設(shè)備重傳次數(shù)達到了最大次數(shù)都還沒收到ACK確認，那么終端設(shè)備就需要降低速度來重新和服務(wù)器連接。

FPending：該位只會出現(xiàn)在下行消息中，表示網(wǎng)關(guān)中有很多條消息要發(fā)送給終端，終端設(shè)備在要馬上進行下一次上行消息的傳輸來接收網(wǎng)關(guān)消息。

FCnt：每個終端設(shè)備中都有兩個16位或者32位計數(shù)器，F(xiàn)CntUP用來計數(shù)發(fā)送給服務(wù)器的上行消息個數(shù)，F(xiàn)CntDown用來計數(shù)收到的下行消息。同時在服務(wù)器上對應(yīng)給每個終端設(shè)備也有上下行計數(shù)器。當終端設(shè)備完成加入網(wǎng)絡(luò)之后終端和服務(wù)器上的計數(shù)器就會先清零。發(fā)送報文中Fcnt是發(fā)送報文計數(shù)。

FOptsLen：表示數(shù)據(jù)幀中FOpts段的長度。FOpts用來傳輸MAC命令。如果該長度為0，一味著消息中不帶FOpts，如果FOpts中帶有mac命令，那么FPort不能端口0。

   mac命令不能同時出現(xiàn)在FOpts和paylaoda中。

3.1.2.2 FPort

如果數(shù)據(jù)幀中payload部分不為空，那么Fport必須存在。如果FPort的值為0表明了FRMPaload中只能包含有mac命令。FPort為1-223為應(yīng)用使用，224-255保留后續(xù)使用。

上圖中N表示payload最大字節(jié)數(shù)，N <= M - 1 - （FHDR長度），其中M標志最大MAC payload長度。

3.1.2.3 FRMPayload與加密

如果消息中包括了FRMPayload，那么FRMPayload必須在計算MIC之前進行加密。加密使用128bit密匙的標準AES算法。

默認情況下對應(yīng)所有的FPort的FRMPayload的加密解密過程都是由軟件中LoRaWAN層來完成的，F(xiàn)Port為0時傳輸?shù)氖荕AC命令，加密時用NwkSkey，F(xiàn)Port為其他值時用AppSkey加密。

加密時，首先將pld = FRMPayload按照每16字節(jié)分成一段進行加密，假如分成了k段。

然后會生成k個Ai段，Ai表示如下，Dir表示方向上行為0，下行為1.FCntUp和FCntDown表示上下行消息計數(shù)，i表示對應(yīng)的k段序列號。

    接著將Ai進行加密，加密后得到16字節(jié)長度的Si，組成S。加密公式如下，其中的K表示加密密匙。

最后在將FRMPayload的每個字節(jié)與S的每個字節(jié)進行異或操作來加密。對應(yīng)的解密過程也是一樣的對已經(jīng)加密的FRMPayload再進行一次加密就相當于對起進行解密。

除了0之外的所有FPort也可以選擇通過應(yīng)用層用戶自己給數(shù)據(jù)加密解密。具體加密算法見協(xié)議4.4章節(jié)。

3.1.3 MIC

    Mic是消息完整碼，用來對傳輸數(shù)據(jù)做校驗，通過AES加密，MIC的計算公式如下：

其中，

。

B0定義如下，Dir表示方向上行為0，下行為1.FCntUp和FCntDown表示上下行消息計數(shù)。Len為msg的字節(jié)數(shù)。

     MAC命令用于服務(wù)器和節(jié)點MAC層之間的通信管理。單個數(shù)據(jù)幀中可以包括多個MAC命令，命令既可以放在數(shù)據(jù)幀的FOpts部分也可以單獨作為一幀數(shù)據(jù)進行傳輸。放在FOpts中時MAC命令不會被加密而且不能超過15個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀單獨傳輸MAC命令時將命令放在FRMPayload中，數(shù)據(jù)幀的Fport端口號為0，最大長度不能超過規(guī)定的數(shù)據(jù)長度，由于FRMPayload部分會被加密，因此傳輸?shù)腗AC命令也是加密的。為了防止MAC命令被竊取最好采用單獨的數(shù)據(jù)幀傳輸。

MAC命令包含了1個字節(jié)命令標識CID，同時不同的命令后面還有不同長度的后續(xù)字段。MAC命令列表如下：

上表中只給出了MAC命令的類型和介紹并沒有給出命令后數(shù)據(jù)的具體長度，下面將詳細介紹每條命令的用途。

    當終端想要驗證與網(wǎng)絡(luò)的連接情況時，終端會發(fā)送LinkCheckReq命令給服務(wù)器，該命令無后續(xù)數(shù)據(jù)。

服務(wù)器收到由一個或者多個網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)過來的LinkCheckReq后，返回一個LinkCheckAns命令給終端并帶有兩個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)。

margin是8位無符號整數(shù)，取值0-254代表服務(wù)器收到最近的LinkCheckReq的無線信號強度。GwCnt表示有多少個網(wǎng)關(guān)成功收到了終端發(fā)出的LinkCheckReq命令。

  服務(wù)器通過LinkADRReq 命令來實現(xiàn)終端的速率自適應(yīng)ADR功能。

針對不同頻段的無線信號，DataTate和TXPower都有相應(yīng)的規(guī)范，例如下表對應(yīng)的是433M帶寬對應(yīng)的幾種速率和發(fā)射功率。詳情見協(xié)議文檔第7章節(jié)。

ChMask長度為16位，每一位代表一個頻段對應(yīng)的可用通道（比如，433M頻段可以用的有433.175、433.375、433.575三個無線頻段的通道），對應(yīng)為0的一位代表通道不可用，為1代表可用。

Redundancy中4位長度的NbRep表示上行消息的重復發(fā)送次數(shù)，該設(shè)置只對unconfirmed上行消息有效，有效范圍是1-15，默認值為1，如果該值為0，那么使用默認值。NbRep用于當服務(wù)器想獲取節(jié)點的信號Qos使用，終端每重復一次上行發(fā)送就會進行調(diào)頻到下一個可用頻段。ChMaskCntl用于對Chmask的控制，當可用頻段超過16個時該值不為0.

當終端收到LinkADRReq后回復LinkADRReq命令給服務(wù)器。對應(yīng)位設(shè)置成功是為1，失敗為0，失敗后終端按照原來的配置運行。

服務(wù)器用DutyCycleReq 命令來設(shè)置終端節(jié)點的上報周期，設(shè)定的周期對于所有的通道都一致。

終端最大的上報周期為：

MaxDutyCycle取值范圍為0-15，如果該值為255表示終端保持無線電靜默模式，相當于關(guān)閉該終端。如果該值為0代表使用默認的上報周期。

終端收到DutyCycleReq 命令后回復DutyCycleAns命令給服務(wù)器，該命令不帶數(shù)據(jù)。

RXParamSetupReq命令用來設(shè)置上行消息后的第二個窗口，命令的格式如下：

RX1DRoffset定義的是第一個接收窗口上下行速率之差，默認值為0；RX2DataRate定義的是第二個接收窗口的下行數(shù)據(jù)速率。Frenquency定義第二個接收窗口的無線通道頻段。

終端設(shè)備收到RXParamSetupReq后回復RXParamSetupAns給服務(wù)器。如果回復的3個ack有一個為0，那么設(shè)置不成功，終端設(shè)備參數(shù)保持不變。

服務(wù)器使用DevStatusReq命令來查詢終端節(jié)點的狀態(tài)。該命令沒有帶數(shù)據(jù)，如果終端收到該命令，那么終端回復DevStatusAns給服務(wù)器，命令格式如下：

其中Battery代表終端的電池電量，0表示采用非電池供電，1-244表示電池的電量1為最小255最大，255表示電池電量測量失敗。Margin的低6位表示接受到DevStatusReq的無線信號強度，范圍-32-31.

NewChannelReq可以用于添加新的無線通道或者修改目前存在的無線通道。

其中ChIndex 表示新增或修改通道的序列號，對于協(xié)議中已經(jīng)制定好的通道修改是無效的，可以對規(guī)定好的通道外的通道進行設(shè)置，最多不超過16個通道。Freq對應(yīng)的是設(shè)置的通道中心頻率，F(xiàn)req X 100為真實頻率，當Freq為0時相當于禁用該通道。DrRange的低4位和高4位分別表示該通道上最小和最大速率。

終端收到NewChannelReq命令后回復NewChannelAns給服務(wù)器，如果status中低2兩位任意1位為0代表添加通道不成功。

RXTimingSetupReq命令用來設(shè)置終端上行數(shù)據(jù)發(fā)送完成后打開第一個接收窗口的時延，第二個窗口在第一個接收窗口打開后1s開始。

     其中Del為4位整數(shù)，取值范圍為0-15，單位為s，其中0和1都表示時延1s，最大為15s。終端收到RXTimingSetupReq后回復RXTimingSetupAns給服務(wù)器，不帶數(shù)據(jù)。

終端設(shè)備需要經(jīng)過激活才能加入到LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備在部署或者重啟后有兩種激活方式，一種是無線激活OTAA以及本地激活ABP。

     在終端設(shè)備出場時設(shè)備內(nèi)保存了終端設(shè)備標識DevEUI、應(yīng)用標識AppEUI以及AES-128密匙AppKey。在終端設(shè)備激活后，會保存設(shè)備地址DevAddr、網(wǎng)絡(luò)會話密匙NwkSKey、應(yīng)用會話密匙AppSKey。

    DevEUI是終端設(shè)備的全球唯一標識，相當于mac地址。

    AppKey是終端設(shè)備的應(yīng)用提供商提供的密匙，用來生成AppSKey和NwkSKey。

DevAddr是32位的終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址，在網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址是唯一的。高7位是網(wǎng)絡(luò)號NwkId標識不同的網(wǎng)絡(luò)，低25位是分配給終端的網(wǎng)絡(luò)地址。

    AppEUI全球唯一地標識了終端設(shè)備的應(yīng)用提供商，長度為64位，在終端設(shè)備激活之前就已經(jīng)保存在終端中。

    網(wǎng)絡(luò)會話密匙NwkSKey在服務(wù)器與終端設(shè)備的消息中用來計算消息完整碼MIC，來驗證消息的正確性，同時在只傳輸MAC命令的消息中用來加密和解密數(shù)據(jù)段。

   應(yīng)用會話密匙AppSKey在服務(wù)器與終端設(shè)備的消息中用來計算消息完整碼MIC，來驗證消息的正確性，同時在傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)的消息中用來加密和解密數(shù)據(jù)段。

終端設(shè)備在部署或者與服務(wù)器之間連接斷開后都要通過無線激活步驟來與服務(wù)器建立連接。從終端的角度來看加入網(wǎng)絡(luò)的過程包括兩個MAC消息與服務(wù)器的交換，分別是join request和join accept。

終端發(fā)送Join-request消息給服務(wù)器（hex）：

00 01 02 03 04 05 06 07 08 39 7d 39 84 30 34 51 04 7f a2 c0 fd 1d e5

MHDR類型：

MIC的計算公式如下：

其中AppKey定義為128位:

#define LoRaWAN_APPLICATION_KEY { 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88, 0x99, 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF, 0x00 }

組網(wǎng)請求后第一個接收窗口時延5s

#define JOIN_ACCEPT_DELAY1                          5000000

第二個接收窗口6s

#define JOIN_ACCEPT_DELAY2                          6000000

終端設(shè)備發(fā)送join request消息來向服務(wù)器發(fā)起入網(wǎng)請求，請求消息中包含了AppEUI、DevEUI以及2字節(jié)長度的DevNone。

DevNone是一個隨機值，服務(wù)器保存了每個終端設(shè)備過去使用過的DevNone值，如果查詢到該值已經(jīng)出現(xiàn)過，那么服務(wù)器就忽虐該入網(wǎng)請求。

該入網(wǎng)請求是沒有加密的，消息的完整碼MIC的計算公式如下：

服務(wù)器發(fā)送Join-accept消息給終端（hex）：

01 13 4f bc 00 00 01 01 00 00 01 06 01 ff ff ff ff

    消息中DlSetting為6，表示接收窗口速率為6，RxDelay為1，表示上行消息發(fā)送完成后1s后打開第一個接收窗口。

    在服務(wù)器收到入網(wǎng)請求后，如果當前終端被允許加入到網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器會返回Join-accept給終端設(shè)備。如果終端不允許加入到網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器是不會發(fā)送任何消息的。Join-accept消息發(fā)送時就和普通的下行消息一樣，但是時延用的是JOIN_ACCEPT_DELAY1或者JOIN_ACCEPT_DELAY2而不是RECIEVE_DELAY1或者RECIEVE_DELAY2，同時發(fā)送通道的速率和頻點和終端上行消息的兩個窗口RX1和RX2一樣。

Join-accept消息由3字節(jié)的AppNonce、3字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)號NetID、和4字節(jié)的終端網(wǎng)絡(luò)地址DevAddr、1字節(jié)的接收窗口設(shè)置、1字節(jié)的窗口時延以及可選的最長為16字節(jié)的通道頻率設(shè)置組成。

AppNonce是由服務(wù)器生成的實際值，終端設(shè)備用其來生成NwkSkey和AppSKey，算法如下：

Join-accept消息的MIC計算如下：

   Join-accept消息通過AppKey來加密，加密方法如下：

NetID總共長度為24位，其中低7位和DevAddr中的高7位一樣表示網(wǎng)絡(luò)ID，剩余的高17位由網(wǎng)絡(luò)操作者使用。在這里網(wǎng)絡(luò)ID唯一的標識一個網(wǎng)絡(luò)，相鄰或者重疊的網(wǎng)絡(luò)各自的網(wǎng)絡(luò)ID不一樣。

DLsetting是對下行消息進行控制，格式如下，內(nèi)容見4.4節(jié)中給出的詳細描述。

在有些情況下，終端設(shè)備可以直接本地激活，本地激活直接將終端設(shè)備綁定在特定的網(wǎng)絡(luò)上而不經(jīng)過無線激活的兩個步驟。

本地激活意味著終端的網(wǎng)絡(luò)地址DevAddr以及兩個會話密匙NwkAskey、AppSKey都保存在終端設(shè)備中。且終端設(shè)備在啟動前就要保存有網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的參數(shù)。同時還要保證NwkAskey、AppSKey兩個值是唯一的，這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)的安全。

在LoRaWAN的CLASS A類設(shè)備中，必須首先由終端設(shè)備發(fā)起上行消息后，服務(wù)器才能發(fā)送下行消息給終端設(shè)備。這種就不使用與服務(wù)器上應(yīng)用程序需要主動發(fā)送數(shù)據(jù)給終端的應(yīng)用場景。CLASS B類設(shè)備中，終端節(jié)點可以在設(shè)定的時間打開接收窗口，而同時也具有A類設(shè)備的特性。

B類設(shè)備這種特性是通過網(wǎng)關(guān)有規(guī)律地發(fā)送BEACON，讓終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間保持時間同步，這樣網(wǎng)關(guān)就可以控制終端在預定的時間打開額外的接收窗口（稱之為ping slot）。

終端由A類設(shè)備轉(zhuǎn)換為B類設(shè)備是由終端設(shè)備上的應(yīng)用層來決定的。如果服務(wù)器的應(yīng)用層要讓終端設(shè)備從A類轉(zhuǎn)換為B類設(shè)備，就要在終端設(shè)備發(fā)送了上行消息后將命令發(fā)送給終端，同時終端設(shè)備需要在應(yīng)用層去解析這個命令，在LoRaWAN層是不能處理的。

為了讓網(wǎng)絡(luò)能支持B類設(shè)備，所有的網(wǎng)關(guān)必須同步地發(fā)送帶有時間基準的beacon消息給終端。只有基于相同的時間基準，終端設(shè)備才能周期的打開接收窗口（ping slot）。服務(wù)器通過最近一次從網(wǎng)關(guān)獲得的終端設(shè)備上行消息信號質(zhì)量來決定由哪個網(wǎng)關(guān)來發(fā)起beacon。因此，如果終端設(shè)備是移動的同時檢測到beacon發(fā)送者身份發(fā)生了變化，終端設(shè)備就必須發(fā)送上行消息給服務(wù)器來更新下行的路由數(shù)據(jù)庫（通過那個網(wǎng)關(guān)發(fā)送給終端設(shè)備）。

終端設(shè)備在啟動后首先以A類設(shè)備來加入到網(wǎng)絡(luò)中，如果終端的應(yīng)用層要將設(shè)備轉(zhuǎn)換為B類，整個過程如下：

• 終端設(shè)備將LoRaWAN層調(diào)整到B類，LoRaWAN層會開始搜索beacon，如果搜索到beacon就返回BEACON_LOCK服務(wù)原語給應(yīng)用層，沒有搜索到就發(fā)回BEACON_NOT_FOUND給應(yīng)用層。為了加快搜尋beacon的過程LoRaWAN層會主動發(fā)送BeaconTimingReq消息給服務(wù)器。
• 根據(jù)接收到的beacon信號強度和終端電池使用情況，終端設(shè)備應(yīng)用層會選擇ping slot的速度的周期，這些都是要給設(shè)備的LoRaWAN層使用的。
• 當設(shè)備變成B類后，在每個上行消息的mac層都要將FCTRL的Class B位置為1.這樣服務(wù)器就能知道設(shè)備變成了B類。Mac層會自動打開接收窗口來接收beacon和pingslot。當終端設(shè)備成功接收到beacon后會將beacon內(nèi)容和信號強度發(fā)送給應(yīng)用層。在pingslot中收到下行消息時就如同A類設(shè)備接收下行消息一樣。
• 移動終端要周期發(fā)送包含當前位置信息的上行消息給服務(wù)器來更新路由。另外終端設(shè)備的應(yīng)用層也可以通過判斷收到的beacon內(nèi)容來判斷終端是否在移動。
• 如果終端設(shè)備在一段時間內(nèi)沒有收到beacon，表明了與網(wǎng)絡(luò)間的同步已經(jīng)斷了。mac層就必須通知應(yīng)用層已經(jīng)變?yōu)榱?/font>A類設(shè)備，上行消息將不再將FCTRL的Class B置位，這樣服務(wù)器就知道終端不再是B類設(shè)備。應(yīng)用程序后面也可以繼續(xù)周期地搜索beacon來重新變?yōu)?/font>B類設(shè)備。
  

在上面這個B類設(shè)備例子中，Beacon的周期是128s，同時終端設(shè)備每30ms打開一個ping slot接收上行數(shù)據(jù)。大部分的ping slot里服務(wù)器都沒有數(shù)據(jù)發(fā)送下來，因此終端設(shè)置在ping slot開始后只要沒檢測到有radio的前導碼就馬上關(guān)閉接收信道。如果檢測到前導碼就會將無線數(shù)據(jù)接收下來，然后mac層開始檢測目的地址是否正確，然后校驗完整碼是否正確，最后將正確的數(shù)據(jù)交給應(yīng)用層處理。

6.2 上行消息格式

B類設(shè)備的上行消息格式和A類設(shè)備基本一致，在A類設(shè)備中Fctrl的RFU在B類設(shè)備中變成了Class B，表示該終端是B類設(shè)備。而下行消息A\B類設(shè)備是一樣的。

6.3 下行ping消息格式6.3.1 物理層格式

    在B類設(shè)備中下行的ping格式和A類設(shè)備下行格式一樣，但是使用的通道頻率可能不同。

6.3.2 單播和組播

在B類設(shè)備中下行消息分為單播和組播，單播消息只發(fā)送給當個終端，組播消息可以同時發(fā)送給多個終端。組播內(nèi)的終端設(shè)備必須要具備相同的組播地址和相關(guān)的加密密匙。在LoRaWAN的協(xié)議規(guī)定中沒有制定遠程組建組播組的方法，組播只能通過出場或者終端應(yīng)用層來配置。

6.3.2.1 單播消息格式

    B類設(shè)備ping中下行消息格式和處理方法和A類設(shè)備一樣。每收到一個下行消息都要計數(shù)。

6.3.2.2 組播消息格式

組播消息格式和單播消息基本一致除了有以下一些不同之處：

• 組播消息不允許包含MAC命令，無論是在FOpt中還是端口號為0的消息中。因為組播消息沒有單播消息類似的認證。
• 幀頭中ACK和ADRACKReq必須為0.消息類型MType必須為無需回復的下行消息Unconfirmed Data Down。
• 下行消息中FPending位為1表示還有組播消息沒發(fā)送，在下一個組播接收時隙繼續(xù)接收，如果為0，表示下一個組播接收時隙不一定會有數(shù)據(jù)。終端設(shè)備可以根據(jù)該位來評估接收時隙的沖突優(yōu)先級。
  

6.4 Beacon獲取和追蹤

終端設(shè)備在由A類轉(zhuǎn)換到B類之前，必須要先獲取網(wǎng)絡(luò)Beacon的時間來同步終端內(nèi)部時間。

終端設(shè)備一旦轉(zhuǎn)換為B類就要周期的搜尋網(wǎng)絡(luò)Beacon來同步自己的內(nèi)部時間。如果有時候沒有收到beacon，那么設(shè)備就要逐漸的延長beacon和ping slot的接收窗口時間來消除時鐘漂移。

6.4.1 最小Beacon-less運行時間

在終端設(shè)備沒收到Beacon后，要求設(shè)備至少能保持B類狀態(tài)運行120分鐘（從上一次接收到Beacon開始計算）。這種沒有Beacon的臨時B類運行狀態(tài)叫做Beacon-less狀態(tài)，改狀態(tài)下就要靠設(shè)備內(nèi)部時鐘來工作。

在Beacon-less狀態(tài)下所有的單播、組播和Beacon接收時隙都要逐漸的延長來消除終端設(shè)備內(nèi)部的時間漂移與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時間差。

6.4.2 Beacon-less下接收窗口調(diào)整

在這120分鐘內(nèi)如果終端設(shè)備收到了beacon消息，那么Beacon-less狀態(tài)就要繼續(xù)持續(xù)120分鐘來讓終端設(shè)備消除時間漂移和重置接收時隙長度。

6.4.3 減少時間漂移

   終端設(shè)備可以通過接收Beacon來同步校準設(shè)備內(nèi)部的時間。同時終端內(nèi)部的晶振偏移是與溫度直接相關(guān)的，因此終端內(nèi)部還可以通過采集溫度來校準時間漂移。

6.5 下行時隙 6.5.1 定義

B類終端設(shè)備在運行時必須精確的打開接收時隙來接收beacon，這一節(jié)就主要講接收的時間要求。

兩次Beacon開始之間的時間間隔叫做Beacon period，Beacon的傳輸是從BEACON_RESERVED開始的時候。在每個Beacon開始傳輸之前都有一段保護時間，防止其他時隙沖突。保護時間的長度至少為信道內(nèi)最長的幀傳輸?shù)臅r間。因此ping slot可用的時間是BEACON_RESERVED結(jié)束到下一個beacon前的保護時間開始。

Beacon實際的傳輸時間比BEACON_RESERVED要短的多，這段時間還可以以后留給網(wǎng)絡(luò)管理傳輸報文使用。上圖中的BEACON_WINDOW這段時間又被分成0-4095共4096個ping slots，每個ping slot時間為30ms。

在終端設(shè)備中通過時隙號N來計算在Beacon開始后Ton秒來打開接收窗口。最后一個ping slot開始的時間為beacon開始后的beacon_reserved + 4095*30ms = 129470ms.

6.5.1 時隙隨機化

   為了減少系統(tǒng)性的碰撞和防止竊聽，終端設(shè)備獲取的時隙編號是隨機的，而且每個beacon_period都會改變。用于計算隨機時隙值得參數(shù)如下：

   在每個 beacon_period開始時終端設(shè)備和服務(wù)器都要計算新的隨機值來確定接收時隙，計算時采用key值為0的AES加密算法：

終端打開接收時隙的時間為：

如果終端既有單播也有組播，那么上面的計算公式就要算兩次，一次使用單播地址，一次使用組播地址。如果單播和組播的接收時隙碰撞了，優(yōu)先接收組播。在服務(wù)器上如果單播和組播時隙重疊了，那么在上個多播報文上標記上FPending可以避免。

時隙的隨機分配可以防止單播和組播報文在系統(tǒng)時隙碰撞，如果在當前beacon_period出現(xiàn)了碰撞，那么下個beacon_period就應(yīng)該可以避免。

6.6 CLASS B MAC命令

在A類設(shè)備中所有的MAC命令對于B類設(shè)備同樣適用，除此之外還有一下B類設(shè)備特有的MAC命令。

6.6.1 PingSlotInfoReq命令

終端設(shè)備使用PingSlotInfoReq命令來告知服務(wù)器自己的pingslot周期和速率，該命令只適用于單播，組播的pingslot周期和速率上報由應(yīng)用層自己定義。命令格式如下：

命令數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，其中周期Periodicity長度為3位，周期計算公式如下，當Periodicity為0時，表示設(shè)備每1S打開一個接收pingslot，當Periodicity為7時，表示每128打開一個pingslot，這也是LoRaWAN B類支持的最大周期。

Data rate代表了終端每個pingslot的接收速率，Data rate的值和A類設(shè)備中LinkAdrReq命令中定義的值一樣。

服務(wù)器在發(fā)送B類設(shè)備的下行消息前必須先知道終端的pingslot速率和周期，所以設(shè)備在從A類轉(zhuǎn)換為B類之前必須先發(fā)送PingSlotInfoReq命令來告知服務(wù)器，然后服務(wù)器發(fā)送PingSlotInfoAns命令給設(shè)備。如果終端設(shè)備要改變ping'slot的設(shè)備，那么設(shè)備先必須先變A類設(shè)備，然后再發(fā)送PingSlotInfoReq給服務(wù)器，在收到服務(wù)器響應(yīng)后在使用新參數(shù)工作為B類設(shè)備。

6.6.2 BeaconFreqReq 命令

  服務(wù)器發(fā)送BeaconFreqReq 命令給終端設(shè)備來修改beacon接收的信道中心頻點。

頻率Frequency是24位長度的無符號整形，表示方式和A類設(shè)備中NewChannelReq表示方式一樣。范圍是100HZ-1.67GHZ，終端設(shè)備收到命令后檢查無線硬件是否支持該頻段，如果不支持返回錯誤給服務(wù)器。

如果Frequency值為0，終端設(shè)備使用默認的beacon頻段進行接收，同時還保留跳頻搜尋beacon的機制。一個非0Frequency使終端設(shè)備使用該固定的頻段進行beacon接收。

6.6.3 PingSlotChannelReq命令

   服務(wù)器發(fā)送PingSlotChannelReq命令給終端設(shè)備來設(shè)置pingslot的信道。

頻率Frequency是24位長度的無符號整形，表示方式和A類設(shè)備中NewChannelReq表示方式一樣。范圍是100HZ-1.67GHZ，終端設(shè)備收到命令后檢查無線硬件是否支持該頻段，如果不支持返回錯誤給服務(wù)器。如果Frequency值為0，終端設(shè)備使用默認的beacon頻段進行接收。

DrRange的低4位和高4位分別表示該通道上最小和最大速率。

終端設(shè)備收到PingSlotChannelReq命令后回復PingSlotChannelAns給服務(wù)器，消息合適如下，對應(yīng)位為1表示這種成功，否則失敗。

6.6.4 BeaconTimingReq命令

    終端發(fā)送該命令給服務(wù)器來獲取下一次beacon時間和通道，該命令后面沒有數(shù)據(jù)。

BeaconTimingReq & BeaconTimingAns 機制用來加速終端設(shè)備的beacon搜尋過程。如果服務(wù)器在一段時間內(nèi)收到多個BeaconTimingReq 請求，他可能只會回復其中一部分請求。因此終端設(shè)備不一定在發(fā)送請求后馬上就能收到響應(yīng)。終端設(shè)備最好一個小時內(nèi)不要發(fā)送超過一次的BeaconTimingReq請求。

6.6.5 BeaconTimingAns命令

服務(wù)器發(fā)送該命令來相應(yīng)BeaconTimingReq，格式如下：

   Delay是16位無符號整數(shù)，從該下行命令結(jié)束到下一次beacon開始的時間RTime:

   在多個beacon發(fā)送通道的網(wǎng)絡(luò)中，channel代表下一次beacon發(fā)送的通道。對于beacon通道固定的網(wǎng)絡(luò)，該值為0.

7、BEACON7.1 BEACON 物理層結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備除了轉(zhuǎn)發(fā)終端設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)外，還要周期性的（BEACON_INTERVAL）發(fā)送Beacon來給終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)提供終端同步機制。所有的Beacon在無線芯片的物理層都是采用的隱式模式，發(fā)送出去的報文不包括頭和CRC只有前導碼和數(shù)據(jù)段。格式如下：

前導碼長度為10，beacon的長度與無線芯片的物理層有關(guān)，采用不同頻段對應(yīng)的beacon長度可能會有所不同。

7.2 Beacon格式

     Beacon的BCNPayload部分由網(wǎng)絡(luò)部分和網(wǎng)關(guān)相關(guān)部分組成，如下表所示：

    網(wǎng)絡(luò)相關(guān)部分由NetID、Time和CRC組成，其中NetID唯一的標識了發(fā)送Beacon的網(wǎng)絡(luò)，時間戳Time是以秒為單位的標準格林威治時間（1970-1-1 00:00:00開始），8位或者16位的CRC校驗取決于物理層的設(shè)置。CRC-16計算NETID和Time的校驗，CRC-8取CRC-16的低8位。

終端可能會收到多個網(wǎng)關(guān)發(fā)出的Beacon，網(wǎng)關(guān)相關(guān)部分就是為了讓終端來區(qū)分不同的網(wǎng)關(guān)。當包括RFU時應(yīng)該填0，同樣網(wǎng)關(guān)相關(guān)部分GwSpecific和RFU還有CRC-16來保護。

如下是一個US900的beacon：

    空中傳播的順序如下：

移動的B類終端還要解析Beacon中網(wǎng)關(guān)相關(guān)部分，當檢測到不同網(wǎng)關(guān)的Beacon時還要通知服務(wù)器自己位置移動了。

當網(wǎng)絡(luò)中有多個網(wǎng)關(guān)時，多個網(wǎng)關(guān)都會同時發(fā)送beacon，如果終端設(shè)備在多個網(wǎng)關(guān)的覆蓋重疊區(qū)內(nèi)，終端節(jié)點會收到多個beacon，而信號最強的網(wǎng)關(guān)發(fā)出的Beacon更容易被接受到。

7.3 GwSpecific格式

     GwSpecific的格式如下：

其中InfoDesc表示了Info數(shù)據(jù)段應(yīng)該怎么解讀。

對于只有一個全向GPS天線的網(wǎng)關(guān)，InfoDesc的值為0廣播的是該GPS坐標。對于有3向天線的網(wǎng)關(guān)，InfoDesc等于0、1、2分別代表三個天線的GPS坐標值。Info定義如下：

Info長度為6字節(jié)，分別表示網(wǎng)關(guān)地理位置的GPS經(jīng)度和緯度。南北緯度Lat由24位的有符號數(shù)表示，-223 代表南緯90度，223 代表北緯90度，赤道對應(yīng)的值為0。東西經(jīng)度Lng由24位的有符號數(shù)表示，-223 代表西經(jīng)180度，223 代表東經(jīng)180度，格林威治對應(yīng)的值為0。

7.4 Beacon時間

Beacon每128s發(fā)送一次，每一次發(fā)送的時間為BT = k * 128 +NWKID + TBeaconDelay，BT為世界標準時間UTC 1970-1-1起經(jīng)過的秒數(shù)。這里加上NWKID也為了讓不同網(wǎng)絡(luò)的Beacon不會再時間上沖突。

這里的TBeaconDelay是網(wǎng)絡(luò)中協(xié)定好的時延，范圍在0-50ms，在網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)關(guān)都要按照TBeaconDelay時延后再發(fā)送beacon。所有的終端設(shè)備ping slot用的參考時間都是beacon的發(fā)送時間，因此服務(wù)器的下行報文時間也要把TBeaconDelay算進去。

7.5 服務(wù)器下行路由更新

當服務(wù)器要通過CLASS B的下行slot給終端設(shè)備發(fā)送消息時，首先發(fā)給離終端設(shè)備最近的路由器（通過終端設(shè)備最近一次的上行消息確認），再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備。因此服務(wù)器上必須保存有終端設(shè)備的大致位置。

當B類設(shè)備位置發(fā)生了變化，就需要定期發(fā)送上行消息給服務(wù)器來讓服務(wù)器更新新的路由。這個消息可以是confirmed或者unconfirmed消息，消息中app數(shù)據(jù)段可以為空。終端設(shè)備有一下兩種更新路由方案。

• 周期發(fā)送上行消息，這是最簡單地方法，終端設(shè)備不用解析Beacon中網(wǎng)關(guān)相關(guān)部分。適用于低速移動或者靜止的終端設(shè)備，對上行報文的周期也沒有特殊要求。
• 當檢測到Beacon中網(wǎng)關(guān)發(fā)送改變時發(fā)送上行報文。當檢測到網(wǎng)關(guān)發(fā)生變化時隨機時延一個時間（0-120）發(fā)送上行消息給服務(wù)器。
  

如果服務(wù)器沒有及時收到終端設(shè)備的路由更新，會造成服務(wù)器的下行slot終端設(shè)備收不到下行消息。這種情況就只有等終端設(shè)備下一次發(fā)送上行消息才能重新更新路由。

8、CLASS C

當終端設(shè)備有充足的電源提供，不用擔心耗電問題時，設(shè)備可以不用減少接收時間來省電。這時設(shè)備就可以工作在C類。

C類設(shè)備不具備B類設(shè)備的特性，更類似于A類設(shè)備。C類設(shè)備中會盡可能地打開RX2接收窗口，當終端設(shè)備沒有在發(fā)送或者打開RX1窗口接收時就一直打開RX2接收。并沒有特殊的消息告訴服務(wù)器終端設(shè)備為C類，在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時服務(wù)器的appserver中就要知道該終端設(shè)備為C類。（通過appeui確定或者deveui確定）

8.1  C類設(shè)備的第二個接收窗口

在C類設(shè)備中與A類設(shè)備一樣在發(fā)送上行消息后都會有兩個接收窗口，但是在c類設(shè)備中在有需要發(fā)送上行消息之前都不會關(guān)閉第二個接收窗口，同時在發(fā)送完成后，第一個接收窗口打開前也會打開RX2，這樣在任何時間都有可能在RX2上接收到下行消息。

8.2 C類設(shè)備的組播下行消息

與B類設(shè)備類似，C類設(shè)備也有可能會接收到組播下行消息。組播地址和APPSKEY和NWKSKEY都由應(yīng)用層來實現(xiàn)。同樣還有一下對組播消息的限制。

• 不允許攜帶MAC命令，不論是在Fopt中或者在端口號為0的數(shù)據(jù)報文中。
• ACK和ADRACKReq位必須為0，MType必須為Unconfirmed Data Down。
• Fpending位為1表示還有組播消息要發(fā)送，由于C類設(shè)備中接收是一直打開的，因此FPending不會產(chǎn)生其他影響。
  

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