本章针对LoRa应用的一些标准和规范展开介绍，其中LoRaWAN协议标准是重点部分。由于LoRaWAN协议在一些高速响应或节点间通信应用中仍然存在一些问题，因而出现了一些协议的更新和创新，其中包括中继Relay协议，阿里巴巴推广的LoRaD2D协议等。这些协议都是基于LoRaWAN协议的创新，都是在兼容原有LoRaWAN协议的前提下的协议创新。Yosmart公司开发的YoLink协议是一个吸收了LoRaWAN、Dash7等多种协议优点的智能家居协议，既具有

LoRaWAN的网络优势，又具有智能家居的快速响应的优势。

       LoRaWAN网络通常采用星状拓扑结构，其中网关（Gateway）转发终端设备（Enddevices）和后台网络服务器之间的消息。网关通过标准IP连接来接入网络服务器，而终端则通过单跳的LoRa或FSK和一 个或多个网关通信。虽然主要传输方式是终端上行传输给网络服务器，但所有的传输通常都是双向的。网关也被称作集中器或基站；终端设备又称为节点（Nodes）或传感器（Sensor）。

       终端和网关间的通信被分散到不同的信道频点和数据速率上。数据速率的选择需要权衡通信距离和消息时长两个因素，使用不同数据速率的设备互不影响。LoRaWAN的数据速率范围可以为0.3～50kb/s。为了最大限度地延长终端的电池寿命和扩大网络容量，LoRaWAN网络使用自适应数据速率（ADR）机制来独立管理每个终端的速率和RF输出。

       每个设备可以在任意可用的信道，任意时间，使用任意数据速率发送数据，只要符合如下规定。

     （1）跳频规定：终端的每次传输都使用伪随机方式来改变信道。频率的多变使得系统具有更强的抗干扰能力。

     （2）占空比规定：终端要遵守相应频段和本地区的无线电规定中的最大发射占空比要求。例如，欧洲规范中要求所有的终端设备最大发射占空比为1%；又如某终端发送某数据时的发射时长为1s，则该终端需要等候99s才能进行下一次的发射。

     （3）发射时长规定：终端要遵守相应频段和本地区的无线电规定中的最大发射时长要求，如中国规范要求单次发射的时长不能超过1s。

     （4）发射功率规定：终端要遵守相应频段和本地区的无线电规定中的最大发射功率要求，如中国规范要求E.R.P<50mW。

      如图6-1所示，LoRaWAN协议分为基础类别ClassA和可选功能类别ClassB、ClassC。

图6-1LoRaWAN协议OSI架构

      （1）ClassA（双向传输终端）：ClassA的终端在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输。终端基于自身通信需求来安排传输时隙，在随机时间的基础上具有较小的变化（属于随机多址ALOHA协议）。这种Class  A操作为应用提供了最低功耗的终端系统，只要求应用在终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。服务器在其他任何时间进行的下行传输都需要等待终端的下一次上行。通常用于低功耗的物联网设备，如水表、气表、烟感、门磁等多种传感器。

      （2）ClassB（划定接收时隙的双向传输终端）：ClassB的终端会有更多的接收时隙。除了ClassA的随机接收窗口，ClassB设备还会在指定时间打开另外的接收窗口。为了让终端可以在指定时间打开接收窗口，终端需要从网关接收时间同步的信标（Beacon）。这使得服务器可以知道终端何时处于监听状态。一般应用于下行控制且有低功耗需求的场景，如水闸、气闸、门锁等。

      （3）ClassC（最大化接收时隙的双向传输终端）：ClassC的终端一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。Class  C的终端会比ClassA和ClassB更加耗电，但同时从服务器下发给终端的时延也是最短的。一般ClassC用于长带电的场景，比如电表、路灯等。

       学习Class  A/B/C的时候经常忘记其特征，这里的A代表英文单词“All”，意思就是所有的LoRaWAN终端都必须满足Class  A的规定；B代表英文单词“Beacon”；C代表英文单词“Continuous”。

       图6-2所示为MAC层帧结构。LoRa所有上下行链路消息都会携带PHY载荷。PHY载荷以1B的MAC头（MHDR）开始，紧接着是MAC载荷（MACPayload），最后是4B的MAC校验码（MIC）。

图6-2     LoRaWANMAC层帧结构