LoRa标准下的MAC层协议探究

LoRa标准下的MAC层协议探究

黄伟

天津光电华典科技有限公司天津市河西区300211

摘要：为了研究物联网环境下的LoRa标准MAC层协议。通过对LoRaWAN协议概念及其架构进行深入解读，根据笔者多年工作经验。就LoRaWANMAC层协议的实现展开现实意义阐述，为同行提供建设性意见。

关键词：物联网；协议；LoRa；标准；LoRaWANMAC

1引言

随着社会的进步与电子通信技术的发展，以物联网为代表的新事物得到了人们的广泛关注，并在以计算机硬件与相关软件技术同步发展的前提下得到长足发展。以物物相连的互联网具有强大的功能优势，当前物联网的功能优势迫切需要专用网络协议的帮助。与传统移动互联网不同的是，两者的受体对象存在差异。这也就是关键通信协议差异性的表现。通俗来讲，移动互联网连接的对象是人，物联网主要完成事物之间的连接和信息交换。人和物的连接频率是完全不同的。手机需要随时保持在线和连接。物联网的对象只有在需要信息交换时才会连接。当物联网设备处于“等待”状态时，它完全有可能释放它所占用的频谱资源，也没有必要一直在上网。因此，传统的无线网络不适合承载物联网业务。一个只有在有效负载时才被连接的网络才是多快好省的解决方法，所以超窄带调制技术应运而生。基于此，相关学者提出了LPWAN（低功耗广域网）的概念，依靠仅有的少量网络传输设备带动数百万设备进行低功耗条件下的广域数据传输。本文以LoRa技术为研究方向，在LoRa标准下的MAC层协议研究要点下展开探讨。为同行提供建设性意见。

2LoRaWAN协议

LoRa英文缩写为“LongRange”直译为远距离传输的意思。最早由美国Semtech公司研制并投放市场，属于无线电调制解调技术的一种。非常适合有限数据量前提下的长距离、低功率数据传输。通信信道通畅，实时数据可达125KHz。其数据传输速率范围较广，可达0.3-50kbit/s。以LoRa技术为蓝本的相关协议，例如LoRaWAN协议巧妙运用了单跳星形star-of-stars拓扑结构，在硬件有限的前提下消除了同步和跳数的设置单耗。极大降低了整体功耗，而且支持允许数个并发应用程序在网络上运行。与Sigfox相比，LoRa不需要以降低速度为代价获得通信距离和功耗的优势。与lte-m相比，LoRa不需要以放大数据和传输参考信号功率为代价来增加覆盖范围。与Nwave相比，LoRa并不需要一个中央处理器来对数据进行排序。基于上述LoRa技术的优势，LoRa技术在世界范围内得到了广泛的关注和应用。在此对基于LoRa技术的LoRaWANMAC层协议进行了深入的研究和分析。

LoRaWAN是LoRa技术使用的一种网络协议，为电池供电的无线设备提供区域性、全国性或全球性的网络连接。使用LoRaWAN协议的网络能够实现安全的双向通信、移动性和本地服务，使智能设备能够在不需要复杂配置的情况下无缝运行，使物联网领域的用户、发起者和企业能够自由操作。

在网络架构方面。典型星形拓扑结构是LoRaWAN的网络架构的典范。在这个网络架构中，网关是透明的中继，连接前端终端设备和后端中央服务器。网关通过标准的IP协议与中央服务器通信，终端设备使用单跳LoRaTM或FSK连接到一个或多个网关。见图1。所有的节点都是双向的，但是上行链路的通信是主要的。

图1LoRaWAN网络架构图

终端设备和网关之间的通信可以选择各种数据速率和信道频率。数据速率的选择需要在通信范围和信号延迟之间进行平衡。在同一通道中使用不同数据速率的通信不会相互干扰。为了使电池寿命和网络容量最大化，LoRa网络通过数据速率自适应(ADR)方案控制每个终端设备的数据传输速率和射频输出。

3LoRaWANMAC层协议的实现

任何的网络协议都表现在通信过程先进性上。在LoRaWANMAC层协议的一般通信过程中主要实现分布依据终端激活→加入网络→数据传输三部流程进行。其中运用无线激活（OTAA）和个性化激活（ABP）两种方式可以可实现终端设备的激活。当激活完成后，终端硬件设备便会开始存储DevAd-dr（终端设备地址）、AppEUI（应用识别）、NwkSKey（网络进程密钥）、AppSKey（应用进程密钥）四种信息。在LoRaWAN网络中，终端设备通过相应的MAC命令连接到网络。终端设备首先向服务器发送连接请求命令。如果服务器允许终端设备加入网络，它将连接接受命令发送回终端设备。如果终端设备成功接收到JoinAccept命令，它将成功地连接网络。在此之后，终端设备可以进行链路检查，以确认是否已成功连接网络。此过程由相应的MAC命令完成。一旦网络连接成功，就可以开始数据传输。否则，上行链路再次发送，重复上述过程。数据传输过程中,信道频率可以通过特定的MAC命令修改根据通信需求,可以将数据传输速率自适应控制,工作周期可以设置,和接收窗口可以设置的参数等。如果发送数据信息需要确认,接收者将在响应消息发送回数据。

数据率自适应控制（ADR）方面，LoRaWAN网络的数据速率自适应控制可以最大限度地提高网络传输的数据速率，提高终端设备的电池寿命，最大限度地提高网络容量。当帧控件fcontrol字段中的ADR设置为1，实际通信数据率高于默认值时，服务器会定期确认网络是否仍在接收上行链路。每次添加向上链接计数器1,ADR_ACK_CNT计数器也添加1。如果没有下行链路响应，在发送上行链路之后，终端设备将发送一个数据速率自适应请求。网络需要在ADR_ACK_DELAY设置的时间内发送一个下行链路作为响应。如果收到响应，发送一个向上链接并重置ADR_ACK_CNT计数器。如果没有收到响应，下一个上行链路将以较低的数据速率发送，以扩展重新连接的连接范围。

4结语

随着数据通信业务的不断发展与人们功能性要求的不断提高。物联网的发展向着多节点、高速率和大规模的方向发展。相关电器元件功能的提升给软件算法协议的发展带来了空前绝后的优势。LoＲa以其超低功耗、超长距离传输性能和可以支持众多节点的特点越来越受到市场的青睐。

MAC协议作为无线自组网的重要组成部分，在控制有序通道访问和避免数据冲突方面起着重要作用。LoRa技术作为一种新型的无线调制解调器技术,实现远距离传输,低功耗和抗干扰能力强,没有线性基础的自由阻抗协议弥补了传统的自组网技术的物理,但由于LoRa物理层技术的技术和标准是不同的,因此需要设计技术的发展为LoRaMAC协议控制媒体访问,从而达到网络的目的。

参考文献

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[2]庄晓槟.基于LoRa~(TM)传感器网络的物联网协议研究[D].华南理工大学,2016.

[3]刘琛,邵震,夏莹莹.低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术,2016,1(5):43-46.